潮汐河口远程河流能源系统的现场试验研究：低流速条件下开源水轮机的性能验证与优化

研究人员针对低流速潮汐和河流环境中可再生能源开发的技术难题，设计并测试了一种开源机械式水轮机系统（RRES）。通过在英国Pembrokeshire的Marine Energy Test Area（META）开展现场试验，验证了该装置在1.4 ms-1 以下流速中的运行能力，并实现了技术成熟度5级（TRL5）。研究证明了水力学泵送作为动力输出（PTO）方案的可行性，为偏远地区清洁能源供应提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，潮汐能和河流能作为可预测的可再生能源备受关注。然而现有技术多针对高流速（>2 ms^-1
）海域设计，大量低流速资源（0.5-1.5 ms^-1
）尚未被有效开发。传统电力转换系统在低转速条件下效率低下，且高成本制约了社区级应用。针对这些瓶颈，英国Swansea大学等机构的研究团队基于前期设计研究（Masters et al., 2022），开发了专用于低流速环境的Remote River Energy System（RRES），其创新性采用全机械式正位移水泵作为动力输出（PTO），通过现场试验验证了技术可行性，成果发表于《Applied Ocean Research》。

研究团队采用多学科交叉方法：1）基于Blade Element Momentum Theory（BEMT）的转子设计，使用NACA 63(3)-418翼型；2）通过SolidWorks有限元分析优化玻璃钢复合材料叶片结构；3）在Swansea大学海岸实验室建立1:1比例测试台，模拟真实工况；4）在META测试场部署配备ADV（声学多普勒流速仪）和ADCP（声学多普勒剖面仪）的浮动平台，采集16Hz环境数据；5）创新性使用应变片测量系统监测叶片根部载荷。

2. Device design
转子系统采用直径3m的双叶片设计，通过湿式滑动轴承降低维护需求。机械泵PTO系统通过调节节流阀背压控制转速，实现最优叶尖速比（TSR=4.5）。3. Laboratory preparatory experiments 实验室测试显示，在0.62Hz转速下可产生6.98kW机械功率，但泵效率受气蚀现象影响。5. Results 现场数据显示：1）装置可在0.55 ms^-1
（2分钟平均）流速下持续运行；2）应变测量系统因机械耦合问题需重新校准；3）ADCP阵列成功捕获平台周围0.5m分辨率的水流剖面。

6. Discussion
尽管传感器故障导致部分数据缺失，试验仍验证了关键假设：1）机械泵PTO在<1.4 ms^-1
流速下具有技术可行性；2）标准叶片设计配合湿式轴承可实现低切入转速；3）本地供应链可支持社区级设备部署。项目总成本15.5万英镑（不含人员），为同类试验的1/3。7. Conclusions 研究达到TRL5水平，开源发布的CAD模型（DOI:10.5281/zenodo.8082024）将促进技术迭代。未来需改进泵体密封性，并探索多缸系统消除扭矩波动。

该研究为低流速水域能源开发提供了新范式，其机械式设计规避了电力转换效率问题，特别适合发展中国家三角洲地区（如恒河三角洲）的离网应用。平台搭载的分布式传感器网络也为海洋能设备测试方法学作出贡献，5台同步ADCP的部署方案为后续研究提供了宝贵经验。