一種小型H型垂直軸潮流能發電機的設計方法

程歆元++亓常松++王廣偉

摘 要：為了開發潮流能，本文提供了一種小型垂直軸發電系統的設計方法，采用H型立軸式的基本結構，結構簡單、無需換向機構、安裝方便、發電快、價格低廉、環境破壞性小，適于滿足小島和漁船上居民的照明用電或應急照明的需求。

關鍵詞：海洋能源；垂直軸；潮流能；發電系統

中圖分類號：X382 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2016）12-0061-02

1 引言

目前全球，尤其是新興市場國家的經濟持續快速的發展，對能源的需求越來越大。面對能源短缺和環境污染的情況，可再生能源的開發和利用已漸漸的成為人們關注的重點。海洋面積占地球總面積的71%，大量來自太陽的輻射能轉化成了海洋能。海洋能具有能源存儲量巨大、可再生、清潔無污染等特點，所以充分利用開發這種巨大的資源寶藏，已經在各國政府中達成共識。海洋能主要包括海上風能、潮汐能、潮流能、溫差能和鹽差能等，前三種能源技術上易于開發、研究較多。地球與月球和太陽位置變化導致的引力變化，引起的海水周期性漲落而產生勢能和動能。其中海水勢能稱為潮差能，也稱為潮汐能，對它的利用需要建立各種水庫、水壩，成本較高，環境影響大；海水的動能稱為潮流能，比相同流速的海上風能能量密度大很多，無需建壩，環境友好。根據調查顯示，我國潮流能儲量豐富，但分布不均。其中浙江省最為豐富，理論功率約為709X104Kw，約占全國的51%；其次為臺灣，理論功率為228X104Kw，再次是山東和遼寧，分別為118X104Kw和113X104Kw。各省的潮流能也一般集中分布在岸邊、河口、海峽或島嶼之間的狹長水道等地方，開發方便。目前，潮流能發電技術發展迅猛，部分發達國家的潮流能發電技術已經進入了商業化發電階段。

潮流能發電主要通過水輪發電機來實現，水輪機根據葉輪結構形式劃分，可最常見的有水平軸式、垂直軸式等結構。水平軸式水輪機具有穩定性較好、在工作流場中載荷變化不劇烈、功率輸出較穩定、流動干擾較小等優點，但是也有具有葉片結構較復雜、需要加裝換向機構來調節方向等缺點。相對于水平軸式水輪機，垂直軸式水輪機有以下優點：①水輪機旋轉方向不受來流方向影響，不需要換向機構。②葉片結構更加簡單，成本更低，容易加工。③發電機可以放在垂直軸式水輪機軸的一端，從而使發電機處于水面之上，這樣產生的噪音能大大小于水平軸式水輪機產生的噪音，有利于保護海洋生物棲息地。其主要缺點為低啟動轉矩，啟動性能較差，有時需要特殊的輔助啟動設計。本文設計了一種小型H型垂直軸潮流能發電機，體積小、結構簡單、無需換向機構、易啟動、安裝方便，適用于小島居民日常照明或小型船只應急照明的使用。

2 設計方法

2.1 結構選擇

潮流能發電裝置是把海水流動的動能轉化為電能的裝置，其工作原理為：水流以一定角度和速度作用在槳葉上，在水輪機軸上形成轉矩使其轉動；水輪機和發電機通過機械結構連接在一起，帶動發電機轉動，發出隨流速變化的交流電，其頻率和幅值與水流一致。所發交流電經過變流裝置轉化為頻率幅值可調控的三相交流電，達到使用目的。垂直軸式水輪機的基本結構又分為以下五種，如圖1所示。

從結構簡單、易于安裝的角度，本文將選用（b）H型立軸式發電機。對于葉片的數量，基于轉速和穩定性的考慮，本文選擇三葉式。

2.2 電機選擇

電機的選擇極為重要，基于本文的設計目的，低轉速額定、低啟動轉速、體積小、能耗小、重量輕、結構緊湊、效率高是選擇發電機時需要考慮的主要因素，基于這些考慮我們選擇了蘇州三禾機電有限公式生產的SHF200-0.05Kw盤式電機作為本系統的發電機構。電機外觀如圖2所示。

2.3 參數設計

系統發電量規律遵循如下公式：捕獲系數Cp會隨著葉尖速比和槳距角變化：（中國水運）一種小型H型垂直軸潮流能發電機的設計方法-B583＼image4.pdf>可用下列式子表示：

綜上訴述即得到葉輪設計參數如下：

直徑D=800mm、高度H=500mm、葉片數目B=3、額定轉速n=54.9rpm、單機捕獲功率p=30w （1m/s海水速度）。即當海水速度為2m/s時，葉輪捕獲功率為1m/s時的8倍，其捕獲功率為240W。系統轉速為109.8rpm（對應最佳葉尖速比）。

2.4 實驗結果

將發電系統固定安裝在水槽中，水流沖擊葉輪的葉片，葉輪帶動發電機旋轉并發出電能。發電機出線端接電阻負載，本實驗中我們將水流速度設置為1m/s，安裝的是6顆5w的LED燈，當流速穩定時，6顆LED燈能夠正常發光。當水流速度提高為2m/s時，在出線端測得輸出功率為240w。

3 結論

本文設計了一種小型H型垂直軸潮流能發電系統，采用H型立軸式的基本結構，此種結構無需換向機構、結構簡單、安裝方便、價格低廉、發電快、環境破壞性小等特點。在試驗中我們采用了1m/s的水流速度，為6顆5w的LED燈提供了照明電流，如果流速提高到m/s，發電量可達到w。本文的設計方案基礎上，如加裝穩壓和儲能設備，可滿足遠離陸地的小島上一般家庭的照明使用，也可作為海上小型船只的應急照明裝置。

本文的設計中直接將發電機安裝在了垂直軸的中部，如果將其安裝在垂直軸的上端，則發電過程中發電機置于海水水面之上，可以降低發電機密封難度，并能減少海洋生物對電機附著污損，減少清理次數、增加電機使用壽命。

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基金項目：浙江海洋電子技術創新團隊（項目號：2013TD14）。