水平轴多翼型潮流能发电系统设计

创新与实践ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡＮＤＭＡＲＫＥＴ

Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．４，２０１９水平轴多翼型潮流能发电系统设计

古淳月

（西北工业大学电子信息学院，陕西西安７１０１２９）

摘　要：水平轴多翼型潮流能发电系统是利用自然潮汐能发电的装置，该装置最大的的特点在于潮汐扇的设计，运用叶素动量理论、涡流理论和Ｗｉｌｓｏｎ理论等理论，优化出损耗小、利用高的叶扇。此外，独特的潮流感知系统，当潮流方向有所变化时，迅速调节潮汐扇的方向，将潮流能最大化利用。

关键词：潮流发电机叶片结构；潮流感知；节能环保

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０１９．０４．０１９

　引言

随着社会经济的发展和科技的进步，能源的可持续发展与环境保护已成为亟待解决的问题。化石能源与人类社会发展中的能源需求之间的矛盾迫使我们加强对可再生资源的有效开发和利用。除了现有的太阳能、风能等可再生能源，潮汐能的分布广泛、预见性强、储藏量和可利用性十分可观，使得潮汐能在应用上更加便利，具有可观的开发价值。

　潮汐扇设计

涡轮叶片通常由多个不同的翼型叠加，并且叶片性能与翼型的流体动力学特性密切相关。采用不同翼型设计叶片的几何参数是叶片设计的主要内容。研究发现，叶片不同部位的叶素执行的功能略有差别。叶片根部承受较大的作用力。因此，需选择厚度较大且扭矩系数较大的翼型；叶片中部是水轮机获能的关键，应选择升阻比较大的翼型；而叶尖部位应选取厚度较小，升阻比较大的翼型。叶片设计方法的基本理论有叶素动量理论、涡流理论和Ｗｉｌｓｏｎ理论。我们选用Ｗｉｌｓｏｎ设计方法，研究了叶尖、轮毂损失和升阻比对叶片性能的影响，基本设计步骤如下：

１）叶片在径向上分成ｎ个相等的部分，每一部分为１个叶素。

２）求解ａ、ｂ、Ｆ。考虑叶尖和轮毂损失时，由

ｄＣ

ｐ

ｄλ

＝

８

λ３０

（１－ａ）ｂＦλ３可以确定每个叶素位置获能系数，要使水轮机的获能系数最大，就要求

ｄＣ

ｐ

ｄλ

最大。因此要使用优化方法，使

ｄＣ

ｐ

ｄλ

最大，

本文以ｂ（１＋ｂ）λ２＝ａ（１－ａＦ）为约束条件，利用ＭＡＴＬＡＢ优化求解ａ、ｂ、Ｆ。

３）求解叶素的入流角Φ，并在运行条件下查询翼型的最佳迎角α，由β＝Φ－α求得扭角β，求得弦长ｃ。

４）叶片弦长和扭转角的线性化校正，如图１

所示。

图１　叶片弦长和扭转角的线性化校正示意图

５）翼型坐标转换

从Ｐｒｏｆｉｌｉ中导出的翼型数据，是以弦长为１００ｍｍ，扭角为

０度的二维坐标的形式存在的，因此，需将叶素的二维坐标转

换为三维坐标，并进行比例变换，这种转换可以在ＭＡＴＬＡＢ中

实现。

６）运用ｓｏｌｄｗｏｒｋｓ，实现叶片三维模型实体建模，如图２

所示。

　整体设计

本装置由潮汐叶扇模块、发电机模块（含传动装置）、潮流

方向感知模块、底座模块四部分组成，各模块间关系如图３

所示。

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技术与市场

创新与实践

２０１９年第２６卷第４

期

图２　叶片三维建模图

发电机模块的顶部是潮汐扇模块和发电机模块。潮汐扇设计采用多翼型组合设计的方法，有效避免潮汐扇转动过程中涡流的产生，减少了转动阻力，提高了潮汐能利用率。６叶片的设计则是出于对效率载荷考量下的最优方案。

发电机模块中，我们设计了行星齿轮装置，在不占用较大空间的前提下，提高传动效率、发电效率，各元件间通过机械连杆和齿轮组相互连接。

中间部分是潮流感知模块，通过模块内置的小功率发电机组，进而对不同流向潮流的感知，适时的调整潮汐扇的迎向，以保持发电效率的最优化。

最下方是底座模块，内部有潮汐扇迎向调节装置，稳压装置，电源装置，输出装置。同时底座上还有延伸出来的固定支

架组，

保证整体结构的稳定性。

图３　水平轴多翼型潮流能发电系统示意图

　结语

潮流能发电利用前景广阔。本文通过计算机模拟出了最优的潮汐扇模型，同时配合发电机模块（含传动装置）、潮流方向感知模块、底座模块，使系统更加完整，其在技术上可实现性较高，可以应用于大型的电站，如应用于我国的东部沿海地区，减轻东部沿海地区的电力供应压力；同时，由于其可调节性、扩展性高，也应用于小型发电站，满足近海、近潮周边的村落的供电。参考文献：

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