用户故事库

产生力量，用达里乌斯水轮机保护鱼

荷兰采用沿海防洪结构，也可以用来利用潮汐力量。严格的国家和欧洲法规推动了新的涡轮机设计，这些设计天生就可以安全地通过鱼类通道。为了开发用于客户水2energy的转子设计，PhysixFactor使用仿真来调整Darrieus风力涡轮机进行用水。与常规的水力发电涡轮机相比，实验表明，水2energy垂直轴设计将鱼类死亡率从20％降低到小于1％。

---

艾伦·佩特里洛（Alan Petrillo）
2021年4月

“在荷兰，我们非常靠近大海，” Helger Van Halewijn说，他对他的轻描淡写微笑。北海（noordzee）和荷兰人是密不可分的。从这种亲密而动荡的关系中，荷兰人民学会了具有韧性，并且也很灵活。长期以来，谈判警惕的休战一直是明智的，而不是与水作斗争。著名的荷兰堤坝，运河和pold虫的景观并没有停止大海，而是将水流到可管理的东西中，并且有用。

这种机智的生活在现代的荷兰基础设施项目中以及使它们成为可能的人们中。“我们不仅想使用堤防进行防洪。我们还可以利用它们来满足能量的需求并保护鱼类和环境。为了实现这些目标，荷兰公司Water2Energy转向Van Halewijn，以支持其垂直轴水涡轮机（VAWT）用于洪水控制结构的建模。使用多物理学模拟，他优化了Water2energy VAWT，以产生更多的电力，同时最大程度地减少对海洋生物的潜在伤害。

该潮汐力量项目的技术可能是现代的，其强调环境保护也是如此，但其根源深深地融入了脆弱的（但精心保护的）荷兰土壤。

Zeeland and the Delta作品：保护一个不稳定的地方

如果可以将荷兰的任何地区视为最接近（受到最大的海洋影响），则可能是其名称为“海”的部分：Zee土地。最西端和人口最少的荷兰省也是三角洲的河流，在那里，舍尔德，默兹和莱茵河全部流入北海。Zeeland总面积的三分之一是水。它的拉丁座右铭Luctor等人，或“我挣扎和出现”，在Zeeland的徽章上说明了一只从海浪中升起的狮子。

即使按照荷兰的标准，Zeeland也尤其容易受到北海风暴的影响，而1953年的风暴如今被称为Watersnoodramp永久重塑该地区。风，潮汐和风暴潮的结合导致海平面上升超过平均水平超过4米，破坏了堤坝并淹没了165,000公顷的土地。1800多人被杀，成千上万的人被迫逃离该地区。荷兰的回应是在整个三角洲地区建立了一个复杂的大坝和障碍系统。

在荷兰传统中，这些Deltawerken，或者三角洲的作品，并未完全从陆地上围着海洋。必须与该地区的日常需求保持平衡，包括渔业和河流通往比利时鹿特丹和安特卫普的主要港口。因此，三角洲的作品将一些固定障碍与其他半欧植物结构相结合，只有在发生风暴潮的威胁时才关闭。

反馈循环：三角洲的不断发展的优先级

正如这样一个庞大而复杂的项目所期望的那样，三角洲工程的建设持续了数十年（图1）。自从该项目开始的70多年以上，该项目的优先事项一直在发展。除了提供海洋风暴的保护外，三角洲的作品还改变了区域生态系统 - 并非总是如此。“在1950年代和60年代，当该项目设计时，它是全新的。范·哈莱温（Van Halewijn）解释说，世界上没有人在世界上做过这种水厂。“对环境的关注不像今天。”

除了上面提到的半屏障外，原始的三角洲作品还包括阻止了一些河口的水坝。这在河流的咸海水和淡水之间创造了新的边界。在大坝后面，以前曾采取潮汐行动的地区变成了淡水湖泊。“如今，我们看到这是一个错误，”范·哈莱温说。自1970年代以来，已经在许多大坝中安装了水槽。这些受控的通道在正常条件下保持开放，仅在暴风雨期间关闭。通过将潮汐循环重新引入大坝后面的盆地，这些水槽恢复了牡蛎，贻贝和其他沿海海洋生物所偏爱的咸味条件。

Encore and Water2energy：脆弱场所的可再生能源

尽管Zeeland的情况是不寻常的，但由于气候变化引起的海平面上升正在威胁全球的沿海地区。荷兰的基础设施专业知识从与海洋的许多世纪中学到，比以往任何时候都更加重要。在这种情况下，看到荷兰领先的跨境倡议，例如以海上可再生能源（Encore）为沿海地区充满活力的沿海地区。

通过InterReg 2海计划资助的联合项目，由海洋可再生能源专家MET/Support领导，他认可了北海地区对气候变化的脆弱性，以及其作为能源生产的潜力。该项目与来自英国，法国，比利时和荷兰的合作伙伴确认，到2050年，可以通过可再生能源来满足25％的欧洲能源需求。三家参与的公司正在开发离岸太阳能，波浪能，波浪能，波浪能和A河涡轮机。第三家公司Water2energy试图通过Delta Works Sluices从潮汐流中产生电力。

Darrieus转子：调整风力涡轮机

一个由不安的水定义的地方似乎是水力发电生产的理想环境。但是，尽管利用潮汐力的潜力似乎很简单，但实际条件带来了许多挑战。传统的水力发电技术（图2）不太适合在三角洲工程槽中安装。“水轮机最常见的设计是Kaplan型转子，” ​​Van Halewijn解释说。“看起来螺旋桨用来为船供电。它转速非常快，如果您将其放在狭窄的空间中，就像我们的大坝中的水槽一样，它可能会损害鱼类和其他海洋生物。”他说。为了解决这些问题，Water2energy取而代之的是垂直轴水涡轮机（VAWT），该水涡轮机（VAWT）融合了darrieus型转子（图3）。

以乔治·让·玛丽·达里乌斯（Georges Jean Marie Darrieus）的名字命名，后者在1926年为达里乌斯转子使用风力涡轮机的使用申请了专利，该设计也为水应用提供了潜在的好处。从Water2energy的角度来看，Darrieus转子的最重要优势是，其开放结构和运动对鱼的危险要比Kaplan型转子的危险要小得多。它是否能够实现Encore项目的雄心勃勃的电力生产目标？为了平衡最大化电输出同时最大程度地减少生态损害的需求，必须解决达拉乌斯设计固有的许多挑战。

使用流动：涡轮叶片自我优到其攻击角度

对于Water2energy的潮汐涡轮机，最重要的设计决策涉及对转子垂直叶片的优化（图4）。通过测试和完善刀片的设计和调整其角度的机制，Van Halewijn解决了两个技术挑战。首先，即使在水流不断流动的环境中，达里乌斯转子也不总是自动开始。第二个挑战？安装在包含的通道中的旋转涡轮机，例如通过大坝的水槽，比在露天或水中自由旋转的涡轮机更具湍流。

可以通过不断调整涡轮叶片的攻击角来应对这两种挑战。有了正确的水流方向，即使在非常低的水速下，达里乌斯转子的刀片也会开始移动。问题在于，一旦涡轮机已经移动，启动刀片的最佳角度将效率低下。同样，可以优化刀片的角度以平稳地越过其围墙的壁，但是当刀片处于其旋转的其他点时，该角度将效率低下。van Halewijn使用了comsol多物理学^®软件以建模不同的刀片位置对性能的影响。

“到目前为止，此应用程序还没有最佳的设计解决方案。Water2energy对如何做有一些想法，加上我们的模拟，我们提出了一个更好的解决方案。” Van Halewijn说。“我们能够在软件中测试一些想法，以展示一种最佳方法。”

为此，Van Halewijn仅模拟了涡轮机的一个刀片，以找到最佳的攻击角度。为了对涡轮刀片周围的湍流进行建模，他尝试了Comsol中流体流动的不同计算方法^®软件。标准K-ε模型不适合该问题，也没有导致最佳功率输出。所谓的SST模型将K-ε模型组合在自由流中，而K-ω模型接近墙壁，从而导致了良好的结果，但是该模型花费的时间太长了。因此，K-ω模型均适合项目的需求与计算资源平衡。

在对涡轮刀片周围的湍流进行了建模之后，Van Halewijn能够找到该项目的最佳刀片曲线。“我总是向客户解释，仿真软件是研究和开发的决策工具。我不是在销售数学。通过模拟，我能够朝着正确的方向移动一个项目，而无需太多反复试验。确实，我提供的是基于物理学的声音原理的更好决策。”

“一旦我们建模了刀片的轮廓，我们就可以对其运动进行模拟，经过通道的壁（图5、6）。这意味着我们必须调整刀片表面的网格，以说明其360度旋转的每一步。” van Halewijn解释说。“我能够在软件中添加特别的音符，以最大程度地发电在设计阶段。当然，我们不得不模拟鱼通过涡轮机的通道，以说服人们，即使我们的原型测试也不会受到伤害。”

高效和鱼类友好：实时测试确认了新设计的潜力

Water2energy对Delta Works Sluice渠道内的调节叶片VAWT机构进行了实时测试（图7）。测试表明，就功率输出而言，重新设计的涡轮机优于现有的固定叶片设计超过40％。

同样重要的是，达里乌斯转子涡轮机证明它可以在保护海洋生物的同时将潮流变成电力。在使用Kaplan转子的涡轮机中，流过它的鱼的20％通常被快速旋转的叶片杀死。通过Van Halewijn的建模工作优化的Water2energy涡轮机将死亡率降低到不到1％。安装在Sluice频道中的摄像头生动地显示了按预期的垂直调节刀片，因为鳟鱼可以安全地游泳。

在确定了设计的功效之后，Water2energy现在正在努力将其潜力商业化。一个称为气候电厂Zeeland的财团提议在Zeeland的Grevelingendam内建造潮汐发电厂。提出的一种解决方案之一可以用最多6台水涡轮机，总计1.6兆瓦的产量，为估计的1000户家庭发电。

与上升的海洋的诗意（但务实）的互动

尽管他很乐意分享他的潮汐涡轮项目的细节，但范·哈莱温（Van Halewijn）也提醒我们更广泛的看法：“这个故事不仅仅是模拟，”他说。“您必须将其放在我们如今面临的问题的背景下。”

从这个角度来看，我们可以看到这项工作的更大意义是由一个小国家的小公司完成的。现在，世界的福祉可能取决于我们与自然力量进行谈判的能力，无论这些力量像北海风暴一样巨大，还是很小，但很重要，甚至鼓舞人心，就像鳟鱼在潮汐中安全地游泳一样。范·哈莱温（Van Halewijn）说：“我们正在寻找胜利的情况。”

致谢

感谢MET/支持的Peter Scheijgrond对本文的评论。

关于Encore项目

Encore项目的目的是在结构化且协作的过程中推进四个海上可再生能源技术 - 波浪能转换器，潮汐和河流电流涡轮机以及近海浮动太阳能，并开发开放源工具和服务以促进岛屿，港口，河口和海上结构的近海能源解决方案的加速吸收，重点是Interreg 2 Seas地区和出口机会。

Encore项目获得了2014 - 2020年InterReg 2 Seas计划的资金，该计划由欧洲地区发展基金的补贴合同根据2S08-004号获得了资金。此外，南部和北北部和Zeeland的省也提供财政支持。

首席合作伙伴和协调员Met/Support聚集了来自4个欧洲国家的项目合作伙伴：Water2energy（NL），Eel Energy（FR），Enerage Of Energy（NL），团队合作技术（NL），荷兰海洋能源中心（DMEC），欧洲海洋能源中心（英国），Artelia（FR），局（FR），根特大学（BE），Inyanga（英国）和Deftiq（NL）。