設計用于發電和魚類保護的水力渦輪機

荷蘭的沿海防洪結構也被用于潮汐發電。嚴格的國家標準和歐洲法規要求新的渦輪機設計應具有魚類通道安全。Physixfactor 使用仿真為 Water2Energy 公司設計了 Darrieus 型垂直軸水力渦輪機。與傳統的水力渦輪機相比,實驗驗證結果表明新設計的渦輪機將魚類死亡率從 20% 降低至不到 1%。


作者 Alan Petrillo
2021 年 4 月

“在荷蘭,我們跟海洋很親密?!?Helger Van Halewijn 輕描淡寫地微笑著說。北海(Noordzee)與荷蘭人密不可分。在這種親密而動蕩的關系中,荷蘭人學會了堅韌不拔和靈活應對。與其和水戰斗,更明智的做法是談判一個周密的休戰協議。荷蘭著名的堤壩、運河和田地景觀并沒有阻擋大海,而是將水流重新導向到一些易于管理和有用的地方。

這種足智多謀體現在諸多現代荷蘭基礎設施項目以及項目開發者身上?!拔覀儾粌H使用堤壩防洪”工程設計咨詢公司 Physixfactor 的 Van Halewijn 主管說道,“還可以利用它們來滿足能源需求、保護魚類和環境?!睘榱藢崿F這些目標,荷蘭 Water2Energy 公司與 Van Halewijn 合作,模擬了用于防洪結構的垂直軸水力渦輪機(vertical-axis water turbine,VAWT)。Van Halewijn 利用多物理仿真,優化了 Water2Energy 公司的垂直軸水力渦輪機,用于產生更多的電力,同時最大限度地減少對海洋生物的潛在危害。

該潮汐發電項目的技術可能是現代的,因為它強調環境保護,但其也深深扎根于脆弱的(但受到嚴格保護的)荷蘭土壤。

澤蘭和三角洲工程:一個岌岌可危的保護地

如果說荷蘭有哪個地區可以被認為最靠近大海(并且受海洋影響最大),那么很可能就是名字里有“?!钡牡貐^: 澤蘭(Zeeland)。澤蘭是荷蘭最西部人口最少的一個省,同時也是一個河流三角洲,舍爾特(Scheldt)、默茲(Meuse)和萊茵河(Rhine)都經這里流入北海。澤蘭總面積的三分之一以上是水,它的拉丁語格言 “我掙扎著浮出水面(luctor et emergo)”描繪的就是其盾形徽章上畫著的一只從海浪中升起的獅子。

即使按照荷蘭的標準,澤蘭也特別容易受到北海風暴的影響。如今被稱為 “Watersnoodramp” 的風暴在 1953 年永久地改變了這個地區的風貌。由于風、潮汐和風暴潮的綜合作用,澤蘭的海平面上升比荷蘭平均水平高出 4 米,這不僅沖毀了堤壩,淹沒了 165000 公頃的土地,還導致 1800 多人死亡,成千上萬的人被迫逃離該地區。為了對抗風暴的威脅,荷蘭在整個三角洲地區建立了一個復雜的水壩和屏障系統。

按照荷蘭的傳統,這些三角洲工程并沒有完全把海洋和陸地隔離。防護周期性風暴的需求必須與該地區的日常需求相平衡,包括漁業和通往鹿特丹(Rotterdam)和比利時安特衛普(Antwerp)主要港口的河流。因此,三角洲工程建立了固定屏障與半開放結構相結合的系統,僅在出現威脅性風暴潮時才關閉。

反饋回路:三角洲工程不斷演變的優先事項

正如對一個龐大且復雜的項目所期望的一樣,三角洲工程的建設已經持續了數十年(圖1)。自該項目啟動以來 70 多年,其優先事項一直在不斷演變。除了提供免受海洋風暴的保護外,三角洲工程還改變了區域生態系統,但并不總是向好的方向發展?!霸?20 世紀中期,當這個項目被設計出來時,它還是一個全新的理念。以前世界上沒有人做過類似的供水系統,人們對環境的關注也不像今天這樣重視” Van Halewijn 解釋道。

A simple map of the Netherlands with a cut-out showing a zoomed-in view of Zeeland and labels for its many flood control facilities. Zeeland
圖1 荷蘭地圖,突出顯示了澤蘭省及其主要防洪設施。原始圖片通過 Wikimedia Commons 由 TUBS 提供。圖片經過修改。

除了半開放屏障,最初設計的三角洲工程還包含一些阻擋河口的大壩,這些大壩在海洋咸水和河流淡水之間形成了分界。大壩后面以前受潮汐作用影響的地區變成了淡水湖?!艾F在我們認為之前的設計是錯誤的?!?,Van Halewijn 說道。自 20 世紀 70 年代以來,許多水壩都安裝了水閘。這些受控通道在正常情況下保持開放,只在暴風雨期間才關閉。通過安裝水閘將潮汐周期重新引入大壩后面的盆地,水閘已經恢復了牡蠣、貽貝和其他沿海海洋生物喜歡的咸水環境。

ENCORE 與 Water2Energy:脆弱地區的可再生能源

雖然澤蘭的情況不尋常,但氣候變化導致的海平面上升正在威脅著全球沿海地區。荷蘭建設沿?;A設施的專業知識是從數百年與海洋的談判中獲得的,比以往任何時候都更具有全球參考性?;诖?,看到荷蘭率先采取的跨境舉措,如利用海洋可再生能源振興沿海地區項目(ENCORE),就不足為奇了。

作為一個由 Interreg 2 Seas 項目資助并由海洋可再生能源專家 MET/SUPPORT 領導的聯合項目,ENCORE 意識到北海地區對氣候變化的脆弱性及其作為能源生產的潛力。該項目來自英國、法國、比利時和荷蘭的合作伙伴一致認為,到 2050 年,海洋可再生能源可以滿足 25% 的歐洲能源需求。目前,有三個參與該項目的公司正在開發海上太陽能、波浪能技術和河流渦輪機,其中 Water2Energy 正試圖利用流經三角洲工程水閘的潮汐流發電。

Darrieus 轉子:水力渦輪機設計

源源不斷的水流過的地方似乎是水力發電的理想環境。然而,盡管開發潮汐發電的潛能看似簡單,但實際卻卻面臨許多挑戰。傳統的水力發電技術(圖2)不太適合安裝在三角洲工程的水閘中?!皽u輪機最常見的設計是 Kaplan 轉子,”Van Halewijn 解釋說,“它的轉速非???,看起來像是為船舶提供動力的螺旋槳。如果我們將其置于一個有限的空間,就像水壩的水閘一樣,它會損害魚類和其他海洋生物”。為了解決這些問題,Water2Energy 公司開發了一種采用了 Darrieus 轉子的垂直軸水力渦輪機(圖3)。

A Kaplan turbine rotor with a blue body and metal blades. Kaplan turbine rotor
圖2 Kaplan 渦輪轉子示例。圖像來自 Reinraum,CC0,通過 Wikimedia Commons 獲得。
Illustration of a Darrieus rotor with annotations indicating lift force and airflow. Darrieus rotor
圖3 Darrieus 轉子示意圖。圖片由 Saperaud~commonswiki,CC BY-SA 3.0,通過 Wikimedia Commons 提供。圖片經過修改。

該設計以 Georges Jean Marie Darrieus 的名字命名,他于 1926 年獲得 Darrieus 風力渦輪機轉子的專利,這種設計也為水應用帶來了潛在好處。Water2Energy 認為,Darrieus 轉子的開放式結構和運動對魚類的危害遠小于 Kaplan 轉子,這是它最顯著的優勢。那么,它是否能夠滿足 ENCORE 項目雄心勃勃的發電目標呢?為了平衡最大化電力輸出和最小化生態危害的需求,Water2Energy 必須解決 Darrieus 設計中的一些難題。

隨波逐流:渦輪葉片攻角的自我優化

對于 Water2Energy 公司的潮汐發電渦輪機,最重要的設計決策涉及轉子垂直葉片的優化(圖4)。通過測試和改進葉片的設計及調整葉片角度的機制,Van Halewijn 解決了兩個技術難題。首先,即使在水連續流動的環境中,Darrieus 轉子也并不總是自動啟動。第二,安裝在封閉通道中的旋轉渦輪,如通過水壩的水閘,比在露天或水中自由旋轉的渦輪更容易受到湍流的影響。

這兩個難題都可以通過不斷調整渦輪葉片的攻角來解決。正確定向水流后,即使在極低的水流速度下,Darrieus 轉子的葉片也會移動。問題在于,一旦渦輪機已經開始移動,啟動葉片的最佳角度將會效率低下。同樣,可以通過優化刀片的角度使其順利通過機箱壁。但當刀片處于旋轉的其他點時,該角度的效率會很低。Van Halewijn 使用 COMSOL Multiphysics? 軟件模擬了不同葉片位置對渦輪機性能的影響。

The Water2Energy water turbine design in gray and chartreuse with white vertical blades. Water2Energy water turbine design
圖4 Water2Energy 水力渦輪機設計示意圖。包括垂直葉片(以白色顯示)的轉子機構。

“到目前為止,這類應用還沒有最佳的設計方案。將 Water2Energy 公司的設計方案與我們的仿真相結合,得出了一個更好的解決方案。我們可以借助軟件來測試不同方案并得到一個最佳方案?!盫an Halewijn 說道。

為此,Van Halewijn 僅對渦輪的一個葉片進行建模,以找到最佳攻角。為了模擬渦輪葉片周圍的湍流,他在 COMSOL 軟件中嘗試了不同的流體流動計算方法。標準的 k-ε 模型不太適合這個問題,也沒有得到最佳的功率輸出;SST 模型結合了 k-ε 模型(自由流區域)和 k-ω 模型(近壁面區域),結果很好但模型收斂時間過長。因此,k-ω 模型既適合項目需求,又平衡了計算資源。

在對渦輪葉片周圍的湍流進行建模后,Van Halewijn 找到了最佳的葉片輪廓設計?!拔铱偸窍蚩蛻艚忉?,仿真軟件是研發的決策工具。而不是單純的數學計算。通過仿真,我能將項目推向正確的方向,而不需要太多試錯。事實上,仿真提供的是基于合理的物理原理的更好地決策?!盫an Halewijn 說道。

A 3D simulation of the fluid flow, visualized in blue slices, through a Water2Energy water turbine design. Fluid flow through water turbine
圖5 流體流經 Water2Energy 的水力渦輪機。
A 2D simulation showing the overview of turbine blades and fluid flow around them with arrows pointing right. Flow around turbine blades
A circular plot visualizing the torque around three turbine blades. Torque around turbine blades
圖6 在 COMSOL Multiphysics® 中模擬的渦輪葉片周圍的氣流圖(左)和扭矩圖(右)。

“一旦建立了葉片的輪廓模型,我們就可以模擬它通過通道壁的運動(圖5,6)。這意味著我們必須調整葉片表面的網格,使其適應葉片 360° 旋轉過程的每個時間步?!盫an Halewijn 解釋道?!拔夷軌蛟谲浖刑砑犹厥庹f明,以達到最大產能設計。當然,我們必須模擬魚通過渦輪機的過程,讓人們相信海洋生物不會受到傷害,即使通過我們的原型測試也不會?!?/p>

高效且對魚類友好:現場測試驗證了新設計的高效性

Water2Energy 公司在三角洲工程水閘通道內對其可調節葉片的 VAWT 機制進行了現場測試(圖7)。測試結果表明,就功率輸出而言,重新設計的渦輪機比現有的固定葉片設計性能提升 40% 以上。

The test site for the Water2Energy water turbine prototype. Test site
A closeup view of the orange Water2Energy water turbine prototype. Prototype closeup
圖7 Water2Energy 水力渦輪機原型,即將進行現場測試。

同樣重要的是,Darrieus 轉子渦輪機證明了它可以將潮汐能轉化為電能,同時保護海洋生物。在使用 Kaplan 轉子渦輪機時,經過其的高達 20% 的魚類通常會被快速旋轉的葉片殺死。通過 Van Halewijn 仿真優化后的 Water2Energy 渦輪機將魚類死亡率降低到 1% 以下。安裝在水閘通道上的攝像機生動地顯示了鱒魚安全游過時垂直調節葉片的工作情況。

在證實新設計有效后,Water2Energy 公司現在正致力于開發其商業潛力。一個名為澤蘭風力發電廠的集團提議在澤蘭地區的 Grevelingendam 建造一座潮汐發電廠。其中的一個解決方案建議可以使用 6 個水力渦輪機,總輸出功率為 1.6 兆瓦,能為大約 1000 個家庭供電。

與上升的大海的浪漫又務實的契約

雖然 Van Halewijn 非常樂意分享他的潮汐發電渦輪機項目的細節,但他也提醒我們要有一個更廣闊的視野:“這個故事不僅僅討論仿真,我們還必須關注其所處的環境背景?!?/p>

從這個角度來看,我們可以看到由一個小國家的一個小公司完成的工作所具有的更廣闊的意義。世界的幸?,F在可能取決于我們與自然力量談判的能力,無論這些力量是像北海風暴一樣巨大,還是像一條鱒魚安全地隨波逐流一樣——盡管事情小但意義重大,甚至能夠鼓舞人心。Van Halewijn 說:“我們正在尋求一個雙贏的局面?!?/p>

感謝

非常感謝 MET/SUPPORT 的 Peter Scheijgrond 對本文的審閱。

關于 ENCORE 項目

ENCORE 項目旨在以結構化和協作的方式推進四種海上可再生能源技術——波浪能變流器、潮汐和河流渦輪機以及海上浮動太陽能,并開發開源工具和服務,以促進島嶼、港口、河口和海岸結構加速采用近海能源解決方案,重點關注 Interreg 2 Seas 海域和輸出機會。

ENCORE 項目資金由 2014—2020 Interreg 2 Seas 項目資助,該項目由歐洲區域發展基金(European Regional Development Fund)根據第 2S08-004 號補償合同共同資助。此外,南、北荷蘭和澤蘭地區也提供了財政支持。

主要合作伙伴和協調人 MET/SUPPORT 匯集了來自 4 個歐洲國家的項目合作伙伴: Water2Energy (荷蘭)、EEL Energy (法國)、Ocean of Energy(NL)、Teamwork Technology(荷蘭)、Dutch Marine Energy Centre (DMEC)、the European Marine Energy Centre (英國)、Artelia (法國)、Bureau Veritas (法國)、Ghent University (比利時)、Inyanga(英國)和Deftiq (荷蘭)。

Four logos of members of the ENCORE project.