高效率雙向式海流發(fā)電機(jī)

崔茂琳++李鋼

摘 要：高效率雙向式海流發(fā)電機(jī)是一種新型的海流能發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和工作原理與風(fēng)力機(jī)類似，本論文原理性樣機(jī)與理論驗(yàn)證模型，證實(shí)了海流發(fā)電的可能性與現(xiàn)實(shí)性，為以后海流能的利用做了有益的探索。

關(guān)鍵詞：海流發(fā)電；高效率；清潔能源

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.147

1 中國近海海流能源 [1] [2]

海流能是指海水流動(dòng)的動(dòng)能，主要是指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的海水流動(dòng)的動(dòng)能以及由于潮汐導(dǎo)致的有規(guī)律的海水流動(dòng)的動(dòng)能。我國沿岸海流資源理論平均功率為13948.52萬千瓦。研究和開發(fā)水下發(fā)電機(jī)械可為緩解能源短缺、發(fā)展沿海和島嶼的地方經(jīng)濟(jì)開辟一條新途徑。本文為讀者進(jìn)行可行性分析。

2 高效率雙向式海流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以下即為海流發(fā)電機(jī)的整體效果圖，發(fā)電機(jī)用雙槳葉機(jī)構(gòu)，這樣可提高了發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，充分利用了海流能源。

當(dāng)海流正向流經(jīng)槳葉時(shí)，槳葉受到海流壓力作用于槳葉傳動(dòng)軸上，后方彈簧受力，整個(gè)傳動(dòng)軸后移。將動(dòng)力傳遞到齒輪軸，齒輪軸再通過傘齒輪，將動(dòng)力傳遞到電機(jī)軸上，并且改變方向。后槳葉反向受力，牙盤分離。前后槳葉的動(dòng)力傳動(dòng)互不干涉，起到了類似棘輪的效果。

2.1 傳動(dòng)部分

槳葉和第一主軸通過與輪轂聯(lián)結(jié)，槳葉將海流動(dòng)力傳動(dòng)到第一主軸上。第一主軸有單獨(dú)的軸承套和軸向旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)，通過軸承套支撐架，固定于俯仰平臺(tái)之上。其中軸承套與支撐架間有往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

在軸承套間做旋轉(zhuǎn)密封。在軸向力作用下，軸承套在支撐架支撐下整體后移，這樣就避免了使用復(fù)合式密封。彈簧套采用氯丁橡膠（CR），既能承受10Mpa以上的壓力，又能保證2cm的壓縮性。在第一主軸后端，與第二主軸前端，我們分別設(shè)計(jì)了前文提到的可用于嚙合的牙盤。

在齒輪傳動(dòng)方面，采用三級(jí)齒輪傳動(dòng)的方式，將槳葉軸的較低轉(zhuǎn)速提高達(dá)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸所需的較高轉(zhuǎn)速。在第一級(jí)齒輪傳動(dòng)上，采用直齒圓柱齒輪，傳動(dòng)比在2.5：1左右。在第二級(jí)齒輪傳動(dòng)上，采用傘齒輪結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)比為1：1，主要是改變傳動(dòng)方向，將動(dòng)力輸入至電機(jī)軸。第三級(jí)齒輪傳動(dòng)上，采用行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，增大電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比在8：1左右。通過三級(jí)齒輪增速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以有效的將轉(zhuǎn)矩輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上。使得發(fā)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)速在900r-1000r/min左右。

2.2 平臺(tái)部分

我們采用了旋轉(zhuǎn)平臺(tái)在下，俯仰平臺(tái)在上的結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中節(jié)省下的空間，即用于放置儲(chǔ)能設(shè)備（釩電池）。俯仰的調(diào)節(jié)是利用鏈條傳動(dòng)，并且俯仰平臺(tái)軸兩端設(shè)計(jì)有150°凸臺(tái)，保證15°的俯仰極限值。

電機(jī)的選擇上，我們選擇了博山電機(jī)廠的電機(jī)。其中，俯仰電機(jī)選擇W系列蝸輪-齒輪減速伺服電動(dòng)機(jī)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)選擇F（YCPJ）系列齒輪減速伺服電動(dòng)機(jī)，減速器傳動(dòng)比1：36。

2.3 固定部分

固定模塊主要有兩部分組成，分別是：固定塔臺(tái)和固定螺栓。

在這方面，我們借鑒了上海金茂大廈的建筑經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)師利用了支撐浮板打樁的方法。固定模塊的設(shè)計(jì)利用了相同的原理，在固定塔臺(tái)的下表面均勻的加工出多個(gè)通孔。并向孔中打入固定螺栓利用泥質(zhì)海底的粘滯力與摩擦力固定支撐浮板，同時(shí)保持浮板水平。

2.4 翼型選擇[3] [4]

通常葉輪葉片接受海流能能效率達(dá)不到59.3%，一般設(shè)計(jì)時(shí)視情取0.2～0.45。在計(jì)算中，根據(jù)我國近海平均海流流速，我們?cè)O(shè)定額定流速v為1.65m/s。經(jīng)計(jì)算，得到機(jī)械效率Cp=0.2。

結(jié)合貝茲理論，得到整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的額定功率約為5kw-10kw。我們選定功率是5kw。額定轉(zhuǎn)速為1400r/min。發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率經(jīng)查找數(shù)據(jù)得到η=0.9。前面是海流能發(fā)電機(jī)理想的輸出功率，其機(jī)械輸出功率P可以表示為：

其中：

Pa是通過葉輪掃掠面積的海流的功率，D是葉輪直徑，Cp是海流能利用系數(shù)，它隨流速、海流發(fā)電裝置轉(zhuǎn)速及其葉片參數(shù)的不同而不同。

葉片轉(zhuǎn)動(dòng)功率P1：

發(fā)電機(jī)所發(fā)電功率為P，發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率η：

根據(jù)以上發(fā)電機(jī)功率的選取，我們得到：

經(jīng)計(jì)算得到：

因此，槳葉直徑大約為6.3m。翼型設(shè)計(jì)首先考慮選擇經(jīng)典的NACA系列標(biāo)準(zhǔn)翼型。玻璃鋼是風(fēng)力機(jī)槳葉常用的材料，在設(shè)計(jì)時(shí)，采用PEEK的，槳葉總量輕，自啟動(dòng)效果好。我們借鑒了日本洋流發(fā)電系統(tǒng)的槳葉設(shè)計(jì)方案。選擇葉片數(shù)量為3的槳葉。

葉片受到的力分為兩部分：與速度平行的分量Fd為阻力，與速度垂直的分量Fl為升力。經(jīng)過仿真軟件分析后，可以得到升力系數(shù)的峰值在攻角為15°時(shí)達(dá)到。其中升力系數(shù)為1.2，阻力系數(shù)為0.2。

參考文獻(xiàn)：

[1]張永剛.軍事海洋學(xué)概論[M].海潮出版社，2005.

[2]王光源.海洋軍事地理[M].海軍航空工程學(xué)院，2008.

[3][丹麥] Martin O.L.Hansen，肖勁松.風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)[M].中國電力出版社，2009.

[4]馬文蔚，斛希頓.物理學(xué)（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2007.