船舶潮流能發電裝置增速機構

馮寶山，徐 磊

(1.河南省交通高級技工學校，河南 駐馬店463000;2.鄭州大學 電氣工程學院，河南 鄭州450000)

0 引 言

潮流能是一種新型的可再生能源，與常規能源相比，潮流能是一種清潔能源，對自然環境沒有任何污染;潮流能的能力密度比較低，但是分布范圍比較廣，蘊藏儲量比較豐富;潮流能有固定的變化規律，具有很強的可預測性。

潮流能發電是充分利用大自然的潮流能，將其轉化為電能，其基本工作原理是利用在漲潮、落潮過程的水流沖擊葉輪產生機械能，帶動發電機進行發電。科學地利用潮流能進行發電可有效解決電力資源缺乏的問題。

船舶除了在水中正常航行以外，每年都會有一段時間的空船期，或是遇到天氣不好的時候，錨泊在港灣或是島嶼周圍。本文所設計研究的船舶先在潮流能豐富的海域拋錨固定，放下潮流能轉換裝置，利用潮流能發電，解決船舶錨泊時船舶上工作人員的生活用電問題和低功率電氣設備用電問題。本裝置安裝拆卸方便，當船舶錨泊時將其拋入水中發電，當船舶航行時又可將其收回，不影響船舶正常航行。

1 潮流能發電裝置

船舶潮流能發電裝置，如圖1所示。

船舶潮流能發電裝置的主要功能是利用潮流能產生電能，實現潮流能向電能的轉化。

潮流能發電裝置電力系統包括水輪機、增速機構、永磁交流發電機、AC /DC 整流器、DC /DC 變換器、控制系統、蓄電池和各類用電負載等。

圖1 船舶潮流能發電裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the tidal power generation device on the ships

1)水輪機

水輪機是潮流能發電裝置的最前端設備，也是整個發電裝置中最核心的裝置，主要作用是收集潮汐的沖擊能量，將其轉化為動能;它的工作原理是通過水輪機上的葉片收集潮流的動能，并將其轉化為機械能來驅動發電機進行發電。水輪機大部分都是旋轉類的，按照其結構方式一般分為水平軸和垂直軸2 種。由于漂浮式拋錨難免出現小幅的波動，并且海上潮流方向并不是標準規則方向的流向，故采用垂直軸潮流能水輪機有一定優勢。垂直軸水輪機是利用葉片的升力和阻力進行能量轉化，可以實現較高的獲能效率。控制葉片攻角的傳統方法有擺桿式、連桿式、彈簧式。擺桿式和連桿式造價高并且機構復雜，導致以后故障率高，維修成本高，實際應用并不理想。彈簧式結構簡單，省去了復雜的機械機構，但彈簧存在疲勞強度，長時間工作會損壞，必須定期更換。

2)增速機構

主要作用是將轉速較低的葉輪轉化為高轉速。

3)發電機

主要作用是將潮汐能轉化的動能轉化為交流電;目前在潮流能發電機組中應用的發電機主要有2 種:一種勵磁發電機，用于大型(大功率)并網式潮流能發電機組;另一種是永磁發電機，用于中小型(中、小功率)離網式潮流能發電機組。本裝置采用永磁同步發電。永磁發電機轉子為永磁結構，可靠性好，工作噪聲小，維護方便;采用永磁鐵勵磁方式，不存在勵磁繞組引起的銅損耗，具有較高效率。

4)AC/DC 整流器

主要作用是將發電機發出的交流電變為直流，由于船用電一般都是三相制式的，所以AC/DC 整流器一般采用三相全橋整流電路;

5)DC/DC 變換器

由于風浪和天氣等因素影響，產生的電能不穩定，同時由于負載功率的變化，也會對發電裝置運行產生影響，DC/DC 變換器通過閉環調節，實現系統輸出電壓的穩定可調。產生的穩定電壓，經過充電電路給蓄電池充電;

6)蓄電池

主要作用是儲存能量，給外部負載供電，也可與發電裝置一并向外部負載供電，能耗負載用來保護發電系統。

7)控制系統

整個發電系統的大腦，一般采用DSP 或單片機，對系統中整流器、DC/DC 變換器以及蓄電池進行控制與調節，通過控制功率開關器件的通斷，調節系統的輸出，同時實現系統的過壓、過流和過溫等保護功能。

8)各類用電負載

主要是指照明、通信、報警等一些基本的用電負載，不包括大功率的電動機推進負載。

整個系統的結構框架如圖2所示。

圖2 船舶潮流能發電裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the tidal power generation device on the ships

一些潮流能發電裝置，為了實現對潮流能的最大能量轉化以及輸出功率的穩定，增設了變槳距結構。對于并網系統，還要設計逆變器等。總體來看，結構復雜、故障率高、經濟成本較高，并且一般應用于大中型發電裝置。

本文設計的船舶潮流能發電裝置，是小功率的獨立發電系統，產生的電能主要是供船舶的一些輔助用電設備供電，不需要為動力系統的電動機供電，所以整個電氣系統中不需要設計逆變電路。該裝置由于是在船舶錨泊狀態下使用，船在潮流的作用下，隨著潮流流向的改變而自動改變船舶的朝向，利用這一特點，將潮流能水輪機固定在船尾，這樣就能保證水輪機的葉片始終朝向潮流的流向，使水輪機始終處高效率工作狀態，這樣就無需設計變槳距機構和相應的控制系統。

本文設計的潮流能發電轉置工作在船舶錨泊狀態下，當潮流流向發生改變時，可以使水輪機始終朝向潮流的來向，所以水輪機的捕能效率較高。當潮流能較大時，此時發電裝置發出足夠多的電能供負載使用以及給蓄電池充電。控制系統通過光耦器件采集發電機轉速，當水輪機轉速過高時，為防止飛車，控制系統切入能耗負載，將發電機的轉速降低到額定轉速附近。控制系統根據蓄電池充電特性，通過監測蓄電池端電壓和電流，控制蓄電池充電，防止蓄電池過充。當潮流能較小時，系統通過發電裝置與蓄電池一并供外部負載供電，或者蓄電池單獨給外部負載供電。系統依據蓄電池放電特性，通過電路監測蓄電池的端電壓和電流，防止蓄電池過度放電。系統通過硬件電路設計，對負載執行過流保護。

2 增速機構

2.1 增速機構方案選擇

通常用于潮流能發電的水輪機的轉速一般比較低，根本達不到發電機發電對轉速的要求，所以一定要通過增速機構對速度進行提升。一般的增速機構具有以下特點:

1)傳動級數

根據驅動的要求，一般從低到高有一級、二級、三級和四級的傳動形式，可分別用于驅動從低到高轉速、從小到大功率的發電機。

2)齒輪傳動方式

一般由圓柱齒輪傳動和行星齒輪傳動2 種齒輪傳動方式。

3)安裝方式

主要有底座式和和懸掛式兩大類。

4)輸出軸

有單輸出軸和多輸出軸2 種方式，其中多輸出軸一般有2個以上的輸出軸。

5)整體組合結構

一般有一體式和分立式，目前一體式的結構應用較多。

經過各方權衡，本文采用一級的行星齒輪傳動+兩級的定軸線齒輪傳動的方案。方案中集成了定軸線齒輪傳動方式結構簡單的優點，同時也兼具行星輪傳動方式傳動結構傳動比大、工作平穩的優點。本方案首先通過一級的行星齒輪傳動方式降低轉矩，然后再通過兩級結構的平行軸齒輪傳動，既簡單又經濟。本方案的缺點是整個裝置的體積和質量還是比較大，但這是現在潮流能發電機組技術中所不可避免的。圖3是采用一級行星齒輪傳動+兩級定軸線齒輪傳動方式增速裝置整體示意圖。

圖3 增速裝置整體示意圖Fig.3 The schematic diagram of the speed-increasing mechanism

船舶發電裝置安裝在船體尾部，如果應用常規直連方式將水輪機與發電機相連，會造成發電裝置體積尺寸過大，引發一系列問題。不僅不利于安裝，并且成本較大。由于潮流能與風能比較相似，具有波動性的特點，所以要求增速機構具有較高的傳遞效率、較強的工作穩定性和可靠性。目前，行星齒輪的傳遞效率已達到98%～99%，利用行星齒輪來代替常規水輪機與發電機直連的方式，尺寸過大的問題就可以迎刃而解，雖然行星齒輪在效率傳遞中會損耗1%～2%，相同容量的高速電機比低速電機效率一般可提高3%以上，發電裝置總體效率也能得到提高。

2.2 增速機構參數計算

本節對一級的行星齒輪傳動+兩級的定軸線齒輪傳動的增速機構的參數計算進行計算和分析。

1)傳動裝置傳動比和齒數

分配傳動比時應該考慮以下原則:各級傳動的傳動比應在合理范圍內，不超出允許的最大值，以符合各種傳動形式的工作特點，并使結構比較緊湊;應注意使各級傳動件尺寸協調，結構勻稱合理。

根據原始數據可知該系統的總傳動比為:

在此傳動系統中，行星傳動選的是NGW 型行星齒輪傳動，它的推薦傳動比為3～9，初步選取行星輪系的傳動比為5.5。

行星輪系傳動中各齒輪的齒數不可隨意選取，需要根據行星輪系傳動的特點，滿足相應的傳動條件、鄰接條件、同心條件和裝配條件，才可以正常傳動。

取中心輪齒數Z1=20 ，內齒圈齒數Z3=90，則行星輪的齒數，

后面的兩級定軸線齒輪傳動的傳動比為

兩級傳動比分配為

初補選取低速軸小齒輪的齒數Z4=21，則與之相配的大齒輪齒數

取第Ⅱ級斜齒輪傳動的小齒輪齒數Z4=25，則與之相配的大齒輪齒數

2)各軸的轉速

行星輪機輸入軸:

中心輪軸I 軸:

第I 即斜齒輪傳動II 軸:

第II 即斜齒輪傳動III 軸:

3)各軸的功率

如果取額定功率P=1 000 kW，設發電機和各級齒輪箱的效率η=0.9，則可得到各軸的功率:

第II 即斜齒輪傳動III 軸的功率:

第I 即斜齒輪傳動II 軸的功率:

中心輪軸I 軸的功率:

行星輪架輸入軸的功率:

所以輸入功率至少要1 100 kW，才能滿足1 000 kW的負載功率需求。

4)各軸的轉矩

行星輪機輸入軸的轉矩:

中心輪軸I 軸的轉矩:

第I 即斜齒輪傳動II 軸的轉矩:

第II 即斜齒輪傳動III 軸的轉矩:

4)齒輪參數的確定

由上面對轉矩的計算，可以計算出中心輪，太陽輪及內齒圈的分度圓直徑:

同理可以計算出d2=550 mm，d1=330 mm。

3 結 語

本文對船舶的潮流能發電裝置進行設計與研究。對船舶發電裝置的構成進行分析，重點對裝置中的增速機構進行了設計與分析。綜合各方因素，本方案最終選擇采用一級行星齒輪傳動+兩級定軸線齒輪傳動的方案，并對方案中各個齒輪的轉速、功率、直徑等參數進行了計算。

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