利用海流發(fā)電的新型傘錨研究

萬棟棟， 王化明， 張曉蔚， 張仲瑞

(浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院， 浙江 舟山 316022)

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利用海流發(fā)電的新型傘錨研究

萬棟棟， 王化明， 張曉蔚， 張仲瑞

(浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院， 浙江 舟山 316022)

摘要為了使遠(yuǎn)洋船舶在停泊時更加高效地運用所處位置的海流能量，本文提出設(shè)計了一種具有海流發(fā)電功能的新型船用發(fā)電裝置，以實現(xiàn)船舶節(jié)能。該裝置主要由傘錨和安裝在傘錨中心的海流能發(fā)電裝置構(gòu)成。傘錨可以把流速較低的海流匯聚在一起得到高能量密度的海流。這些海流沖擊水輪機(jī)，進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)運行，實現(xiàn)高效發(fā)電。

關(guān)鍵詞海流能傘錨水輪機(jī)船舶節(jié)能

0引言

隨著石油資源的日益緊張，可再生能源的利用開發(fā)顯得尤為重要。作為最具開發(fā)潛力的可再生能源之一，海洋能的蘊藏量是十分巨大的。而潮流能因其能流密度大、具有較強(qiáng)的規(guī)律性和可預(yù)測性，成為近幾年發(fā)展較為迅速的可再生能源。目前國際上的潮流能發(fā)電裝置主要有水平軸潮流能水輪機(jī)，該水輪機(jī)近似于水平軸風(fēng)力機(jī)，當(dāng)水流方向和旋轉(zhuǎn)軸的方向平行時，通過水流推動葉輪旋轉(zhuǎn)槳葉發(fā)電。例如，英國的MCT公司研制的“SeaFlow”、“SeaGen”水輪機(jī)；豎軸潮流能水輪機(jī),其工作原理與達(dá)里厄式豎軸風(fēng)力機(jī)類似，最大的特點是在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向保持不變的同時，能適應(yīng)各個方向的海流；升—阻力型潮流能裝置主要有瑞典海力(Seapower)公司開發(fā)的“EXIM”水輪機(jī)和中國海洋大學(xué)研制的新型柔性葉片潮流能水輪機(jī)；由英國工程事務(wù)公司設(shè)計研發(fā)的“Stingray”潮流能發(fā)電裝置，則是振蕩式潮流能發(fā)電裝置的代表，其水翼銜接著擺臂，當(dāng)水流經(jīng)過時產(chǎn)生的升力和阻力使水翼產(chǎn)生上升和下降的運動，使得擺臂往復(fù)擺動并帶動液壓缸，通過驅(qū)動液壓馬達(dá)進(jìn)行發(fā)電；還有一些其他型式的潮流能裝置。

目前，絕大部分遠(yuǎn)洋漁船的電力供應(yīng)都是依靠柴油發(fā)電來實現(xiàn)，這種發(fā)電方式不僅經(jīng)濟(jì)成本高，且還會對海洋環(huán)境造成污染。利用海洋可再生能源發(fā)電是一種可持續(xù)發(fā)展的發(fā)電方式，且能夠在一定程度上緩解人類對化石能源的依賴。一些特殊作業(yè)方式的遠(yuǎn)洋漁船所處海水環(huán)境或多或少都具備潮流能發(fā)電的條件，然而船上所用的海錨一般都是普通海錨，在使船舶進(jìn)行海上錨泊方面的效果雖較好，但常規(guī)海錨沒能實現(xiàn)對海上豐富的潮流能資源的利用，不具備利用海洋能源發(fā)電的功能，這樣就錯失利用能源的機(jī)會。本文根據(jù)潮流能發(fā)電的優(yōu)勢和船用海錨的不足提出了一種具有潮流發(fā)電功能的新型傘錨。

1裝置設(shè)計思路

1.1傘錨工作原理

大多數(shù)船舶上所配置的普通鐵錨在船停泊時效果非常明顯，然而某些情況下對于在海上作業(yè)的船舶普通鐵錨往往不夠理想，例如對遠(yuǎn)洋漁船來說其作業(yè)海域的水深往往超過百米，如果你繼續(xù)使用普通錨，延長繩索或錨鏈用于下碇，讓主機(jī)運轉(zhuǎn)拋錨。則需要浪費大量的燃料，而在深海水域作業(yè)時，由于拋錨很難到達(dá)海底，導(dǎo)致了其定泊功能的缺失，因而無法保障船舶的作業(yè)安全。傘錨卻可以解決由于鐵錨很難到達(dá)海底致使其定泊功能喪失的問題，使得遠(yuǎn)洋漁船在作業(yè)時能夠穩(wěn)定船身，確保生產(chǎn)作業(yè)安全。當(dāng)船舶在海上作業(yè)時，通過調(diào)節(jié)使得船面對著風(fēng)后將傘錨放入海中，傘錨將主動打開，利用在傘錨中的水產(chǎn)生巨大的阻力來穩(wěn)定船身，提高了船舶在海面上抗風(fēng)能力，使船不隨海流或者海風(fēng)的影響漂移不定，而且傘錨的減搖效果更好，使船能夠較為安全生產(chǎn)。當(dāng)船舶停止作業(yè)時，不需要像普通鐵錨那樣通過主機(jī)運作收錨，只需浮子連接的收錨繩便可將傘錨回收。

1.2裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示，錨體主要用來包容海水，連接錨體與船身的曳綱因其增加了傘錨的韌性使傘錨不容易破裂，浮子以及連接錨體和浮子的繩子使得傘錨更容易回收。關(guān)于潮流發(fā)電裝置和電纜方面，錨體前端與曳綱連接，錨體尾端中心安裝有潮流能發(fā)電裝置，浮子通過繩子與錨體連接，潮流能發(fā)電裝置與電纜相連接，其發(fā)出的電通過電纜傳輸?shù)酱稀?/p>

圖1　裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

潮流發(fā)電裝置包括葉輪和直驅(qū)發(fā)電機(jī)，其中直驅(qū)發(fā)電機(jī)安裝在錨體尾端中心，葉輪與直驅(qū)發(fā)電機(jī)相連接。本裝置的葉輪采用風(fēng)車式水平軸式葉輪，葉輪的軸與水流方向平行，如圖2所示。其槳葉在葉輪盤面內(nèi)從轉(zhuǎn)軸出發(fā)沿徑向伸出，槳葉采用定槳距不可調(diào)偏角槳葉。葉輪也可以采用垂直軸式葉輪，垂直軸式葉輪具有設(shè)計簡單、無需換向、噪音小、能夠充分利用來潮流水道的有效截面積及潮流動能、發(fā)電效率高的優(yōu)點。而且本裝置采用的直驅(qū)式潮流能發(fā)電機(jī)不必利用齒輪箱進(jìn)行變速處理，較傳統(tǒng)潮流能發(fā)電機(jī)更為簡便，發(fā)電機(jī)的啟動要求低，具有比常規(guī)發(fā)電機(jī)更高的發(fā)電效率。

圖2　傘錨的局部結(jié)構(gòu)

1.3曳綱的設(shè)計

曳綱由乙綸八股編織繩索制成。其制作方法為首先在高速環(huán)錠捻線機(jī)上將多根漁用高性能乙綸單絲進(jìn)行捻合，編制成多根S向和Z向的繩紗，然后將多根不同種方向的繩紗通過最優(yōu)的方式進(jìn)行排列，使用合股機(jī)定位孔，讓不同種方向的繩紗分別進(jìn)入合股機(jī)對應(yīng)的口模，然后通過合股機(jī)齒輪的合理配比、恰當(dāng)?shù)臓恳图幽砭幹频肸向和S向繩股，最后將兩對Z向和S向的繩股按照其特定的位置成對放入八股編繩機(jī)的編織籃內(nèi)，然后使Z向和S向的繩股進(jìn)行配對，再進(jìn)行交替的編絞，加以合適的牽引速度和一定的張力制得乙綸八股編織繩。

乙綸八股編織繩索所用的基本材料為高性能漁用乙綸單絲，它的公稱直徑10 mm～14 mm，其具有柔軟、強(qiáng)度高、韌性好、操作方便的優(yōu)點，通過乙綸八股編織繩索和市面上公稱直徑為 14 mm 的三股乙

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Study on a New Umbrella Anchor with Ocean Current Energy Generator

WAN Dong-dong, WANG Hua-ming, ZHANG Xiao-wei, ZHANG Zhong-rui

(Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316022, China)

AbstractIn order to make more efficiently use of he current energy when the ocean ship mooring, the present paper puts forward a new device with a tidal energy generator to save energy for ships. The ocean current energy generator is installed in the center of the umbrella anchor which can gather ocean current. High-speed currents can effectively improve the power generation efficiency of the turbine.

KeywordsOcean currents energyUmbrella anchorTurbineShip energy saving

中圖分類號U664

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡介：萬棟棟(1995-)，男，本科。

基金項目：國家級星火計劃項目(編號：2013GA700256)。