潮流能发电装置在航标灯供能中的应用与仿真研究

王永鼎，卢好阳，闫继豪

（1.上海海洋大学　工程学院，上海　201306；2.南京航空航天大学　机电学院，江苏　南京 210016）

潮流能发电装置在航标灯供能中的应用与仿真研究

王永鼎1，卢好阳1，闫继豪2

（1.上海海洋大学工程学院，上海201306；2.南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016）

通过对比几种可再生能源的优缺点，提出了一种专供水中航标灯使用的垂直轴潮流能发电装置。该装置使用一套上下共轴反置的Savonius叶轮作为捕能装置。当水流流过时，叶轮转动并带动发电机发电。为了提高Savonius叶轮的发电效率，对叶片进行了流体仿真优化，得出2叶片Savonius叶轮受到更大阻力和转矩的结论。最后设计了整体结构图，该装置安装在航标灯上可以利用潮流、水流进行发电，以实现航标灯对电能需求的自给自足。

航标灯；潮流能发电；仿真分析

航标灯对于河运和海运安全具有非常重要的作用。我国内河及沿海布置有许多中小型航标灯，目前它们大都由干电池、铅酸蓄电池或空气电池供电。虽然能够满足航标灯的正常工作，但是电池电压稳定性比较差、能量利用效率较低，并且使用周期短、调换困难、费用高昂。随着新能源发电技术的逐步发展，各种利用风能、太阳能、海洋能等新能源作为电源的新型航标灯不断问世[1]，为航标灯技术的开发与利用揭开了崭新的一页。

1　潮流能发电技术的优势

潮流能发电装置应用于航标灯供电是开发海洋新能源的一项实际应用。之前使用的航标灯耗能高、成本高、易损坏、维护成本高。在新能源技术领域，利用太阳能发电的航标灯虽然具备无噪声、无污染、可再生等优点；但它的缺点在于太阳能电池板容易遭到外界因素（如雷击、电位反击、鸟粪等）的破坏和污染，以及极端环境（如阴雨天、结冰等）下都会导致其性能降低、输出功率不稳定，并且夜间无法工作。此外还存在一些技术障碍，如高纬度地区阵列尺寸问题等[2]。而对于应用风力发电的航标灯，为了提高风能利用率，很多都建立在离岸离网的海岛或航道上，工作环境非常恶劣，维护起来非常困难，而且风力发电机在安装前需要考虑应用场所的地理环境和气象资料，这些客观因素都限制了风力发电机在航标灯上的推广。

利用潮流能发电的航标灯具有诸多优点。首先，潮流能分布广且总量巨大，航标灯放置的地方往往都是水流速度较快的航道水域，收集能量非常方便；其次，潮流能利用装置结构简单，成本低；第三，潮流发电装置的性能受海况和气候影响较小，在黑暗以及恶劣海况下仍可正常工作，性能稳定，维护周期大大缩短。通过以上对比分析可知，在目前的航标灯能源中，潮流能发电具有其他可再生能源所不具有的众多优势。

2　应用于航标灯的潮流能发电装置

2.1潮流能发电装置机型的选择

潮流能发电装置根据水轮机结构形式的不同，分为水平轴式、垂直轴式。现有技术中，水平轴潮流能发电装置应用比较广泛，水平轴潮流能发电机组与当前主流的风力发电机有很大的相似性，所以也常称为“水下风车”[3]。其原理是水平布置的叶轮机构在水流的作用下旋转，通过主轴、传动系统将能量传递给发电机，并带动发电机旋转发电。水平轴潮流能发电装置能量利用率较高、自启动性能好，而缺点是需要不停地调整方向以保持与潮流方向一致、叶片加工复杂、机舱轮毂构造安装不便等。对于体积较小的航标灯而言，水平轴的叶片在旋转的时候，水流作用在叶片上的力会形成一个垂直面（水平轴叶片所在的面）上的力矩，极容易让水中的航标灯倾覆，所以水平轴的潮流能装置不太适合航标灯。

在垂直轴潮流能发电装置的技术领域里，大多数采用直叶片式结构，如图1所示。这种叶片的优点在于在多向的潮流环境中，它不需要尾舵装置即可正常工作，即无论水流从任何方向而来，只要达到一定的流速，都可以正常工作[4]；其次机组的悬置结构使得电气部分可以置于海（水）面以上，这样可以给维修及安装、调试带来比较大的便利性。当然，这种叶片的自启动性能比较差，而且叶片在旋转一周内，翼形攻角不断地发生变化，使叶片无法一直工作在最佳的翼形攻角处，所以叶轮发电效率低；最后，叶片位置的周期性变化使得转轴受力也周期性变化，使得机组振动较大，转轴及轴承工作条件恶劣。

本文提出了一种新型高效、实用可靠的航标灯用垂直轴潮流能发电装置。

2.2垂直轴潮流能发电装置叶片的选择

Savonius（萨沃纽斯）叶片[5]是20世纪20年代由芬兰人萨沃纽斯(Savonius)发明的一种阻力型垂直轴叶片，由两个或多个轴线错开的半圆柱形叶片组成，如图2所示。作为典型的阻力型叶片，它最突出优点就是易于启动。经过优化过的Savonius叶片启动流速已降到1 m/s，而此时大多数的水平轴叶片和垂直轴直叶片根本无法转动，所以特别适合航标灯使用。即便是在水流速度较小的河流、湖泊、海域，该型叶片也可以运转自如。

Savonius型叶片有两个重要的结构参数，一个是叶片重叠比OL（overlap ratio），一个是叶片高径比AP（aspect ratio）。

式中：OL是Savonius型叶片平面特性的重要参数；AP是其立体特性的参数。参照其他学者的研究成果[6-7]，本文将Savonius型叶片的OL设定为OL=0.2。

图1　垂直轴直叶片

图2　Savonius叶片模型图

2.3叶片数量对Savonius水轮机影响的仿真分析

本次仿真所用的Savonius叶片的基本参数如表1所示，物理模型采用Soildworks建模，如图2所示。

表1　叶片的基本参数

将三维模型导入前处理软件Gambit中进行仿真前处理，由于三维模型的网格数量多、计算量大，所以本文对流体计算模型进行了简化，不考虑叶轮部分，只进行叶片的FLUENT仿真计算。2～8叶片7种不同的水轮机叶片如图3所示。由于本次仿真的目的是分析不同叶片数量对水轮机性能的影响，所以在本次仿真中没有采取划分静止域和旋转域的方式，网格的划分及边界条件的设定不再详细说明，将水轮机叶片设置为固定方式，分别以1 m/s的水流冲击叶片以分析不同数量叶片水轮机的性能，共得到7组仿真结果。水轮机叶片两侧的压力云图、湍流强度、速度大小及叶片转矩是分析水轮机性能的核心因素，仿真采用3D模型进行，故需切出一个与旋转轴垂直的平面以便分析水轮机性能[8]。图4～图6分别反映了在来流速度1 m/s的条件下，2～8叶片在z=0平面下的压力、湍流强度和速度大小分布云图。

图3　2～8叶片三维建模

图4　2～8叶片的压力云图

图5　2～8叶片的湍流强度分布云图

图6　2～8叶片的速度分布云图

通过对叶片两侧的压力分布情况的分析可知，Savonius叶片在第一、三、四象限产生正转矩，带动水轮机沿逆时针方向做旋转运动，叶片在第二象限产生负转矩，阻碍水轮机沿逆时针方向做旋转运动。相比于其他几种情况，2叶片和3叶片的Savonius水轮机的压力梯度分布在更大的区域，更为均匀，容易获得稳定的转矩，因此从减少叶片所承受的压力方面考虑应尽量选用这两种形式的水轮机。

通过分析湍流强度图像可知，2，3和4叶片的Savonius水轮机的湍流强度分布比较均匀，随着叶片数量的增加，水轮机叶片周围的湍流强度分布越来越不均匀，这会导致水轮机在运转时产生空化现象并使效率降低，因此从能量利用率来看，2～4叶片的Savonius水轮机具有更好的性能。

在仿真过程中通过Fluent的Monitor模块对水轮机叶片受到的阻力和转矩进行监视并输出了相应的数据文件，将处于稳定状态下阻力和转矩求均值后得到图7～图8所示的阻力和扭矩曲线。通过对阻力和转矩曲线图的分析可知，相比于其他叶片数量的Savonius水轮机，2叶片的Savonius水轮机受到更大的阻力和转矩，因此能够获得更高的效率。

图7　Savonius叶片所受阻力随流速变化图

图8　Savonius叶片产生扭矩随流速变化图

2.4垂直轴潮流能发电装置的结构形式

航标灯是设置在航道上为船舶航行提供导航的装置，它的能源供给装置不能太大，因此为其提供电能的潮流能发电装置体积不能太大，必须适合它自身的形状和大小。依照小型化、轻量化、紧凑化的设计思路，初步设计出混合潮流发电航标装置的整体结构，装置结构图简化后如图9所示。包括：上下两组Savonius型垂直轴叶片、定子和转子均可转动的发电机（该发电机的定子与外壳相连）、固定支架等。其中，发电机通过支架（圆形支架上有滚动轴承以确保外壳可以转动）固定在航标灯上，上下叶片同轴反向放置，上叶片通过转轴与发电机的转子连接，下叶片通过转轴、套筒与发电机的定子连接。当水流通过时，上下叶片同轴反向旋转，同时带动发电机的定子和转子各自延相反方向旋转进行发电。

图9　潮流能发电装置的结构示意图

3　结论

为了推进新能源尤其是潮流能在航标灯领域的发展与利用，本文以潮流能航标灯发电装置为对象，提出了一种Savonius潮流能航标灯发电装置。着重研究了Savonius叶片数量对水轮机性能的影响，经过模拟仿真得出了两叶片的Savonius水轮机可以受到更大的阻力和转矩、效率更高的结论，并给出了发电装置整体上的初步设计，进一步提高该装置的发电效率。

[1]郑启湘.太阳能一体化航标灯在我局的研制和应用 [C]//中国航海学会船标专业委员会2007年沿海、内河航标学组联合年会，2007.

[2]袁伟.面向航标的波浪能利用研究[D].大连：大连海事大学硕士学位论文，2011.

[3]徐学涛.水平轴潮流能发电机械叶片设计及特性分析[D].杭州：浙江大学硕士学位论文，2012.

[4]刘宏伟.水平轴海流能发电机械关键技术研究[D].杭州：浙江大学博士学位论文，2009.

[5]谢晶，王亚军.Savonius型风力机结构的优化设计[J].能源技术，2009，30（4）：215-218.

[6]Shedahl R E.Wind Tunnel Performance Data for Two and Three-Bucket Savonius Rotor[J].AIAA Journal of Energy,1978,2(3):160-164.

[7]Ushiyama I.Experimentally Determining the Optimum Design Configuration for Savonius Rotors[J].Trans of JSME,1986,52(480): 2973-2982.

[8]郑迪.基于CFD的Savonius风机叶片优化研究[D].杭州：浙江大学硕士学位论文，2014.

Study on the Tidal Energy Power Generation Technology for the Application and Simulation in Navigation Light Power Supply

WANG Yong-ding1,LU Hao-yang1,YAN Ji-hao2
1.College of Engineering Science&Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China; 2.College of Mechanical&Electrical Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210026,Jiangsu Province,China

In this paper,by comparing the advantages and disadvantages of several kinds of renewable energies, the author proposes a vertical axis tidal current energy generation device designed for navigation lights placed in water.The device uses a set of upper and lower coaxial inverted Savonius as turbine impeller.When the water flows,the impeller rotates and drives the generator to produce electricity.In order to improve the power generation efficiency of the Savonius impeller,the blade is simulated and optimized,with the conclusion that the 2 blade Savonius impeller is subjected to more resistance and torque obtained.The final overall structure is designed,and the device installed in the navigation light can generate electricity by using water flow and tidal current,so as to achieve self-sufficiency in electricity demand of navigation lights.

navigation light;tidal energy power generation;simulative analysis

TK737；P743

A

1003-2029（2016）05-0070-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.014

2016-05-10

上海市科技兴农重点攻关项目（沪农科攻字（2014）第6-3号）；上海市科委创新行动计划（13dz1203701）

王永鼎（1963-），男，教授，主要研究方向为船舶动力装置节能与优化，渔业机械、装备及其自动化。E-mail：ydwang@shou.edu.cn