一种小型H型垂直轴潮流能发电机的设计方法

    程歆元++亓常松++王广伟

    摘 要：为了开发潮流能，本文提供了一种小型垂直轴发电系统的设计方法，采用H型立轴式的基本结构，结构简单、无需换向机构、安装方便、发电快、价格低廉、环境破坏性小，适于满足小岛和渔船上居民的照明用电或应急照明的需求。

    关键词：海洋能源；垂直轴；潮流能；发电系统

    中图分类号：X382 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2016）12-0061-02

    1 引言

    目前全球，尤其是新兴市场国家的经济持续快速的发展，对能源的需求越来越大。面对能源短缺和环境污染的情况，可再生能源的开发和利用已渐渐的成为人们关注的重点。海洋面积占地球总面积的71%，大量来自太阳的辐射能转化成了海洋能。海洋能具有能源存储量巨大、可再生、清洁无污染等特点，所以充分利用开发这种巨大的资源宝藏，已经在各国政府中达成共识。海洋能主要包括海上风能、潮汐能、潮流能、温差能和盐差能等，前三种能源技术上易于开发、研究较多。地球与月球和太阳位置变化导致的引力变化，引起的海水周期性涨落而产生势能和动能。其中海水勢能称为潮差能，也称为潮汐能，对它的利用需要建立各种水库、水坝，成本较高，环境影响大；海水的动能称为潮流能，比相同流速的海上风能能量密度大很多，无需建坝，环境友好。根据调查显示，我国潮流能储量丰富，但分布不均。其中浙江省最为丰富，理论功率约为709X104Kw，约占全国的51%；其次为台湾，理论功率为228X104Kw，再次是山东和辽宁，分别为118X104Kw和113X104Kw。各省的潮流能也一般集中分布在岸边、河口、海峡或岛屿之间的狭长水道等地方，开发方便。目前，潮流能发电技术发展迅猛，部分发达国家的潮流能发电技术已经进入了商业化发电阶段。

    潮流能发电主要通过水轮发电机来实现，水轮机根据叶轮结构形式划分，可最常见的有水平轴式、垂直轴式等结构。水平轴式水轮机具有稳定性较好、在工作流场中载荷变化不剧烈、功率输出较稳定、流动干扰较小等优点，但是也有具有叶片结构较复杂、需要加装换向机构来调节方向等缺点。相对于水平轴式水轮机，垂直轴式水轮机有以下优点：①水轮机旋转方向不受来流方向影响，不需要换向机构。②叶片结构更加简单，成本更低，容易加工。③发电机可以放在垂直轴式水轮机轴的一端，从而使发电机处于水面之上，这样产生的噪音能大大小于水平轴式水轮机产生的噪音，有利于保护海洋生物栖息地。其主要缺点为低启动转矩，启动性能较差，有时需要特殊的辅助启动设计。本文设计了一种小型H型垂直轴潮流能发电机，体积小、结构简单、无需换向机构、易启动、安装方便，适用于小岛居民日常照明或小型船只应急照明的使用。

    2 设计方法

    2.1 结构选择

    潮流能发电装置是把海水流动的动能转化为电能的装置，其工作原理为：水流以一定角度和速度作用在桨叶上，在水轮机轴上形成转矩使其转动；水轮机和发电机通过机械结构连接在一起，带动发电机转动，发出随流速变化的交流电，其频率和幅值与水流一致。所发交流电经过变流装置转化为频率幅值可调控的三相交流电，达到使用目的。垂直轴式水轮机的基本结构又分为以下五种，如图1所示。

    从结构简单、易于安装的角度，本文将选用（b）H型立轴式发电机。对于叶片的数量，基于转速和稳定性的考虑，本文选择三叶式。

    2.2 电机选择

    电机的选择极为重要，基于本文的设计目的，低转速额定、低启动转速、体积小、能耗小、重量轻、结构紧凑、效率高是选择发电机时需要考虑的主要因素，基于这些考虑我们选择了苏州三禾机电有限公式生产的SHF200-0.05Kw盘式电机作为本系统的发电机构。电机外观如图2所示。

    2.3 参数设计

    系统发电量规律遵循如下公式：捕获系数Cp会随着叶尖速比和桨距角变化：（中国水运）一种小型H型垂直轴潮流能发电机的设计方法-B583＼image4.pdf>可用下列式子表示：

    综上诉述即得到叶轮设计参数如下：

    直径D=800mm、高度H=500mm、叶片数目B=3、额定转速n=54.9rpm、单机捕获功率p=30w （1m/s海水速度）。即当海水速度为2m/s时，叶轮捕获功率为1m/s时的8倍，其捕获功率为240W。系统转速为109.8rpm（对应最佳叶尖速比）。

    2.4 实验结果

    将发电系统固定安装在水槽中，水流冲击叶轮的叶片，叶轮带动发电机旋转并发出电能。发电机出线端接电阻负载，本实验中我们将水流速度设置为1m/s，安装的是6颗5w的LED灯，当流速稳定时，6颗LED灯能够正常发光。当水流速度提高为2m/s时，在出线端测得输出功率为240w。

    3 结论

    本文设计了一种小型H型垂直轴潮流能发电系统，采用H型立轴式的基本结构，此种结构无需换向机构、结构简单、安装方便、价格低廉、发电快、环境破坏性小等特点。在试验中我们采用了1m/s的水流速度，为6颗5w的LED灯提供了照明电流，如果流速提高到m/s，发电量可达到w。本文的设计方案基础上，如加装稳压和储能设备，可满足远离陆地的小岛上一般家庭的照明使用，也可作为海上小型船只的应急照明装置。

    本文的设计中直接将发电机安装在了垂直轴的中部，如果将其安装在垂直轴的上端，则发电过程中发电机置于海水水面之上，可以降低发电机密封难度，并能减少海洋生物对电机附着污损，减少清理次数、增加电机使用寿命。

    参考文献：

    [1]潮流能开发概论/肖刚，吴勇虎编著.——武汉：武汉大学出版社，2015.10：81-96.

    [2]吕忻，郭佩芳.我国潮流能资源开发评述[J].海洋湖沼通报，2011（1）：26-30.

    [3]李晨晨.潮流能发电技术与前景研究[j].科技创新与应用，2015（2）：128

    [4]李文龙.水平轴潮流能水轮机变桨距机构设计及仿真[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

    [5]刘丞.海洋潮流能发电机布局优化策略探索[D].杭州：浙江大学，2013.

    [6]李浩.水平轴潮流能发电装置桨叶设计的关键技术研究[D].太原：太原科技大学，2014.

    基金项目：浙江海洋电子技术创新团队（项目号：2013TD14）。