潮流能發(fā)電裝置在航標燈供能中的應用與仿真研究

王永鼎，盧好陽，閆繼豪

（1.上海海洋大學　工程學院，上?！?01306；2.南京航空航天大學　機電學院，江蘇　南京 210016）

潮流能發(fā)電裝置在航標燈供能中的應用與仿真研究

王永鼎1，盧好陽1，閆繼豪2

（1.上海海洋大學工程學院，上海201306；2.南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016）

通過對比幾種可再生能源的優(yōu)缺點，提出了一種專供水中航標燈使用的垂直軸潮流能發(fā)電裝置。該裝置使用一套上下共軸反置的Savonius葉輪作為捕能裝置。當水流流過時，葉輪轉動并帶動發(fā)電機發(fā)電。為了提高Savonius葉輪的發(fā)電效率，對葉片進行了流體仿真優(yōu)化，得出2葉片Savonius葉輪受到更大阻力和轉矩的結論。最后設計了整體結構圖，該裝置安裝在航標燈上可以利用潮流、水流進行發(fā)電，以實現航標燈對電能需求的自給自足。

航標燈；潮流能發(fā)電；仿真分析

航標燈對于河運和海運安全具有非常重要的作用。我國內河及沿海布置有許多中小型航標燈，目前它們大都由干電池、鉛酸蓄電池或空氣電池供電。雖然能夠滿足航標燈的正常工作，但是電池電壓穩(wěn)定性比較差、能量利用效率較低，并且使用周期短、調換困難、費用高昂。隨著新能源發(fā)電技術的逐步發(fā)展，各種利用風能、太陽能、海洋能等新能源作為電源的新型航標燈不斷問世[1]，為航標燈技術的開發(fā)與利用揭開了嶄新的一頁。

1　潮流能發(fā)電技術的優(yōu)勢

潮流能發(fā)電裝置應用于航標燈供電是開發(fā)海洋新能源的一項實際應用。之前使用的航標燈耗能高、成本高、易損壞、維護成本高。在新能源技術領域，利用太陽能發(fā)電的航標燈雖然具備無噪聲、無污染、可再生等優(yōu)點；但它的缺點在于太陽能電池板容易遭到外界因素（如雷擊、電位反擊、鳥糞等）的破壞和污染，以及極端環(huán)境（如陰雨天、結冰等）下都會導致其性能降低、輸出功率不穩(wěn)定，并且夜間無法工作。此外還存在一些技術障礙，如高緯度地區(qū)陣列尺寸問題等[2]。而對于應用風力發(fā)電的航標燈，為了提高風能利用率，很多都建立在離岸離網的海島或航道上，工作環(huán)境非常惡劣，維護起來非常困難，而且風力發(fā)電機在安裝前需要考慮應用場所的地理環(huán)境和氣象資料，這些客觀因素都限制了風力發(fā)電機在航標燈上的推廣。

利用潮流能發(fā)電的航標燈具有諸多優(yōu)點。首先，潮流能分布廣且總量巨大，航標燈放置的地方往往都是水流速度較快的航道水域，收集能量非常方便；其次，潮流能利用裝置結構簡單，成本低；第三，潮流發(fā)電裝置的性能受海況和氣候影響較小，在黑暗以及惡劣海況下仍可正常工作，性能穩(wěn)定，維護周期大大縮短。通過以上對比分析可知，在目前的航標燈能源中，潮流能發(fā)電具有其他可再生能源所不具有的眾多優(yōu)勢。

2　應用于航標燈的潮流能發(fā)電裝置

2.1潮流能發(fā)電裝置機型的選擇

潮流能發(fā)電裝置根據水輪機結構形式的不同，分為水平軸式、垂直軸式。現有技術中，水平軸潮流能發(fā)電裝置應用比較廣泛，水平軸潮流能發(fā)電機組與當前主流的風力發(fā)電機有很大的相似性，所以也常稱為“水下風車”[3]。其原理是水平布置的葉輪機構在水流的作用下旋轉，通過主軸、傳動系統(tǒng)將能量傳遞給發(fā)電機，并帶動發(fā)電機旋轉發(fā)電。水平軸潮流能發(fā)電裝置能量利用率較高、自啟動性能好，而缺點是需要不停地調整方向以保持與潮流方向一致、葉片加工復雜、機艙輪轂構造安裝不便等。對于體積較小的航標燈而言，水平軸的葉片在旋轉的時候，水流作用在葉片上的力會形成一個垂直面（水平軸葉片所在的面）上的力矩，極容易讓水中的航標燈傾覆，所以水平軸的潮流能裝置不太適合航標燈。

在垂直軸潮流能發(fā)電裝置的技術領域里，大多數采用直葉片式結構，如圖1所示。這種葉片的優(yōu)點在于在多向的潮流環(huán)境中，它不需要尾舵裝置即可正常工作，即無論水流從任何方向而來，只要達到一定的流速，都可以正常工作[4]；其次機組的懸置結構使得電氣部分可以置于海（水）面以上，這樣可以給維修及安裝、調試帶來比較大的便利性。當然，這種葉片的自啟動性能比較差，而且葉片在旋轉一周內，翼形攻角不斷地發(fā)生變化，使葉片無法一直工作在最佳的翼形攻角處，所以葉輪發(fā)電效率低；最后，葉片位置的周期性變化使得轉軸受力也周期性變化，使得機組振動較大，轉軸及軸承工作條件惡劣。

本文提出了一種新型高效、實用可靠的航標燈用垂直軸潮流能發(fā)電裝置。

2.2垂直軸潮流能發(fā)電裝置葉片的選擇

Savonius（薩沃紐斯）葉片[5]是20世紀20年代由芬蘭人薩沃紐斯(Savonius)發(fā)明的一種阻力型垂直軸葉片，由兩個或多個軸線錯開的半圓柱形葉片組成，如圖2所示。作為典型的阻力型葉片，它最突出優(yōu)點就是易于啟動。經過優(yōu)化過的Savonius葉片啟動流速已降到1 m/s，而此時大多數的水平軸葉片和垂直軸直葉片根本無法轉動，所以特別適合航標燈使用。即便是在水流速度較小的河流、湖泊、海域，該型葉片也可以運轉自如。

Savonius型葉片有兩個重要的結構參數，一個是葉片重疊比OL（overlap ratio），一個是葉片高徑比AP（aspect ratio）。

式中：OL是Savonius型葉片平面特性的重要參數；AP是其立體特性的參數。參照其他學者的研究成果[6-7]，本文將Savonius型葉片的OL設定為OL=0.2。

圖1　垂直軸直葉片

圖2　Savonius葉片模型圖

2.3葉片數量對Savonius水輪機影響的仿真分析

本次仿真所用的Savonius葉片的基本參數如表1所示，物理模型采用Soildworks建模，如圖2所示。

表1　葉片的基本參數

將三維模型導入前處理軟件Gambit中進行仿真前處理，由于三維模型的網格數量多、計算量大，所以本文對流體計算模型進行了簡化，不考慮葉輪部分，只進行葉片的FLUENT仿真計算。2～8葉片7種不同的水輪機葉片如圖3所示。由于本次仿真的目的是分析不同葉片數量對水輪機性能的影響，所以在本次仿真中沒有采取劃分靜止域和旋轉域的方式，網格的劃分及邊界條件的設定不再詳細說明，將水輪機葉片設置為固定方式，分別以1 m/s的水流沖擊葉片以分析不同數量葉片水輪機的性能，共得到7組仿真結果。水輪機葉片兩側的壓力云圖、湍流強度、速度大小及葉片轉矩是分析水輪機性能的核心因素，仿真采用3D模型進行，故需切出一個與旋轉軸垂直的平面以便分析水輪機性能[8]。圖4～圖6分別反映了在來流速度1 m/s的條件下，2～8葉片在z=0平面下的壓力、湍流強度和速度大小分布云圖。

圖3　2～8葉片三維建模

圖4　2～8葉片的壓力云圖

圖5　2～8葉片的湍流強度分布云圖

圖6　2～8葉片的速度分布云圖

通過對葉片兩側的壓力分布情況的分析可知，Savonius葉片在第一、三、四象限產生正轉矩，帶動水輪機沿逆時針方向做旋轉運動，葉片在第二象限產生負轉矩，阻礙水輪機沿逆時針方向做旋轉運動。相比于其他幾種情況，2葉片和3葉片的Savonius水輪機的壓力梯度分布在更大的區(qū)域，更為均勻，容易獲得穩(wěn)定的轉矩，因此從減少葉片所承受的壓力方面考慮應盡量選用這兩種形式的水輪機。

通過分析湍流強度圖像可知，2，3和4葉片的Savonius水輪機的湍流強度分布比較均勻，隨著葉片數量的增加，水輪機葉片周圍的湍流強度分布越來越不均勻，這會導致水輪機在運轉時產生空化現象并使效率降低，因此從能量利用率來看，2～4葉片的Savonius水輪機具有更好的性能。

在仿真過程中通過Fluent的Monitor模塊對水輪機葉片受到的阻力和轉矩進行監(jiān)視并輸出了相應的數據文件，將處于穩(wěn)定狀態(tài)下阻力和轉矩求均值后得到圖7～圖8所示的阻力和扭矩曲線。通過對阻力和轉矩曲線圖的分析可知，相比于其他葉片數量的Savonius水輪機，2葉片的Savonius水輪機受到更大的阻力和轉矩，因此能夠獲得更高的效率。

圖7　Savonius葉片所受阻力隨流速變化圖

圖8　Savonius葉片產生扭矩隨流速變化圖

2.4垂直軸潮流能發(fā)電裝置的結構形式

航標燈是設置在航道上為船舶航行提供導航的裝置，它的能源供給裝置不能太大，因此為其提供電能的潮流能發(fā)電裝置體積不能太大，必須適合它自身的形狀和大小。依照小型化、輕量化、緊湊化的設計思路，初步設計出混合潮流發(fā)電航標裝置的整體結構，裝置結構圖簡化后如圖9所示。包括：上下兩組Savonius型垂直軸葉片、定子和轉子均可轉動的發(fā)電機（該發(fā)電機的定子與外殼相連）、固定支架等。其中，發(fā)電機通過支架（圓形支架上有滾動軸承以確保外殼可以轉動）固定在航標燈上，上下葉片同軸反向放置，上葉片通過轉軸與發(fā)電機的轉子連接，下葉片通過轉軸、套筒與發(fā)電機的定子連接。當水流通過時，上下葉片同軸反向旋轉，同時帶動發(fā)電機的定子和轉子各自延相反方向旋轉進行發(fā)電。

圖9　潮流能發(fā)電裝置的結構示意圖

3　結論

為了推進新能源尤其是潮流能在航標燈領域的發(fā)展與利用，本文以潮流能航標燈發(fā)電裝置為對象，提出了一種Savonius潮流能航標燈發(fā)電裝置。著重研究了Savonius葉片數量對水輪機性能的影響，經過模擬仿真得出了兩葉片的Savonius水輪機可以受到更大的阻力和轉矩、效率更高的結論，并給出了發(fā)電裝置整體上的初步設計，進一步提高該裝置的發(fā)電效率。

[1]鄭啟湘.太陽能一體化航標燈在我局的研制和應用 [C]//中國航海學會船標專業(yè)委員會2007年沿海、內河航標學組聯合年會，2007.

[2]袁偉.面向航標的波浪能利用研究[D].大連：大連海事大學碩士學位論文，2011.

[3]徐學濤.水平軸潮流能發(fā)電機械葉片設計及特性分析[D].杭州：浙江大學碩士學位論文，2012.

[4]劉宏偉.水平軸海流能發(fā)電機械關鍵技術研究[D].杭州：浙江大學博士學位論文，2009.

[5]謝晶，王亞軍.Savonius型風力機結構的優(yōu)化設計[J].能源技術，2009，30（4）：215-218.

[6]Shedahl R E.Wind Tunnel Performance Data for Two and Three-Bucket Savonius Rotor[J].AIAA Journal of Energy,1978,2(3):160-164.

[7]Ushiyama I.Experimentally Determining the Optimum Design Configuration for Savonius Rotors[J].Trans of JSME,1986,52(480): 2973-2982.

[8]鄭迪.基于CFD的Savonius風機葉片優(yōu)化研究[D].杭州：浙江大學碩士學位論文，2014.

Study on the Tidal Energy Power Generation Technology for the Application and Simulation in Navigation Light Power Supply

WANG Yong-ding1,LU Hao-yang1,YAN Ji-hao2
1.College of Engineering Science&Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China; 2.College of Mechanical&Electrical Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210026,Jiangsu Province,China

In this paper,by comparing the advantages and disadvantages of several kinds of renewable energies, the author proposes a vertical axis tidal current energy generation device designed for navigation lights placed in water.The device uses a set of upper and lower coaxial inverted Savonius as turbine impeller.When the water flows,the impeller rotates and drives the generator to produce electricity.In order to improve the power generation efficiency of the Savonius impeller,the blade is simulated and optimized,with the conclusion that the 2 blade Savonius impeller is subjected to more resistance and torque obtained.The final overall structure is designed,and the device installed in the navigation light can generate electricity by using water flow and tidal current,so as to achieve self-sufficiency in electricity demand of navigation lights.

navigation light;tidal energy power generation;simulative analysis

TK737；P743

A

1003-2029（2016）05-0070-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.014

2016-05-10

上海市科技興農重點攻關項目（滬農科攻字（2014）第6-3號）；上海市科委創(chuàng)新行動計劃（13dz1203701）

王永鼎（1963-），男，教授，主要研究方向為船舶動力裝置節(jié)能與優(yōu)化，漁業(yè)機械、裝備及其自動化。E-mail：ydwang@shou.edu.cn