船舶潮流能发电装置增速机构

冯宝山，徐 磊

(1.河南省交通高级技工学校，河南 驻马店463000;2.郑州大学 电气工程学院，河南 郑州450000)

0 引 言

潮流能是一种新型的可再生能源，与常规能源相比，潮流能是一种清洁能源，对自然环境没有任何污染;潮流能的能力密度比较低，但是分布范围比较广，蕴藏储量比较丰富;潮流能有固定的变化规律，具有很强的可预测性。

潮流能发电是充分利用大自然的潮流能，将其转化为电能，其基本工作原理是利用在涨潮、落潮过程的水流冲击叶轮产生机械能，带动发电机进行发电。科学地利用潮流能进行发电可有效解决电力资源缺乏的问题。

船舶除了在水中正常航行以外，每年都会有一段时间的空船期，或是遇到天气不好的时候，锚泊在港湾或是岛屿周围。本文所设计研究的船舶先在潮流能丰富的海域抛锚固定，放下潮流能转换装置，利用潮流能发电，解决船舶锚泊时船舶上工作人员的生活用电问题和低功率电气设备用电问题。本装置安装拆卸方便，当船舶锚泊时将其抛入水中发电，当船舶航行时又可将其收回，不影响船舶正常航行。

1 潮流能发电装置

船舶潮流能发电装置，如图1所示。

船舶潮流能发电装置的主要功能是利用潮流能产生电能，实现潮流能向电能的转化。

潮流能发电装置电力系统包括水轮机、增速机构、永磁交流发电机、AC /DC 整流器、DC /DC 变换器、控制系统、蓄电池和各类用电负载等。

图1 船舶潮流能发电装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the tidal power generation device on the ships

1)水轮机

水轮机是潮流能发电装置的最前端设备，也是整个发电装置中最核心的装置，主要作用是收集潮汐的冲击能量，将其转化为动能;它的工作原理是通过水轮机上的叶片收集潮流的动能，并将其转化为机械能来驱动发电机进行发电。水轮机大部分都是旋转类的，按照其结构方式一般分为水平轴和垂直轴2 种。由于漂浮式抛锚难免出现小幅的波动，并且海上潮流方向并不是标准规则方向的流向，故采用垂直轴潮流能水轮机有一定优势。垂直轴水轮机是利用叶片的升力和阻力进行能量转化，可以实现较高的获能效率。控制叶片攻角的传统方法有摆杆式、连杆式、弹簧式。摆杆式和连杆式造价高并且机构复杂，导致以后故障率高，维修成本高，实际应用并不理想。弹簧式结构简单，省去了复杂的机械机构，但弹簧存在疲劳强度，长时间工作会损坏，必须定期更换。

2)增速机构

主要作用是将转速较低的叶轮转化为高转速。

3)发电机

主要作用是将潮汐能转化的动能转化为交流电;目前在潮流能发电机组中应用的发电机主要有2 种:一种励磁发电机，用于大型(大功率)并网式潮流能发电机组;另一种是永磁发电机，用于中小型(中、小功率)离网式潮流能发电机组。本装置采用永磁同步发电。永磁发电机转子为永磁结构，可靠性好，工作噪声小，维护方便;采用永磁铁励磁方式，不存在励磁绕组引起的铜损耗，具有较高效率。

4)AC/DC 整流器

主要作用是将发电机发出的交流电变为直流，由于船用电一般都是三相制式的，所以AC/DC 整流器一般采用三相全桥整流电路;

5)DC/DC 变换器

由于风浪和天气等因素影响，产生的电能不稳定，同时由于负载功率的变化，也会对发电装置运行产生影响，DC/DC 变换器通过闭环调节，实现系统输出电压的稳定可调。产生的稳定电压，经过充电电路给蓄电池充电;

6)蓄电池

主要作用是储存能量，给外部负载供电，也可与发电装置一并向外部负载供电，能耗负载用来保护发电系统。

7)控制系统

整个发电系统的大脑，一般采用DSP 或单片机，对系统中整流器、DC/DC 变换器以及蓄电池进行控制与调节，通过控制功率开关器件的通断，调节系统的输出，同时实现系统的过压、过流和过温等保护功能。

8)各类用电负载

主要是指照明、通信、报警等一些基本的用电负载，不包括大功率的电动机推进负载。

整个系统的结构框架如图2所示。

图2 船舶潮流能发电装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the tidal power generation device on the ships

一些潮流能发电装置，为了实现对潮流能的最大能量转化以及输出功率的稳定，增设了变桨距结构。对于并网系统，还要设计逆变器等。总体来看，结构复杂、故障率高、经济成本较高，并且一般应用于大中型发电装置。

本文设计的船舶潮流能发电装置，是小功率的独立发电系统，产生的电能主要是供船舶的一些辅助用电设备供电，不需要为动力系统的电动机供电，所以整个电气系统中不需要设计逆变电路。该装置由于是在船舶锚泊状态下使用，船在潮流的作用下，随着潮流流向的改变而自动改变船舶的朝向，利用这一特点，将潮流能水轮机固定在船尾，这样就能保证水轮机的叶片始终朝向潮流的流向，使水轮机始终处高效率工作状态，这样就无需设计变桨距机构和相应的控制系统。

本文设计的潮流能发电转置工作在船舶锚泊状态下，当潮流流向发生改变时，可以使水轮机始终朝向潮流的来向，所以水轮机的捕能效率较高。当潮流能较大时，此时发电装置发出足够多的电能供负载使用以及给蓄电池充电。控制系统通过光耦器件采集发电机转速，当水轮机转速过高时，为防止飞车，控制系统切入能耗负载，将发电机的转速降低到额定转速附近。控制系统根据蓄电池充电特性，通过监测蓄电池端电压和电流，控制蓄电池充电，防止蓄电池过充。当潮流能较小时，系统通过发电装置与蓄电池一并供外部负载供电，或者蓄电池单独给外部负载供电。系统依据蓄电池放电特性，通过电路监测蓄电池的端电压和电流，防止蓄电池过度放电。系统通过硬件电路设计，对负载执行过流保护。

2 增速机构

2.1 增速机构方案选择

通常用于潮流能发电的水轮机的转速一般比较低，根本达不到发电机发电对转速的要求，所以一定要通过增速机构对速度进行提升。一般的增速机构具有以下特点:

1)传动级数

根据驱动的要求，一般从低到高有一级、二级、三级和四级的传动形式，可分别用于驱动从低到高转速、从小到大功率的发电机。

2)齿轮传动方式

一般由圆柱齿轮传动和行星齿轮传动2 种齿轮传动方式。

3)安装方式

主要有底座式和和悬挂式两大类。

4)输出轴

有单输出轴和多输出轴2 种方式，其中多输出轴一般有2个以上的输出轴。

5)整体组合结构

一般有一体式和分立式，目前一体式的结构应用较多。

经过各方权衡，本文采用一级的行星齿轮传动+两级的定轴线齿轮传动的方案。方案中集成了定轴线齿轮传动方式结构简单的优点，同时也兼具行星轮传动方式传动结构传动比大、工作平稳的优点。本方案首先通过一级的行星齿轮传动方式降低转矩，然后再通过两级结构的平行轴齿轮传动，既简单又经济。本方案的缺点是整个装置的体积和质量还是比较大，但这是现在潮流能发电机组技术中所不可避免的。图3是采用一级行星齿轮传动+两级定轴线齿轮传动方式增速装置整体示意图。

图3 增速装置整体示意图Fig.3 The schematic diagram of the speed-increasing mechanism

船舶发电装置安装在船体尾部，如果应用常规直连方式将水轮机与发电机相连，会造成发电装置体积尺寸过大，引发一系列问题。不仅不利于安装，并且成本较大。由于潮流能与风能比较相似，具有波动性的特点，所以要求增速机构具有较高的传递效率、较强的工作稳定性和可靠性。目前，行星齿轮的传递效率已达到98%～99%，利用行星齿轮来代替常规水轮机与发电机直连的方式，尺寸过大的问题就可以迎刃而解，虽然行星齿轮在效率传递中会损耗1%～2%，相同容量的高速电机比低速电机效率一般可提高3%以上，发电装置总体效率也能得到提高。

2.2 增速机构参数计算

本节对一级的行星齿轮传动+两级的定轴线齿轮传动的增速机构的参数计算进行计算和分析。

1)传动装置传动比和齿数

分配传动比时应该考虑以下原则:各级传动的传动比应在合理范围内，不超出允许的最大值，以符合各种传动形式的工作特点，并使结构比较紧凑;应注意使各级传动件尺寸协调，结构匀称合理。

根据原始数据可知该系统的总传动比为:

在此传动系统中，行星传动选的是NGW 型行星齿轮传动，它的推荐传动比为3～9，初步选取行星轮系的传动比为5.5。

行星轮系传动中各齿轮的齿数不可随意选取，需要根据行星轮系传动的特点，满足相应的传动条件、邻接条件、同心条件和装配条件，才可以正常传动。

取中心轮齿数Z1=20 ，内齿圈齿数Z3=90，则行星轮的齿数，

后面的两级定轴线齿轮传动的传动比为

两级传动比分配为

初补选取低速轴小齿轮的齿数Z4=21，则与之相配的大齿轮齿数

取第Ⅱ级斜齿轮传动的小齿轮齿数Z4=25，则与之相配的大齿轮齿数

2)各轴的转速

行星轮机输入轴:

中心轮轴I 轴:

第I 即斜齿轮传动II 轴:

第II 即斜齿轮传动III 轴:

3)各轴的功率

如果取额定功率P=1 000 kW，设发电机和各级齿轮箱的效率η=0.9，则可得到各轴的功率:

第II 即斜齿轮传动III 轴的功率:

第I 即斜齿轮传动II 轴的功率:

中心轮轴I 轴的功率:

行星轮架输入轴的功率:

所以输入功率至少要1 100 kW，才能满足1 000 kW的负载功率需求。

4)各轴的转矩

行星轮机输入轴的转矩:

中心轮轴I 轴的转矩:

第I 即斜齿轮传动II 轴的转矩:

第II 即斜齿轮传动III 轴的转矩:

4)齿轮参数的确定

由上面对转矩的计算，可以计算出中心轮，太阳轮及内齿圈的分度圆直径:

同理可以计算出d2=550 mm，d1=330 mm。

3 结 语

本文对船舶的潮流能发电装置进行设计与研究。对船舶发电装置的构成进行分析，重点对装置中的增速机构进行了设计与分析。综合各方因素，本方案最终选择采用一级行星齿轮传动+两级定轴线齿轮传动的方案，并对方案中各个齿轮的转速、功率、直径等参数进行了计算。

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