利用海流发电的新型伞锚研究

万栋栋， 王化明， 张晓蔚， 张仲瑞

(浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院， 浙江 舟山 316022)



利用海流发电的新型伞锚研究

万栋栋， 王化明， 张晓蔚， 张仲瑞

(浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院， 浙江 舟山 316022)

摘要为了使远洋船舶在停泊时更加高效地运用所处位置的海流能量，本文提出设计了一种具有海流发电功能的新型船用发电装置，以实现船舶节能。该装置主要由伞锚和安装在伞锚中心的海流能发电装置构成。伞锚可以把流速较低的海流汇聚在一起得到高能量密度的海流。这些海流冲击水轮机，进而带动发电机运行，实现高效发电。

关键词海流能伞锚水轮机船舶节能

0引言

随着石油资源的日益紧张，可再生能源的利用开发显得尤为重要。作为最具开发潜力的可再生能源之一，海洋能的蕴藏量是十分巨大的。而潮流能因其能流密度大、具有较强的规律性和可预测性，成为近几年发展较为迅速的可再生能源。目前国际上的潮流能发电装置主要有水平轴潮流能水轮机，该水轮机近似于水平轴风力机，当水流方向和旋转轴的方向平行时，通过水流推动叶轮旋转桨叶发电。例如，英国的MCT公司研制的“SeaFlow”、“SeaGen”水轮机；竖轴潮流能水轮机,其工作原理与达里厄式竖轴风力机类似，最大的特点是在转子转向保持不变的同时，能适应各个方向的海流；升—阻力型潮流能装置主要有瑞典海力(Seapower)公司开发的“EXIM”水轮机和中国海洋大学研制的新型柔性叶片潮流能水轮机；由英国工程事务公司设计研发的“Stingray”潮流能发电装置，则是振荡式潮流能发电装置的代表，其水翼衔接着摆臂，当水流经过时产生的升力和阻力使水翼产生上升和下降的运动，使得摆臂往复摆动并带动液压缸，通过驱动液压马达进行发电；还有一些其他型式的潮流能装置。

目前，绝大部分远洋渔船的电力供应都是依靠柴油发电来实现，这种发电方式不仅经济成本高，且还会对海洋环境造成污染。利用海洋可再生能源发电是一种可持续发展的发电方式，且能够在一定程度上缓解人类对化石能源的依赖。一些特殊作业方式的远洋渔船所处海水环境或多或少都具备潮流能发电的条件，然而船上所用的海锚一般都是普通海锚，在使船舶进行海上锚泊方面的效果虽较好，但常规海锚没能实现对海上丰富的潮流能资源的利用，不具备利用海洋能源发电的功能，这样就错失利用能源的机会。本文根据潮流能发电的优势和船用海锚的不足提出了一种具有潮流发电功能的新型伞锚。

1装置设计思路

1.1伞锚工作原理

大多数船舶上所配置的普通铁锚在船停泊时效果非常明显，然而某些情况下对于在海上作业的船舶普通铁锚往往不够理想，例如对远洋渔船来说其作业海域的水深往往超过百米，如果你继续使用普通锚，延长绳索或锚链用于下碇，让主机运转抛锚。则需要浪费大量的燃料，而在深海水域作业时，由于抛锚很难到达海底，导致了其定泊功能的缺失，因而无法保障船舶的作业安全。伞锚却可以解决由于铁锚很难到达海底致使其定泊功能丧失的问题，使得远洋渔船在作业时能够稳定船身，确保生产作业安全。当船舶在海上作业时，通过调节使得船面对着风后将伞锚放入海中，伞锚将主动打开，利用在伞锚中的水产生巨大的阻力来稳定船身，提高了船舶在海面上抗风能力，使船不随海流或者海风的影响漂移不定，而且伞锚的减摇效果更好，使船能够较为安全生产。当船舶停止作业时，不需要像普通铁锚那样通过主机运作收锚，只需浮子连接的收锚绳便可将伞锚回收。

1.2装置结构

如图1所示，锚体主要用来包容海水，连接锚体与船身的曳纲因其增加了伞锚的韧性使伞锚不容易破裂，浮子以及连接锚体和浮子的绳子使得伞锚更容易回收。关于潮流发电装置和电缆方面，锚体前端与曳纲连接，锚体尾端中心安装有潮流能发电装置，浮子通过绳子与锚体连接，潮流能发电装置与电缆相连接，其发出的电通过电缆传输到船上。

图1　装置整体结构示意图

潮流发电装置包括叶轮和直驱发电机，其中直驱发电机安装在锚体尾端中心，叶轮与直驱发电机相连接。本装置的叶轮采用风车式水平轴式叶轮，叶轮的轴与水流方向平行，如图2所示。其桨叶在叶轮盘面内从转轴出发沿径向伸出，桨叶采用定桨距不可调偏角桨叶。叶轮也可以采用垂直轴式叶轮，垂直轴式叶轮具有设计简单、无需换向、噪音小、能够充分利用来潮流水道的有效截面积及潮流动能、发电效率高的优点。而且本装置采用的直驱式潮流能发电机不必利用齿轮箱进行变速处理，较传统潮流能发电机更为简便，发电机的启动要求低，具有比常规发电机更高的发电效率。

图2　伞锚的局部结构

1.3曳纲的设计

曳纲由乙纶八股编织绳索制成。其制作方法为首先在高速环锭捻线机上将多根渔用高性能乙纶单丝进行捻合，编制成多根S向和Z向的绳纱，然后将多根不同种方向的绳纱通过最优的方式进行排列，使用合股机定位孔，让不同种方向的绳纱分别进入合股机对应的口模，然后通过合股机齿轮的合理配比、恰当的牵引和加捻编制得Z向和S向绳股，最后将两对Z向和S向的绳股按照其特定的位置成对放入八股编绳机的编织篮内，然后使Z向和S向的绳股进行配对，再进行交替的编绞，加以合适的牵引速度和一定的张力制得乙纶八股编织绳。

乙纶八股编织绳索所用的基本材料为高性能渔用乙纶单丝，它的公称直径10 mm～14 mm，其具有柔软、强度高、韧性好、操作方便的优点，通过乙纶八股编织绳索和市面上公称直径为 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

中图分类号U664

文献标志码A

作者简介：万栋栋(1995-)，男，本科。

基金项目：国家级星火计划项目(编号：2013GA700256)。