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基本信息

項(xiàng)目名稱：
基于潮流能發(fā)電技術(shù)的海水淡化工程船
小類：
能源化工
簡介：
本項(xiàng)目設(shè)計研究基于潮流能發(fā)電技術(shù)的海水淡化工程船，利用海洋中豐富的潮流能資源和海水生產(chǎn)并運(yùn)輸?shù)Y源，滿足島嶼居民的生產(chǎn)和生活需要，發(fā)展島嶼經(jīng)濟(jì)。本設(shè)計研究所涉及的工程船先在潮流能豐富的海域拋錨固定，放下潮流能轉(zhuǎn)換裝置，利用潮流能發(fā)電，抽取海水進(jìn)行海水淡化，最后將淡水運(yùn)送至島嶼。項(xiàng)目研究成果將對解決海島淡水資源不足問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
詳細(xì)介紹：
21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，發(fā)展島嶼經(jīng)濟(jì)對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展尤為重要。但是，島嶼自身淡水和電力資源缺乏，嚴(yán)重制約了島嶼經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。傳統(tǒng)的解決方式是采用船舶從大陸裝載淡水和電力運(yùn)至島嶼。淡水和電力的生產(chǎn)、裝載和運(yùn)輸過程能耗大，周期長，運(yùn)量有限，生產(chǎn)、運(yùn)輸成本高。潮流能作為一種新型綠色可再生能源，具有能量密度高、可預(yù)測性強(qiáng)、蘊(yùn)藏量豐富等特點(diǎn)，科學(xué)地利用潮流能資源可以有效的解決島嶼淡水和電力資源缺乏的問題，滿足島嶼居民生產(chǎn)和生活需要，發(fā)展島嶼經(jīng)濟(jì)。 本項(xiàng)目研究的目的是概念設(shè)計研究一種裝置，利用海洋中豐富的潮流能資源和海水生產(chǎn)并運(yùn)輸?shù)碗娏Y源，滿足島嶼居民的生產(chǎn)和生活需要，發(fā)展島嶼經(jīng)濟(jì)。本設(shè)計研究所涉及的淡水和電力的生產(chǎn)和運(yùn)輸裝置為一種工程船，工程船先在潮流能豐富的海域拋錨固定，放下潮流能轉(zhuǎn)換裝置，利用潮流能發(fā)電，抽取海水進(jìn)行海水淡化，最后將淡水和電力運(yùn)送至島嶼。 水輪機(jī)是潮流能轉(zhuǎn)換的核心裝置，它的工作原理是通過葉片“吸收”潮流動能，并轉(zhuǎn)化為扭矩驅(qū)動發(fā)電機(jī)工作。它的結(jié)構(gòu)形式和水動力性能的優(yōu)良程度在很大程度上決定著本項(xiàng)目的成本、效率及其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。 大部分潮流能獲取裝置為旋轉(zhuǎn)類水輪機(jī)，其中水平軸和垂直軸水輪機(jī)應(yīng)用較多。垂直軸水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與水平面垂直，不受水流方向的影響，不僅減少了偏航機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計,還可以直接通過旋轉(zhuǎn)軸將扭矩輸出,減小機(jī)械傳動損失。另外，由于漂浮式拋錨難免出現(xiàn)小幅的波動，并且海上潮流方向并不是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則方向的流向，故采用垂直軸潮流能水輪機(jī)有一定優(yōu)勢。本項(xiàng)目采用垂直軸直葉片升阻力型潮流能水輪機(jī)。 時至今日，潮流能發(fā)電并未商業(yè)化運(yùn)營，其原因之一便是水輪機(jī)獲能效率需要進(jìn)一步提高，水輪機(jī)在惡劣的海況中不能穩(wěn)定工作。發(fā)明出一種性能可靠、造價低廉的潮流能水輪機(jī)對于開發(fā)新型可再生資源—潮流能尤為關(guān)鍵。垂直軸水輪機(jī)利用葉片的升力和阻力做功，理論上能達(dá)到較高的獲能系數(shù)，不受潮流方向影響。 但葉片傾角的控制有一定難度,為關(guān)鍵技術(shù)，直接影響到水輪機(jī)的效率和啟動流速，且影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 控制葉片攻角的傳統(tǒng)方法有擺桿式、連桿式、彈簧式。擺桿式和連桿式造價高并且機(jī)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致以后故障率高，維修成本高，實(shí)際應(yīng)用并不理想。彈簧式結(jié)構(gòu)簡單，省去了復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)，但彈簧存在疲勞強(qiáng)度，長時間工作會損壞，必須定期更換。 針對以往葉片控制裝置中存在的各種弊端，本項(xiàng)目提出一種非接觸式控制裝置—磁鐵式控攻角裝置。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證利用磁鐵之間的排斥力控制葉片攻角性能優(yōu)于吸引力，只要適當(dāng)調(diào)節(jié)磁鐵之間的距離就可以實(shí)現(xiàn)葉片的控制。利用磁場控制葉片攻角，而不是傳統(tǒng)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，相比連桿式機(jī)構(gòu)省去了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且，磁鐵相比彈簧很好地克服了機(jī)構(gòu)的疲勞問題，使用壽命長，從而保證了水輪機(jī)能穩(wěn)定的工作，維護(hù)和保養(yǎng)成本降低。

作品圖片

  • 基于潮流能發(fā)電技術(shù)的海水淡化工程船
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  • 基于潮流能發(fā)電技術(shù)的海水淡化工程船
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作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

本項(xiàng)目研究的目的是設(shè)計研究出一種工程船來解決島嶼淡水和電力缺乏問題?；舅悸窞椋汗こ檀仍诔绷髂茇S富的海域拋錨固定，放下潮流能轉(zhuǎn)換裝置，利用潮流能發(fā)電，抽取海水進(jìn)行海水淡化，最后將淡水和電力運(yùn)送至島嶼。 本項(xiàng)目有以下創(chuàng)新點(diǎn)： （1）利用了海洋中豐富的綠色可再生能源—潮流能生產(chǎn)電能，對電能就地消耗，既省去了電力長距離輸送的高額成本，又解決了普通船舶運(yùn)輸周期長的缺點(diǎn)。 （2）利用磁鐵控制水輪機(jī)葉片的攻角，相比連桿式機(jī)構(gòu)省去了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且磁鐵性能穩(wěn)定，提高了水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率和工作穩(wěn)定性，且加工制造成本低。 （3）工程船采用穿浪雙體結(jié)構(gòu)，有利于設(shè)備布置，有利于提高潮流水輪機(jī)發(fā)電性能，有利于提高船舶航行性能，使得工程船在惡劣海況條件下快速、安全的返回島嶼或內(nèi)陸，以及應(yīng)急條件下安全、快速的運(yùn)輸?shù)? （4）采用垂直軸水輪機(jī)作為潮流能轉(zhuǎn)換裝置，使得工程船利用潮流能發(fā)電時具有較好的流向適應(yīng)性。 關(guān)鍵技術(shù)：潮流能發(fā)電技術(shù)，海水淡化技術(shù)，導(dǎo)流罩技術(shù)，錨拋系統(tǒng)穩(wěn)定性，雙體船技術(shù)。 技術(shù)指標(biāo)：潮流能水輪機(jī)為新型磁鐵式垂直軸潮流能水輪機(jī)。船體指標(biāo)如下： 型長：1,8m 型寬：70cm 型深：35cm 吃水：12cm 片體長:1.5m 片體寬:15cm

科學(xué)性、先進(jìn)性

傳統(tǒng)的向島嶼輸送淡水和電力方式是采用船舶從大陸裝載淡水和電力運(yùn)至島嶼。淡水和電力的生產(chǎn)、裝載和運(yùn)輸過程能耗大，周期長，運(yùn)量有限，生產(chǎn)、運(yùn)輸成本高。 根據(jù)資料統(tǒng)計計算，島嶼居民基本生活用水可取為110 L／人?d。如果一個島嶼按1000人算，則島嶼每年需要的淡水約為40150噸。如果讓普通運(yùn)輸船為距離大陸港口約60海里的島嶼運(yùn)送淡水，則運(yùn)輸船一年的耗油量至少需要消耗約100噸石油，并且淡水的生產(chǎn)和裝載還會消耗的大量的能量。本作品如果設(shè)計為單機(jī)發(fā)電容量100Kw（現(xiàn)有技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)）,一天工作10小時，投入實(shí)際工程中年發(fā)電量可達(dá)到365000 kW，其中，用于千人海島海水淡化的耗電量約為160600 kW，生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)碾娏考s為110420kW。所以一年可以節(jié)約石油100噸以上，同時向島輸電93980kW。 本作品設(shè)計充分利用了潮流能這一綠色可再生資源，進(jìn)行海水淡化、運(yùn)輸及電力生產(chǎn)，既減少了傳統(tǒng)化石燃料的燃燒，又利用了新型綠色能源—潮流能。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

2011年5月 大連理工大學(xué)舉辦的“東北五校（哈爾濱工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、大連理工大學(xué)、大連海事大學(xué)、大連海洋大學(xué)）船海文化節(jié)”中獲得“概念組”第一名。 2010年12月 哈爾濱工程大學(xué)舉辦的省級比賽“TRIZ”杯大學(xué)生科創(chuàng)比賽中獲得第7名。 2011年5月 哈爾濱工程大學(xué)舉辦的校級比賽“五四杯”中獲得“二等獎”。 20011年4月 哈爾濱工程大學(xué)舉辦的校級比賽“節(jié)能減排大賽”中獲得“三等獎”。 2011年4月 哈爾濱工程大學(xué)舉辦的校級比賽“水利大賽”獲得前五名。

作品所處階段

已經(jīng)制作完成并做完了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

專利轉(zhuǎn)讓。

作品可展示的形式

實(shí)物、現(xiàn)場演示、圖片、視頻。

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

我國是世界上人口最多的沿海國家，岸線漫長，海域遼闊，島嶼眾多。發(fā)展島嶼經(jīng)濟(jì)尤為重要，如何向島嶼輸送淡水和電力資源，滿足島嶼居民生產(chǎn)和生活需要，成為發(fā)展島嶼經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。本作品設(shè)計目的就是解決當(dāng)前向島嶼輸送淡水和電力資源，環(huán)境污染重、成本高、效率低的問題。作品可廣泛應(yīng)用于島嶼及沿海地區(qū)，為島嶼及沿海地區(qū)提供淡水補(bǔ)給，滿足島嶼居民生產(chǎn)和生活用水的同時，降低運(yùn)輸船對能源的消耗，減小對環(huán)境的污染。 另外，潮流能蘊(yùn)藏著巨大的能量，并且屬于清潔無污染的可再生能源，我國又是潮流能資源豐富的國家，開發(fā)潮流能尤為重要。本作品中的一種新型的磁鐵式控攻角升阻力型垂直軸水輪機(jī)設(shè)計新穎，結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，解決了當(dāng)前垂直軸水輪機(jī)葉片攻角控制問題，可廣泛應(yīng)用于潮流能發(fā)電，為潮流能發(fā)電的商業(yè)化運(yùn)營提供了切實(shí)可行的辦法。

同類課題研究水平概述

目前，潮流能發(fā)電技術(shù)主要基于垂直軸水輪機(jī)發(fā)電和水平軸水輪機(jī)發(fā)電?？紤]垂直軸水輪機(jī)的特點(diǎn)，本研究采用垂直軸水輪機(jī)發(fā)電。垂直軸水輪機(jī)利用翼型葉片的升力和阻力提取流體動能，并通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)將流體動能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)展到現(xiàn)在主要有直葉片和螺旋形葉片兩種形式。意大利的PDA公司對直葉垂直軸潮流發(fā)電水輪機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并于2005年建立實(shí)驗(yàn)電站并網(wǎng)發(fā)電。美國Gorlov Helical Turbine對螺旋形葉片垂直軸潮流發(fā)電水輪機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。我國從上世紀(jì)九十年代末開始垂直軸直葉潮流發(fā)電水輪機(jī)的研究，目前在垂直軸潮流發(fā)電裝置研發(fā)上取得如下進(jìn)展： （1）70kW潮流實(shí)驗(yàn)電站“萬向I”，由哈爾濱工程大學(xué)研制，于2002年1月完成，“萬向I”和意大利的Kobold電站于同一時期建成，是世界上第一個漂浮式潮流能試驗(yàn)電站； （2）40kW潮流實(shí)驗(yàn)電站“萬向II”，為哈爾濱工程大學(xué)研制的海底固定式垂直軸潮流能裝置。裝置研制得到國家科技部“十五”863計劃的支持，2005年12月完成。 我國潮流能資源豐富，開展潮流能發(fā)電研究多年，并在哈爾濱工程大學(xué)、浙江大學(xué)、東北師范大學(xué)等高校取得一些研究成果。 目前，我國潮流能應(yīng)用尚處在試驗(yàn)階段，與國外準(zhǔn)商業(yè)化階段差距很大。
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