便携式船用海流能发电机

本研究以便携式海流能发电装置为契机，旨在将海 流能利用装置小型化并为推广到民用提供理论依据。
１便携式发电机原理介绍
渔船便携式海流能发电机是依靠海水流动来提供 动力，桨叶主轴与发电机输入轴固连，带动发电机发 电。为了充分提高垂直轴发电机发电效率，笔者通过 叶片轴的局部自转来调整叶片角度，增加叶片的迎水 面积和减少叶片的背水面积。具体是用一根一定刚度 系数的弹簧来调整叶片的角度，当叶片处在迎水方向 时，南于水流冲击力矩大于弹簧拉力力矩，叶片绕自身 偏心轴完全张开，且叶片上有限位机构使得整个叶面 迎水，以增加水流对叶片的冲击力；当叶片在背水面 时，水流冲力矩以及弹簧拉力矩都使得叶片收拢，与限 位机构配合可使得叶片切着水流方向运动，大大减小 运行阻力。由于弹簧有拉力矩，在背水面过渡到迎水
根据已有的经验成果，可以得出以下４点结论： （１）如果增大发电机的容量（额定功率），可以更 有效地利用含能量大的高速水流。 （２）如果提高工作水流速度，在转速变化情况下， 功率按速度的ｉ次方增加，但额定功率一般受发电机 容量的限制不能增大。 （３）为使供电频率稳定和出于防振技术方面的原 因，发电机应尽可能以稳定的或变化很小的转速工作， 所以发电机就不可能在任何水流速度下都以最佳的功 率系数和叶尖速比工作，在额定转速下，Ｃ。值不再与 Ａ有关，而是仅取决于水流速度ｙ。 （４）额定水流速度的选择直接影响发电机的能量 输出。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｃｅａｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｏｗｅｒ；ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ；ｂｌａｄｅ
０引 言
随着化石燃料不断消耗，能源危机日益严峻，海洋 能的利用越来越得到国内外研究者的关注。垂直轴海 流能发电装置相对水平轴海流能发电装置，海流能利 用率相对较低，结构简单，其电机部分在水面上方，密 封性要求不高，且运行维护方便。国内哈尔滨工程大 学在上世纪８０年代初就开始研制叶片垂直轴透平的 海流能发电装置，并于２００５年在浙江省舟山市开展了 ４０ ｋＷ的潮流电站实海况试验。而目前渔船供电广泛 采用传统的柴油发电机发电，据不完全统计，截止 ２００７年底，我国机动渔船数量达５１万艘，其中船龄２０ 年以上的老旧渔船占４０％以上，这些老旧渔船耗油量 巨大，年消耗柴油达７×１０６ ｔ，占生产成本５０％以 上¨…，因而开发便携式船用海流能发电机能在一定程 度上带来经济效益。
收稿日期：２００９一０４—２７ 基金项目：国家自然科学基金重点项目（５０７３５００４）；浙江省自然科学基金资助项目（Ｙ１０７５２７） 作者简介：周浩波（１９８８一），男，浙江杭州人，主要从事可再生能源开发方面的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ａｍａｔｅｕｒ２００６＠１２６．ｅｏｍ 通信联系人：林勇刚．男，副研究员．Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｇｌｉｎ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
３．３ 机械部分设计时要考虑的主要问题
（１）捕获水流能。因为要使电机能够转动，叶片 捕获水流能所产生的力矩必须足以克服其启动扭矩。 这就涉及叶片的尺寸和其绕主轴的旋转半径的设计。 具体的计算见理论设计部分。
（２）叶片自动对水问题。叶片绕轴旋转时，叶片 和水流对叶片的相对速度的夹角也会改变，这将使得 叶片获得的推力不能始终保持理想的大小。因此，为 获得最佳的动力，本研究考虑加入一个能够实现叶片 自动对水的装置。
万方数据
．６．
机
电
工
程
第２６卷
面时能够自动将叶片张开，保证桨叶的持续运转。这 样通过上述的一增一减可以增大水流对中心主轴的扭 矩，输入发电机从而更加轻松地带动发电机工作，提高 发电效率。
２便携式发电机桨叶设计部分
垂直轴海流能发电机的桨叶必然一边受动力矩而 一边受阻力矩，如何提高桨叶所受动力矩、减小阻力矩 成为该项目的关键。本研究采用的方案是在桨叶绕中 心主轴转动的同时通过凸轮连杆机构调整叶片角度， 使得叶片在迎水面整个平面最大限度地提高动力矩； 而在背水面使得叶片切着水流方向，尽量减小阻力矩， 从而维持主轴的持续回转，输入发电机组带动电机发 电产生电能。在不用海流发电的时候方便地实现主轴 与增速箱以及桨叶与横梁的脱离。
桨叶轴与横梁连接视图如图４所示．只要将挡块 拔出就可以方便地实现桨叶主轴与横梁的分离。
图４ 桨叶轴与横梁连接视图
万方数据
３．２发电存储
（１）蓄电池。水能的主要特点在于它的周期性、 间歇性和不均衡性，这使得水能利用和风能一样，在原 则上都存在贮能问题。
（２）交直流变换器。交直流变换器是把直流转换 成交流或交流转换成直流的转换装置。由于本研究采 用的是交流发电机，为便于将电能储存于蓄电池中。必 须加装交直流变换器。
当蓄电池的容量不足时，可用商用交流电，通过变 换器向蓄电池充电，这对小型水流能发电机是必要的。 充电、变换的切换极为简单，国内外对交直流变换方面 的研究已经十分成熟，发电机发出的电可以很方便地 处理供渔船照明、制冰等需要。
（３）输出功率和水能的关系。发电机的实际输出 功率受到一些条件的限制。由于启动扭矩的作用，发 电机必须有一个最低的工作海流速；而当水流速度超 过一定值时，基于安全方面的考虑，发电机必须停止工 作，即存在最高海流速。
设计思路：叶片在动力区时。以合适角度展开，使 叶片工作面和水流相对速度的夹角口ａ９０。。以获得最
·８·
机
电
Ｔ
程
第２６卷
大的动力；而在阻力区时，使０—００，最大限度地减少 阻力。通过加装弹簧，可以大致地实现这一目标。
（３）各部分机构联接问题。主轴通过连接套筒与 增速箱外壳连接，连接套筒的外面有凸轮槽，连杆的一 端有滚子，滚子与凸轮槽配合，连杆另外一端与桨叶主 轴铰接，横梁一端固定在主轴上，另外一端与桨叶主轴 连接。
表１ 各种型式叶轮的特性系数
在表１中，Ａ为叶尖速比，其计算公式为：
＾＝Ｔ２１ｒＲｎ＝可ｏＪＲ
（１０）
式中 ｎ一风轮的转速，ｒ／ｓ；月一叶尖半径，ｎｌ；卜上游
风速，ｍ／ｓ。
在本研究的系统中，考虑到实际效率问题，笔者选
择了多叶式Ｃ。＝０．２５来进行计算。
２．３运行状态设计
桨叶基本工作原理如图１所示。先取图示的位置
万方数据
第１Ｉ期
周浩波，等：便携式船用海流能发电机
３整机结构设计
３．１机械部分设计方案 一种小型便携式手动和海流综合发电装置如图２
所示，包括手柄、增速箱、电机、连接套筒、连杆、桨叶、 主轴，横梁。增速箱与电机用螺栓连接，电机通过焊接 在电机上的挂钩直接挂于船体上。手柄直接输入增速 箱，增速箱与主轴通过连接套筒用销连接，连接套筒另 一端有凸轮槽，凸轮槽轨迹与桨叶运动轨迹相关联。 桨叶通过横粱连接在主轴上，桨叶角度通过连杆控制， 连杆一端同定～滚子与凸轮槽配合，连杆的另外一端 与桨叶相连接。手柄头部截面为方形，直接与增速箱 输入口配合。
（６）
对于给定的上游速度Ｈ，有：
警＝如Ｓ（嵋一２Ｖｍ ３昵）
（７）
令ｄＰ／ｄＶ２＝０，可得屹＝Ｖｌ／３，相应最大功率为：
Ｐ一＝知ｓ订ຫໍສະໝຸດ （８）实际发电机的利用率要比理论低，即：
Ｐ＝扣ｓｖ３，ｃ，
（９）
其中，Ｃ。＜０．５９３㈨。
２．２叶轮的特性系数
由第１节可知，要求叶轮捕获的功率，必须知道叶
轮对水流的利用系数Ｃ，，这个值可以参考风力机的相 关系数。各种叶轮的特性系数如表ｌ所示。
图２整体结构简图
囱３主轴与增速箱连接视图
主轴与增速箱连接部分剖视图如图３所示，轴与 轴承内圈紧配合，轴承通过轴上的轴肩实现轴向定位， 轴承外圈与连接套筒紧配，销插入销孔然后旋转９００， 销末端的突起就可以被限位孔卡住，实现连接套筒与 增速箱外壳的可靠连接，另一方面销可以手动倒转 ９００后便能轻易拔出，实现连接套筒、主轴与增速箱的 脱离，在不用海流发电时可方便地将桨叶拆卸，实现便 携的功能。在不适合用海流能发电的海域，将主轴与 增速箱分离后可以用手摇代替海流发电，有一定的应 急作用，具有很好的环境适应性。
理论依据，利用凸轮连杆机构调整桨叶角度，提高了捕捉海流能的效率，利用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件实现了三
维模型设计，最终完成了便携式船用海流能发电机的设计。研究结果表明，该研究为海流能利用的推广
普及奠定了基础。
关键词：海流能；风力机；叶片
中图分类号：ＴＭ６１２；Ｐ７４３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１—４５５１（２００９）１１—０００５—０４
（１）
于是作用在叶轮上的力为：
Ｆ＝ｐＳＶ（Ｖ。一％）
（２）
叶轮吸收的功率为：
Ｐ＝，ｙ＝ｐＳＶ＂（Ｖ。一也）
（３）
由于此功率是由水流的动能转换来的，而水流动
能变化为：
ＡＥ＝知５ｙ（昨一吒）
（４）
所以由Ｐ＝△Ｅ可得Ｖ＝（１，。＋屹）／２，于是可将式 （２）、式（３）写为：
Ｆ＝．ｐ１ ｓ（日一Ｅ）
（５）
Ｐ＝ｉ知ｓ（昨一Ｅ）（Ｖ。＋屹）
对叶片进行分析：
图１理想工作状态图
设海流速为ｙ，相对于叶片的海流速为驴，凸轮圆 周速度为Ｕ，由于Ｖ＝Ｕ＋形，则Ｗ＝Ｖ一盯。如果矢量 ｙ，ｕ已知，则可求得矢量形和叶片所受到的力。
叶片在不同位置时的速度三角形表明，除了叶片 处于与海流向平行或近似平行位置以外，在其他位置 都将产生驱动力矩。
在本研究的机构中，为了获得更大的利用效率，笔 者采用了自动对水的装置，以得到最大的驱动力和最 小的阻力。
（４）装置的便携体现。轻便是本研究的一大特 色，也是笔者进行设计的出发点。除了必须选择轻质 材料（如铝合金）外，机械部分也必须要有方便拆装、 便于携带的特点。
２．１ 便携式海流能发电机获得的能量
假定发电机的叶轮部分是理想的，即它没有轮毂，
具有无限多的叶片，水流通过叶轮时也没有阻力，且水
流是均匀的、前后速度方向一致。
现设定水流上游截面Ｓ，，下游截面Ｓ：，迎水面积
Ｓ，并设其相应的速度为Ｖ．，Ｖｚ，Ｖ。如果假定水流是不
可压缩的，由连续条件可得：
ＳＩ ＶＩ＝ＳＶ＝Ｓ２吒