设计用于发电和鱼类保护的水力涡轮机

荷兰的沿海防洪结构也被用于潮汐发电。严格的国家标准和欧洲法规要求新的涡轮机设计应具有鱼类通道安全。Physixfactor 使用仿真为 Water2Energy 公司设计了 Darrieus 型垂直轴水力涡轮机。与传统的水力涡轮机相比,实验验证结果表明新设计的涡轮机将鱼类死亡率从 20% 降低至不到 1%。


作者 Alan Petrillo
2021 年 4 月

“在荷兰,我们跟海洋很亲密。” Helger Van Halewijn 轻描淡写地微笑着说。北海(Noordzee)与荷兰人密不可分。在这种亲密而动荡的关系中,荷兰人学会了坚韧不拔和灵活应对。与其和水战斗,更明智的做法是谈判一个周密的休战协议。荷兰著名的堤坝、运河和田地景观并没有阻挡大海,而是将水流重新导向到一些易于管理和有用的地方。

这种足智多谋体现在诸多现代荷兰基础设施项目以及项目开发者身上。“我们不仅使用堤坝防洪”工程设计咨询公司 Physixfactor 的 Van Halewijn 主管说道,“还可以利用它们来满足能源需求、保护鱼类和环境。”为了实现这些目标,荷兰 Water2Energy 公司与 Van Halewijn 合作,模拟了用于防洪结构的垂直轴水力涡轮机(vertical-axis water turbine,VAWT)。Van Halewijn 利用多物理仿真,优化了 Water2Energy 公司的垂直轴水力涡轮机,用于产生更多的电力,同时最大限度地减少对海洋生物的潜在危害。

该潮汐发电项目的技术可能是现代的,因为它强调环境保护,但其也深深扎根于脆弱的(但受到严格保护的)荷兰土壤。

泽兰和三角洲工程:一个岌岌可危的保护地

如果说荷兰有哪个地区可以被认为最靠近大海(并且受海洋影响最大),那么很可能就是名字里有“海”的地区: 泽兰(Zeeland)。泽兰是荷兰最西部人口最少的一个省,同时也是一个河流三角洲,舍尔特(Scheldt)、默兹(Meuse)和莱茵河(Rhine)都经这里流入北海。泽兰总面积的三分之一以上是水,它的拉丁语格言 “我挣扎着浮出水面(luctor et emergo)”描绘的就是其盾形徽章上画着的一只从海浪中升起的狮子。

即使按照荷兰的标准,泽兰也特别容易受到北海风暴的影响。如今被称为 “Watersnoodramp” 的风暴在 1953 年永久地改变了这个地区的风貌。由于风、潮汐和风暴潮的综合作用,泽兰的海平面上升比荷兰平均水平高出 4 米,这不仅冲毁了堤坝,淹没了 165000 公顷的土地,还导致 1800 多人死亡,成千上万的人被迫逃离该地区。为了对抗风暴的威胁,荷兰在整个三角洲地区建立了一个复杂的水坝和屏障系统。

按照荷兰的传统,这些三角洲工程并没有完全把海洋和陆地隔离。防护周期性风暴的需求必须与该地区的日常需求相平衡,包括渔业和通往鹿特丹(Rotterdam)和比利时安特卫普(Antwerp)主要港口的河流。因此,三角洲工程建立了固定屏障与半开放结构相结合的系统,仅在出现威胁性风暴潮时才关闭。

反馈回路:三角洲工程不断演变的优先事项

正如对一个庞大且复杂的项目所期望的一样,三角洲工程的建设已经持续了数十年(图1)。自该项目启动以来 70 多年,其优先事项一直在不断演变。除了提供免受海洋风暴的保护外,三角洲工程还改变了区域生态系统,但并不总是向好的方向发展。“在 20 世纪中期,当这个项目被设计出来时,它还是一个全新的理念。以前世界上没有人做过类似的供水系统,人们对环境的关注也不像今天这样重视” Van Halewijn 解释道。

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
图1 荷兰地图,突出显示了泽兰省及其主要防洪设施。原始图片通过 Wikimedia Commons 由 TUBS 提供。图片经过修改。

除了半开放屏障,最初设计的三角洲工程还包含一些阻挡河口的大坝,这些大坝在海洋咸水和河流淡水之间形成了分界。大坝后面以前受潮汐作用影响的地区变成了淡水湖。“现在我们认为之前的设计是错误的。”,Van Halewijn 说道。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,只在暴风雨期间才关闭。通过安装水闸将潮汐周期重新引入大坝后面的盆地,水闸已经恢复了牡蛎、贻贝和其他沿海海洋生物喜欢的咸水环境。

ENCORE 与 Water2Energy:脆弱地区的可再生能源

虽然泽兰的情况不寻常,但气候变化导致的海平面上升正在威胁着全球沿海地区。荷兰建设沿海基础设施的专业知识是从数百年与海洋的谈判中获得的,比以往任何时候都更具有全球参考性。基于此,看到荷兰率先采取的跨境举措,如利用海洋可再生能源振兴沿海地区项目(ENCORE),就不足为奇了。

作为一个由 Interreg 2 Seas 项目资助并由海洋可再生能源专家 MET/SUPPORT 领导的联合项目,ENCORE 意识到北海地区对气候变化的脆弱性及其作为能源生产的潜力。该项目来自英国、法国、比利时和荷兰的合作伙伴一致认为,到 2050 年,海洋可再生能源可以满足 25% 的欧洲能源需求。目前,有三个参与该项目的公司正在开发海上太阳能、波浪能技术和河流涡轮机,其中 Water2Energy 正试图利用流经三角洲工程水闸的潮汐流发电。

Darrieus 转子:水力涡轮机设计

源源不断的水流过的地方似乎是水力发电的理想环境。然而,尽管开发潮汐发电的潜能看似简单,但实际却却面临许多挑战。传统的水力发电技术(图2)不太适合安装在三角洲工程的水闸中。“涡轮机最常见的设计是 Kaplan 转子,”Van Halewijn 解释说,“它的转速非常快,看起来像是为船舶提供动力的螺旋桨。如果我们将其置于一个有限的空间,就像水坝的水闸一样,它会损害鱼类和其他海洋生物”。为了解决这些问题,Water2Energy 公司开发了一种采用了 Darrieus 转子的垂直轴水力涡轮机(图3)。

A Kaplan turbine rotor with a blue body and metal blades. Kaplan turbine rotor
图2 Kaplan 涡轮转子示例。图像来自 Reinraum,CC0,通过 Wikimedia Commons 获得。
Illustration of a Darrieus rotor with annotations indicating lift force and airflow. Darrieus rotor
图3 Darrieus 转子示意图。图片由 Saperaud~commonswiki,CC BY-SA 3.0,通过 Wikimedia Commons 提供。图片经过修改。

该设计以 Georges Jean Marie Darrieus 的名字命名,他于 1926 年获得 Darrieus 风力涡轮机转子的专利,这种设计也为水应用带来了潜在好处。Water2Energy 认为,Darrieus 转子的开放式结构和运动对鱼类的危害远小于 Kaplan 转子,这是它最显著的优势。那么,它是否能够满足 ENCORE 项目雄心勃勃的发电目标呢?为了平衡最大化电力输出和最小化生态危害的需求,Water2Energy 必须解决 Darrieus 设计中的一些难题。

随波逐流:涡轮叶片攻角的自我优化

对于 Water2Energy 公司的潮汐发电涡轮机,最重要的设计决策涉及转子垂直叶片的优化(图4)。通过测试和改进叶片的设计及调整叶片角度的机制,Van Halewijn 解决了两个技术难题。首先,即使在水连续流动的环境中,Darrieus 转子也并不总是自动启动。第二,安装在封闭通道中的旋转涡轮,如通过水坝的水闸,比在露天或水中自由旋转的涡轮更容易受到湍流的影响。

这两个难题都可以通过不断调整涡轮叶片的攻角来解决。正确定向水流后,即使在极低的水流速度下,Darrieus 转子的叶片也会移动。问题在于,一旦涡轮机已经开始移动,启动叶片的最佳角度将会效率低下。同样,可以通过优化刀片的角度使其顺利通过机箱壁。但当刀片处于旋转的其他点时,该角度的效率会很低。Van Halewijn 使用 COMSOL Multiphysics® 软件模拟了不同叶片位置对涡轮机性能的影响。

The Water2Energy water turbine design in gray and chartreuse with white vertical blades. Water2Energy water turbine design
图4 Water2Energy 水力涡轮机设计示意图。包括垂直叶片(以白色显示)的转子机构。

“到目前为止,这类应用还没有最佳的设计方案。将 Water2Energy 公司的设计方案与我们的仿真相结合,得出了一个更好的解决方案。我们可以借助软件来测试不同方案并得到一个最佳方案。”Van Halewijn 说道。

为此,Van Halewijn 仅对涡轮的一个叶片进行建模,以找到最佳攻角。为了模拟涡轮叶片周围的湍流,他在 COMSOL 软件中尝试了不同的流体流动计算方法。标准的 k-ε 模型不太适合这个问题,也没有得到最佳的功率输出;SST 模型结合了 k-ε 模型(自由流区域)和 k-ω 模型(近壁面区域),结果很好但模型收敛时间过长。因此,k-ω 模型既适合项目需求,又平衡了计算资源。

在对涡轮叶片周围的湍流进行建模后,Van Halewijn 找到了最佳的叶片轮廓设计。“我总是向客户解释,仿真软件是研发的决策工具。而不是单纯的数学计算。通过仿真,我能将项目推向正确的方向,而不需要太多试错。事实上,仿真提供的是基于合理的物理原理的更好地决策。”Van Halewijn 说道。

A 3D simulation of the fluid flow, visualized in blue slices, through a Water2Energy water turbine design. Fluid flow through water turbine
图5 流体流经 Water2Energy 的水力涡轮机。
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
图6 在 COMSOL Multiphysics® 中模拟的涡轮叶片周围的气流图(左)和扭矩图(右)。

“一旦建立了叶片的轮廓模型,我们就可以模拟它通过通道壁的运动(图5,6)。这意味着我们必须调整叶片表面的网格,使其适应叶片 360° 旋转过程的每个时间步。”Van Halewijn 解释道。“我能够在软件中添加特殊说明,以达到最大产能设计。当然,我们必须模拟鱼通过涡轮机的过程,让人们相信海洋生物不会受到伤害,即使通过我们的原型测试也不会。”

高效且对鱼类友好:现场测试验证了新设计的高效性

Water2Energy 公司在三角洲工程水闸通道内对其可调节叶片的 VAWT 机制进行了现场测试(图7)。测试结果表明,就功率输出而言,重新设计的涡轮机比现有的固定叶片设计性能提升 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
图7 Water2Energy 水力涡轮机原型,即将进行现场测试。

同样重要的是,Darrieus 转子涡轮机证明了它可以将潮汐能转化为电能,同时保护海洋生物。在使用 Kaplan 转子涡轮机时,经过其的高达 20% 的鱼类通常会被快速旋转的叶片杀死。通过 Van Halewijn 仿真优化后的 Water2Energy 涡轮机将鱼类死亡率降低到 1% 以下。安装在水闸通道上的摄像机生动地显示了鳟鱼安全游过时垂直调节叶片的工作情况。

在证实新设计有效后,Water2Energy 公司现在正致力于开发其商业潜力。一个名为泽兰风力发电厂的集团提议在泽兰地区的 Grevelingendam 建造一座潮汐发电厂。其中的一个解决方案建议可以使用 6 个水力涡轮机,总输出功率为 1.6 兆瓦,能为大约 1000 个家庭供电。

与上升的大海的浪漫又务实的契约

虽然 Van Halewijn 非常乐意分享他的潮汐发电涡轮机项目的细节,但他也提醒我们要有一个更广阔的视野:“这个故事不仅仅讨论仿真,我们还必须关注其所处的环境背景。”

从这个角度来看,我们可以看到由一个小国家的一个小公司完成的工作所具有的更广阔的意义。世界的幸福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一样巨大,还是像一条鳟鱼安全地随波逐流一样——尽管事情小但意义重大,甚至能够鼓舞人心。Van Halewijn 说:“我们正在寻求一个双赢的局面。”

感谢

非常感谢 MET/SUPPORT 的 Peter Scheijgrond 对本文的审阅。

关于 ENCORE 项目

ENCORE 项目旨在以结构化和协作的方式推进四种海上可再生能源技术——波浪能变流器、潮汐和河流涡轮机以及海上浮动太阳能,并开发开源工具和服务,以促进岛屿、港口、河口和海岸结构加速采用近海能源解决方案,重点关注 Interreg 2 Seas 海域和输出机会。

ENCORE 项目资金由 2014—2020 Interreg 2 Seas 项目资助,该项目由欧洲区域发展基金(European Regional Development Fund)根据第 2S08-004 号补偿合同共同资助。此外,南、北荷兰和泽兰地区也提供了财政支持。

主要合作伙伴和协调人 MET/SUPPORT 汇集了来自 4 个欧洲国家的项目合作伙伴: Water2Energy (荷兰)、EEL Energy (法国)、Ocean of Energy(NL)、Teamwork Technology(荷兰)、Dutch Marine Energy Centre (DMEC)、the European Marine Energy Centre (英国)、Artelia (法国)、Bureau Veritas (法国)、Ghent University (比利时)、Inyanga(英国)和Deftiq (荷兰)。

Four logos of members of the ENCORE project.