一種小型H型垂直軸潮流能發(fā)電機的設(shè)計方法

程歆元++亓常松++王廣偉

摘 要：為了開發(fā)潮流能，本文提供了一種小型垂直軸發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計方法，采用H型立軸式的基本結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、無需換向機構(gòu)、安裝方便、發(fā)電快、價格低廉、環(huán)境破壞性小，適于滿足小島和漁船上居民的照明用電或應(yīng)急照明的需求。

關(guān)鍵詞：海洋能源；垂直軸；潮流能；發(fā)電系統(tǒng)

中圖分類號：X382 文獻標(biāo)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(jīng)濟持續(xù)快速的發(fā)展，對能源的需求越來越大。面對能源短缺和環(huán)境污染的情況，可再生能源的開發(fā)和利用已漸漸的成為人們關(guān)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(zhuǎn)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(fā)這種巨大的資源寶藏，已經(jīng)在各國政府中達成共識。海洋能主要包括海上風(fēng)能、潮汐能、潮流能、溫差能和鹽差能等，前三種能源技術(shù)上易于開發(fā)、研究較多。地球與月球和太陽位置變化導(dǎo)致的引力變化，引起的海水周期性漲落而產(chǎn)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(huán)境影響大；海水的動能稱為潮流能，比相同流速的海上風(fēng)能能量密度大很多，無需建壩，環(huán)境友好。根據(jù)調(diào)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(fā)方便。目前，潮流能發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅猛，部分發(fā)達國家的潮流能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)進入了商業(yè)化發(fā)電階段。

潮流能發(fā)電主要通過水輪發(fā)電機來實現(xiàn)，水輪機根據(jù)葉輪結(jié)構(gòu)形式劃分，可最常見的有水平軸式、垂直軸式等結(jié)構(gòu)。水平軸式水輪機具有穩(wěn)定性較好、在工作流場中載荷變化不劇烈、功率輸出較穩(wěn)定、流動干擾較小等優(yōu)點，但是也有具有葉片結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、需要加裝換向機構(gòu)來調(diào)節(jié)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(yōu)點：①水輪機旋轉(zhuǎn)方向不受來流方向影響，不需要換向機構(gòu)。②葉片結(jié)構(gòu)更加簡單，成本更低，容易加工。③發(fā)電機可以放在垂直軸式水輪機軸的一端，從而使發(fā)電機處于水面之上，這樣產(chǎn)生的噪音能大大小于水平軸式水輪機產(chǎn)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(zhuǎn)矩，啟動性能較差，有時需要特殊的輔助啟動設(shè)計。本文設(shè)計了一種小型H型垂直軸潮流能發(fā)電機，體積小、結(jié)構(gòu)簡單、無需換向機構(gòu)、易啟動、安裝方便，適用于小島居民日常照明或小型船只應(yīng)急照明的使用。

2 設(shè)計方法

2.1 結(jié)構(gòu)選擇

潮流能發(fā)電裝置是把海水流動的動能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩使其轉(zhuǎn)動；水輪機和發(fā)電機通過機械結(jié)構(gòu)連接在一起，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，發(fā)出隨流速變化的交流電，其頻率和幅值與水流一致。所發(fā)交流電經(jīng)過變流裝置轉(zhuǎn)化為頻率幅值可調(diào)控的三相交流電，達到使用目的。垂直軸式水輪機的基本結(jié)構(gòu)又分為以下五種，如圖1所示。

從結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝的角度，本文將選用（b）H型立軸式發(fā)電機。對于葉片的數(shù)量，基于轉(zhuǎn)速和穩(wěn)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(shè)計目的，低轉(zhuǎn)速額定、低啟動轉(zhuǎn)速、體積小、能耗小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高是選擇發(fā)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(chǎn)的SHF200-0.05Kw盤式電機作為本系統(tǒng)的發(fā)電機構(gòu)。電機外觀如圖2所示。

2.3 參數(shù)設(shè)計

系統(tǒng)發(fā)電量規(guī)律遵循如下公式：捕獲系數(shù)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(fā)電機的設(shè)計方法-B583＼image4.pdf>可用下列式子表示：

綜上訴述即得到葉輪設(shè)計參數(shù)如下：

直徑D=800mm、高度H=500mm、葉片數(shù)目B=3、額定轉(zhuǎn)速n=54.9rpm、單機捕獲功率p=30w （1m/s海水速度）。即當(dāng)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(tǒng)轉(zhuǎn)速為109.8rpm（對應(yīng)最佳葉尖速比）。

2.4 實驗結(jié)果

將發(fā)電系統(tǒng)固定安裝在水槽中，水流沖擊葉輪的葉片，葉輪帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)并發(fā)出電能。發(fā)電機出線端接電阻負(fù)載，本實驗中我們將水流速度設(shè)置為1m/s，安裝的是6顆5w的LED燈，當(dāng)流速穩(wěn)定時，6顆LED燈能夠正常發(fā)光。當(dāng)水流速度提高為2m/s時，在出線端測得輸出功率為240w。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種小型H型垂直軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)，采用H型立軸式的基本結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)無需換向機構(gòu)、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、價格低廉、發(fā)電快、環(huán)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(fā)電量可達到w。本文的設(shè)計方案基礎(chǔ)上，如加裝穩(wěn)壓和儲能設(shè)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(yīng)急照明裝置。

本文的設(shè)計中直接將發(fā)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(fā)電過程中發(fā)電機置于海水水面之上，可以降低發(fā)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(shù)、增加電機使用壽命。

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基金項目：浙江海洋電子技術(shù)創(chuàng)新團隊（項目號：2013TD14）。