高效率双向式海流发电机
2017-05-16崔茂琳李钢
崔茂琳++李钢
摘 要：高效率双向式海流发电机是一种新型的海流能发电系统，其结构和工作原理与风力机类似，本论文原理性样机与理论验证模型，证实了海流发电的可能性与现实性，为以后海流能的利用做了有益的探索。
关键词：海流发电；高效率；清洁能源
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.147
1 中国近海海流能源 [1] [2]
海流能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的海水流动的动能以及由于潮汐导致的有规律的海水流动的动能。我国沿岸海流资源理论平均功率为13948.52万千瓦。研究和开发水下发电机械可為缓解能源短缺、发展沿海和岛屿的地方经济开辟一条新途径。本文为读者进行可行性分析。
2 高效率双向式海流发电机结构设计
以下即为海流发电机的整体效果图，发电机用双桨叶机构，这样可提高了发电机的发电效率，充分利用了海流能源。
当海流正向流经桨叶时，桨叶受到海流压力作用于桨叶传动轴上，后方弹簧受力，整个传动轴后移。将动力传递到齿轮轴，齿轮轴再通过伞齿轮，将动力传递到电机轴上，并且改变方向。后桨叶反向受力，牙盘分离。前后桨叶的动力传动互不干涉，起到了类似棘轮的效果。
2.1 传动部分
桨叶和第一主轴通过与轮毂联结，桨叶将海流动力传动到第一主轴上。第一主轴有单独的轴承套和轴向旋转密封结构，通过轴承套支撑架，固定于俯仰平台之上。其中轴承套与支撑架间有往复运动。
在轴承套间做旋转密封。在轴向力作用下，轴承套在支撑架支撑下整体后移，这样就避免了使用复合式密封。弹簧套采用氯丁橡胶（CR），既能承受10Mpa以上的压力，又能保证2cm的压缩性。在第一主轴后端，与第二主轴前端，我们分别设计了前文提到的可用于啮合的牙盘。
在齿轮传动方面，采用三级齿轮传动的方式，将桨叶轴的较低转速提高达到电机驱动轴所需的较高转速。在第一级齿轮传动上，采用直齿圆柱齿轮，传动比在2.5：1左右。在第二级齿轮传动上，采用伞齿轮结构，传动比为1：1，主要是改变传动方向，将动力输入至电机轴。第三级齿轮传动上，采用行星齿轮传动结构，增大电机驱动轴的转速，传动比在8：1左右。通过三级齿轮增速传动结构，可以有效的将转矩输入到电机驱动轴上。使得发电机的有效转速在900r-1000r/min左右。
2.2 平台部分
我们采用了旋转平台在下，俯仰平台在上的结构。旋转平台中节省下的空间，即用于放置储能设备（钒电池）。俯仰的调节是利用链条传动，并且俯仰平台轴两端设计有150°凸台，保证15°的俯仰极限值。
电机的选择上，我们选择了博山电机厂的电机。其中，俯仰电机选择W系列蜗轮-齿轮减速伺服电动机。旋转电机选择F（YCPJ）系列齿轮减速伺服电动机，减速器传动比1：36。
2.3 固定部分
固定模块主要有两部分组成，分别是：固定塔台和固定螺栓。
在这方面，我们借鉴了上海金茂大厦的建筑经验。设计师利用了支撑浮板打桩的方法。固定模块的设计利用了相同的原理，在固定塔台的下表面均匀的加工出多个通孔。并向孔中打入固定螺栓利用泥质海底的粘滞力与摩擦力固定支撑浮板，同时保持浮板水平。
2.4 翼型选择[3] [4]
通常叶轮叶片接受海流能能效率达不到59.3%，一般设计时视情取0.2～0.45。在计算中，根据我国近海平均海流流速，我们设定额定流速v为1.65m/s。经计算，得到机械效率Cp=0.2。
结合贝兹理论，得到整个发电系统的额定功率约为5kw-10kw。我们选定功率是5kw。额定转速为1400r/min。发电机的发电效率经查找数据得到η=0.9。前面是海流能发电机理想的输出功率，其机械输出功率P可以表示为：
其中：
Pa是通过叶轮扫掠面积的海流的功率，D是叶轮直径，Cp是海流能利用系数，它随流速、海流发电装置转速及其叶片参数的不同而不同。
叶片转动功率P1：
发电机所发电功率为P，发电系统发电效率η：
根据以上发电机功率的选取，我们得到：
经计算得到：
因此，桨叶直径大约为6.3m。翼型设计首先考虑选择经典的NACA系列标准翼型。玻璃钢是风力机桨叶常用的材料，在设计时，采用PEEK的，桨叶总量轻，自启动效果好。我们借鉴了日本洋流发电系统的桨叶设计方案。选择叶片数量为3的桨叶。
叶片受到的力分为两部分：与速度平行的分量Fd为阻力，与速度垂直的分量Fl为升力。经过仿真软件分析后，可以得到升力系数的峰值在攻角为15°时达到。其中升力系数为1.2，阻力系数为0.2。
参考文献：
[1]张永刚.军事海洋学概论[M].海潮出版社，2005.
[2]王光源.海洋军事地理[M].海军航空工程学院，2008.
[3][丹麦] Martin O.L.Hansen，肖劲松.风力机空气动力学[M].中国电力出版社，2009.
[4]马文蔚，斛希顿.物理学（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2007.
