用达瑞斯水轮机发电,保护鱼类

荷兰采用的沿海防洪结构也可以用来利用潮汐发电。严格的国家和欧洲法规推动了新型涡轮机的设计,这种设计对鱼类的通过是天生安全的。为了为客户Water2Energy开发这样的转子设计,Physixfactor使用模拟来适应Darrieus风力涡轮机的水使用。实验表明,与传统水轮机相比,Water2Energy垂直轴设计将鱼类死亡率从20%降低到1%以下。


阿兰•Petrillo
2021年4月

“在荷兰,我们离海很近,”赫尔格·范·黑尔维恩(Helger Van Halewijn)说,他对自己的轻描淡写笑了。北海(Noordzee)和荷兰人是不可分割的。从这种亲密而动荡的关系中,荷兰人学会了适应,也学会了灵活。长期以来,明智的做法是协商一个谨慎的停火协议,而不是与水作战。荷兰著名的堤坝、运河和圩田景观并没有阻挡大海,而是将水流引向可管理的、有用的地方。

这种足智多谋在现代荷兰基础设施项目中得以延续,并在那些使之成为可能的人身上得以延续。“我们不仅想用我们的堤坝防洪。我们还可以利用它们来解决能源需求、保护鱼类和环境,”工程设计咨询公司Physixfactor的主管范·海尔维恩(Van Halewijn)说。为了实现这些目标,荷兰公司Water2Energy求助于Van Halewijn来支持他们用于防洪结构的垂直轴水轮机(VAWT)的建模。利用多物理模拟,他优化了Water2Energy VAWT,以产生更多的电力,同时最大限度地减少对海洋生物的潜在危害。

这个潮汐能项目的技术或许是现代的,它对环境保护的重视也是如此,但它的根深深扎进了脆弱(但小心保护)的荷兰土壤。

齐兰和三角洲的工作:保护一个危险的地方

如果荷兰的任何地区被认为是离海最近的(也是受海影响最大的),那可能就是名字中有“海”的部分:Zee土地。它是荷兰最西部、人口最少的省份,也是一个河流三角洲,Scheldt、Meuse和莱茵河都从这里流入北海。泽兰超过三分之一的面积是水。它的拉丁格言是luctor et emergoZeeland的盾形纹章上描绘了一只从海浪中升起的狮子。

即使按照荷兰的标准,Zeeland也特别容易受到北海风暴的影响,1953年的那场风暴被称为Watersnoodramp永久地重塑了这一地区。大风、潮汐和风暴潮的共同作用导致海平面上升超过平均水平4米,决堤,淹没了16.5万公顷的土地。1800多人被杀,数万人被迫逃离该地区。作为回应,荷兰在整个三角洲地区建造了一个复杂的水坝和屏障系统。

在荷兰的传统中,这些Deltawerken三角洲工程并没有把海和陆地完全隔离开来。对周期性风暴的防护需求必须与该地区的日常需求相平衡,包括渔业和通往比利时鹿特丹和安特卫普主要港口的河流。因此,三角洲工厂将一些固定屏障与其他半开结构结合起来,只有在有风暴潮威胁的时候才关闭。

反馈循环:德尔塔工作的发展优先级

正如对如此庞大而复杂的项目的预期,三角洲工程的建设已经持续了几十年(图1)。自项目开始以来,该项目的优先级在70多年的时间里持续发展。除了提供海洋风暴的保护,三角洲工程也改变了该地区的生态系统——并不总是更好的。“在20世纪五六十年代,当这个项目设计时,它是全新的。在此之前,世界上还没有人做过这种类型的水厂,”Van Halewijn解释道。“对环境的关注不像今天这样。”

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">一张简单的荷兰地图,上面有一张缩小了的泽兰地图和许多防洪设施的标签。
图1所示。荷兰,突出泽兰省及其主要防洪设施。Zeeland在荷兰的原始图像由TUBS, CC by - sa 3.0,通过维基共享。原著已被修改。

除了上面提到的半开放的屏障外,最初的三角洲工程还包括一些水坝,封锁了一些河口。这在咸水和河流淡水之间创造了新的边界。在大坝后面,以前受潮汐作用的地区变成了淡水湖。“现在我们发现这是个错误,”范·黑尔维恩说。自20世纪70年代以来,许多水坝都安装了水闸。这些受控通道在正常情况下保持开放,只有在暴风雨期间才关闭。通过在大坝后面的盆地重新引入潮汐循环,水闸已经恢复了牡蛎、贻贝和其他沿海海洋生物偏爱的咸水环境。

ENCORE和Water2Energy:来自脆弱地区的可再生能源

虽然泽兰的情况不同寻常,但气候变化导致的海平面上升正威胁着世界各地的沿海地区。荷兰在基础设施方面的专业知识,是从数个世纪以来与海洋讨价还价中汲取的,比以往任何时候都更具有全球意义。在此背景下,荷兰牵头开展跨境项目,如利用海上可再生能源激励沿海地区(ENCORE),也就不足为奇了。

ENCORE是由海洋可再生能源专家MET/SUPPORT领导的一个由Interreg 2 Seas项目资助的联合项目,该项目认识到北海地区对气候变化的脆弱性,以及其作为能源生产来源的潜力。该项目与英国、法国、比利时和荷兰的合作伙伴确认,到2050年,海上可再生能源将满足欧洲25%的能源需求。三家参与的公司正在开发海上太阳能、波浪能技术和河流涡轮机。第三家公司是Water2Energy,试图通过三角洲工厂的水闸利用潮汐来发电。

达瑞厄斯转子:为水改造风力涡轮机

水流不息的地方似乎是水力发电的理想场所。然而,尽管开发潮汐发电的潜力似乎很简单,但实际情况存在许多挑战。传统的水力发电技术(图2)不适合安装在三角洲工程的水闸。“水轮机最常见的设计是卡普兰式转子,”Van Halewijn解释说。“它看起来像是用来驱动船只的螺旋桨。它转得非常快,如果你把它放在一个封闭的空间里,比如我们水坝的水闸,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开发了一种垂直轴水轮机(VAWT),它包含一个darrieus型转子(图3)。

图2。一个卡普兰涡轮转子的例子。图片由Reinraum, CC0, via维基共享
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">插图的一个达里厄斯转子与说明升力和气流。
图3。Darrieus转子示意图。图片由Saperaud~commonswiki, CC by - sa 3.0,通过维基共享。原著已被修改。

该设计以乔治·让·玛丽·达里厄斯命名,他在1926年为达里厄斯风力涡轮机转子申请了专利,这种设计也为水的应用提供了潜在的好处。从Water2Energy公司的角度来看,Darrieus旋翼机最大的优势在于,它的开放式结构和运动对鱼的危害远远小于卡普兰式旋翼机。它是否能够满足ENCORE项目宏伟的电力生产目标?为了平衡最大化电力输出和最小化生态危害的需求,Darrieus设计必须解决一些固有的挑战。

顺应潮流:涡轮叶片自优化攻角

对于Water2Energy公司的潮汐能涡轮机来说,最重要的设计决策包括优化转子的垂直叶片(图4)。通过测试和改进叶片的设计和调整叶片角度的机制,Van Halewijn解决了两个技术难题。首先,Darrieus转子并不总是自启动,即使在一个环境中,水流动不断。第二个挑战呢?安装在封闭通道(如通过水坝的水闸)中的旋转涡轮机比在露天或水中自由旋转的涡轮机更容易受到湍流的影响。

这两种挑战都可以通过不断调整涡轮叶片的攻角来解决。随着正确的方向朝着水流,达瑞斯转子的叶片将开始移动,即使在非常低的水速度。问题是,一旦涡轮已经开始运动,启动叶片的最佳角度将是低效的。类似地,叶片的角度可以被优化,以顺利通过其外壳的墙壁,但当叶片在其旋转的其他点时,这个角度将是低效的。Van Halewijn使用了COMSOL Multiphysics®软件来模拟不同叶片位置对性能的影响。

Water2Energy水轮机设计为灰色和黄绿色,带有白色垂直叶片。
图4。水能水轮机设计说明。转子机构,包括垂直叶片,说明在白色。

“到目前为止,还没有针对这一应用的最佳设计方案。Water2Energy对此有一些想法,通过我们的模拟,我们找到了更好的解决方案,”Van Halewijn说。“我们能够在软件中测试几个想法,以证明一个最佳的方法。”

为了找到最佳迎角,范·黑尔维恩只模拟了涡轮的一个叶片。为了模拟涡轮叶片周围的湍流流动,他在COMSOL中尝试了不同的流体流动计算方法®软件标准的k-ε模型不适合这个问题,也不能得到最优的功率输出。所谓的SST模型结合了自由流中的k-ε模型和靠近壁面的k-ω模型,取得了较好的结果,但使模型收敛时间过长。因此,k-ω模型既适合平衡计算资源的项目需要。

在对涡轮叶片周围的湍流进行建模后,Van Halewijn能够为该项目找到一个最优的叶片型线。“我总是向客户解释,模拟软件是研究和开发的决策工具。我不是在卖数学。通过模拟,我能够在没有太多尝试和错误的情况下,将项目推向正确的方向。实际上,我所提供的是基于合理的物理原理的更好的决策。

通过Water2Energy水轮机设计,对流体流动进行三维仿真,以蓝色切片的形式可视化。
图5。流体通过Water2Energy水轮机。
二维模拟显示涡轮叶片的概述和流体流动周围的箭头指向右。
一个圆形图显示扭矩围绕三个涡轮叶片。
图6。在COMSOL Multiphysics模型中,涡轮叶片周围的流动(左)和扭矩(右)图®

“一旦我们有叶片建模一个概要文件,我们可以运行模拟的运动过去的城墙通道(图5、6)。这意味着我们不得不调整网格的叶片表面占每一步的360度旋转,”Van Halewijn解释道。“我能够在软件中添加一个特别的注释,以在设计阶段最大化能源产生。当然,我们必须模拟鱼类通过涡轮机的过程,让人们相信海洋生物不会受到伤害,即使是我们的原型测试也不会。”

高效和鱼类友好:活体测试证实了新设计的潜力

Water2Energy在Delta Works的一个水闸通道内对其调节叶片VAWT机制进行了现场测试(图7)。测试表明,在功率输出方面,重新设计的涡轮机比现有的固定叶片设计的性能高出40%以上。

Water2Energy水轮机原型的试验场。
橙色的Water2Energy水轮机原型的近景。
图7。Water2Energy水轮机原型机,即将进行现场测试。

同样重要的是,达利斯涡轮证明了它可以在保护海洋生物的同时将潮流转化为电力。在使用卡普兰旋翼的涡轮机中,多达20%的流经的鱼通常会被快速旋转的叶片杀死。经过Van Halewijn的建模工作的优化,Water2Energy涡轮机将死亡率降低到不到1%。安装在水闸通道上的摄像机生动地展示了垂直调节叶片按预期工作,鳟鱼安全地游过。

在确定了他们的设计的有效性后,Water2Energy现在正在努力将其潜力商业化。一个名为Zeeland气候发电厂的财团提议在Zeeland的Grevelingendam建造一座潮汐发电厂。其中一个解决方案是使用多达6台Water2Energy涡轮机,总发电量为1.6兆瓦,为估计1000户家庭提供电力。

与海平面上升的诗意(但务实)接触

尽管Van Halewijn很乐意分享他的潮汐发电涡轮机项目的细节,但他也提醒我们要从更广泛的角度来看待这个问题:“这个故事不仅仅是关于模拟,”他说。“你必须把它放在我们现在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在一个小国家的小公司所做的更大的意义。世界的福祉现在可能取决于我们与自然力量谈判的能力,无论这些力量是像北海风暴那样巨大,还是像鳟鱼随着潮水安全地游出去那样微小——但重要,甚至鼓舞人心。Van Halewijn说:“我们正在寻找一个双赢的局面。”

致谢

感谢MET/SUPPORT的Peter Scheijgrond对本文的评论。

关于ENCORE项目

ENCORE项目的目标是推进四种海上可再生能源技术——波浪能转换器、潮汐和河流涡轮以及海上浮动太阳能在一个结构化和协作过程中,开发开源工具和服务,以促进加速采用岛屿、港口、河口和海上结构的海上能源解决方案,重点是Interreg 2 Seas区域和出口机会。

ENCORE项目获得2014-2020年Interreg 2 Seas项目的资助,该项目由欧洲区域发展基金共同资助,补贴合同编号为2S08-004。荷兰南部、北部和泽兰省也提供了财政支持。

MET/SUPPORT汇集了来自4个欧洲国家的项目合作伙伴:Water2Energy (NL)、EEL Energy (Fr)、Oceans of Energy (NL)、Teamwork Technology (NL)、荷兰海洋能源中心(DMEC)、欧洲海洋能源中心(英国)、Artelia (Fr)、Bureau Veritas (Fr)、根特大学(BE)、英扬加(UK)和Deftiq (NL)。

ENCORE项目成员的四个标志。