漁船錨泊潮流發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)

林雯雯，劉國平

（浙江海洋學(xué)院，浙江舟山 316000）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展，能源需求量持續(xù)增大，導(dǎo)致傳統(tǒng)石化能源日益枯竭、電力緊缺和環(huán)境污染加重，大力開發(fā)和利用清潔無污染的潮流能對(duì)緩解能源和環(huán)境問題具有重要的意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國現(xiàn)有漁船總數(shù)達(dá)106萬艘，是世界上漁船最多的國家，約占世界總數(shù)的 1/4，其中海洋漁船總數(shù)達(dá) 31.61萬艘。現(xiàn)今的漁船推進(jìn)系統(tǒng)基本采用動(dòng)力裝置，航行時(shí)主要靠柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)來提供能源，同時(shí)，漁船上的生活用電也通過柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供。但多數(shù)漁船會(huì)因休漁期、惡劣的天氣環(huán)境、維修或其他種種原因而停泊在港灣。這時(shí)靠發(fā)電機(jī)組提供給很小負(fù)載的生活照明用電非常不科學(xué)，而且浪費(fèi)柴油，又因發(fā)電機(jī)組工作壽命有限，同時(shí)還造成環(huán)境污染。因此利用潮流能，開發(fā)一個(gè)小型船用發(fā)電裝置以解決這類問題，具有廣闊的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)的基本組成及工作原理

漁船拋錨停泊是常用的停泊方法。船上以錨鏈或錨索連接的錨拋入水中著地，并使其嚙入土中，錨產(chǎn)生的抓力與水底固結(jié)起來，把漁船牢固地系留在預(yù)定的位置，所以在潮流的影響下，漁船隨著潮流流向而隨時(shí)改變方向。本設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于該小型的潮流發(fā)電機(jī)，把它固定在船艉，不管潮流流向是如何改變，漁船船向隨之改變，保證水輪機(jī)轉(zhuǎn)向不變，無需調(diào)整水輪機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)角。

潮流發(fā)電裝置主要是由水輪機(jī)、傳動(dòng)裝置、硅整流發(fā)電機(jī)構(gòu)成。該設(shè)計(jì)將潮流能轉(zhuǎn)換成電能從而實(shí)現(xiàn)對(duì)潮流能的利用。潮流發(fā)電機(jī)組是將潮流能轉(zhuǎn)換為電能的機(jī)械設(shè)備，它由水輪機(jī)、傳動(dòng)裝置及發(fā)電機(jī)組成。從能量轉(zhuǎn)換的角度看，潮流發(fā)電機(jī)由兩大部分組成。其一是水輪機(jī)，它的功能是將潮流能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；其二是發(fā)電機(jī)，它的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。小型潮流發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1所示，將水輪機(jī)深入水下，潮流推動(dòng)水輪機(jī)的槳葉使水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使潮流能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再經(jīng)過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)硅整流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)工作進(jìn)行發(fā)電，使機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)六只硅二極管整流裝置進(jìn)行整流，再通過調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)整，最后將穩(wěn)定的電能存儲(chǔ)到蓄電池中，完成整個(gè)能源的轉(zhuǎn)換過程。

2 系統(tǒng)的組成模塊

2.1 水輪機(jī)

目前，潮流發(fā)電水輪機(jī)從結(jié)構(gòu)上看可分為水平軸水輪機(jī)和豎軸水輪機(jī)2種。水平軸水輪機(jī)：旋轉(zhuǎn)軸軸向與水流方向平行，主要利用水流對(duì)葉片的升力作用，由于與傳統(tǒng)軸流式水輪機(jī)相似，所以有時(shí)也稱為軸流式水輪機(jī)。豎軸水輪機(jī)：旋轉(zhuǎn)軸軸向與水流方向垂直，與海平面垂直[1-2]。

根據(jù)潮流能轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)，主要是選擇適合工作原理和結(jié)構(gòu)形式的潮流發(fā)電水輪機(jī)，來盡可能高效的實(shí)現(xiàn)潮流能到電能的轉(zhuǎn)換。所以水輪機(jī)是潮流能轉(zhuǎn)換裝置的核心部分，直接關(guān)系著潮流能資源合理開發(fā)和利用。

豎軸水輪機(jī)有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：1）阻力型葉輪具有自啟動(dòng)的特性，但是葉輪的旋轉(zhuǎn)速度比螺旋式葉輪低；2）垂直軸升力型葉輪能否自啟動(dòng)與葉輪的葉片是否可（變螺距）調(diào)有關(guān)[1]。可調(diào)角度的葉輪可以自啟動(dòng)；不可調(diào)角度的葉輪沒有足夠的力矩自啟動(dòng)，一種可行的啟動(dòng)方案是通過電氣控制的方式將發(fā)電機(jī)切換為電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，啟動(dòng)后再由電動(dòng)機(jī)切換為發(fā)電機(jī)，葉輪功率驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作；3）垂直軸式葉輪與來流的方向無關(guān)，無論潮流從哪個(gè)方向流向葉輪都能正常工作，無需對(duì)流裝置。因此，相對(duì)于水平軸水輪機(jī)，豎軸水輪機(jī)不受來流方向變化的影響，具有較好的啟動(dòng)性能和較高的能量利用率，經(jīng)比較，本文選用Savonius水輪機(jī)（如圖2所示）作為潮流發(fā)電裝置的水輪機(jī)。

這種S式水輪機(jī)葉輪兩半圓柱面葉片對(duì)稱安裝在轉(zhuǎn)軸兩側(cè)，柱面朝向相反，兩個(gè)半圓柱面葉片部分交錯(cuò)，半圓柱面葉片直徑為d，交錯(cuò)距離為e。當(dāng)潮流流向葉輪時(shí)由于阻力差會(huì)旋轉(zhuǎn)，而且凹面部分水流會(huì)通過交錯(cuò)的空隙進(jìn)入凸面背后，轉(zhuǎn)折的水流能抵消部分凸面的阻力，可提高水輪機(jī)的效率?？障秂越大也會(huì)降低效率，當(dāng)e/d=0.17時(shí)效果最好，如果空隙e中有轉(zhuǎn)軸，則轉(zhuǎn)軸要細(xì)并適當(dāng)?shù)脑龃罂障禰3]。

水輪機(jī)的輸出功率計(jì)算公式為[4]

式中ρ為海水密度，為 1030 kg/m3（取 1000 kg/m3）；A為潮流水輪機(jī)轉(zhuǎn)子掃掠面積，m2；V為潮流流速，m/s；η為效率。從上式可以看出，水輪機(jī)的輸出功率很大程度決定于潮流速度。

2.2 硅整流發(fā)電機(jī)

我們選擇體積小，實(shí)用性強(qiáng)，價(jià)格便宜的硅整流發(fā)電機(jī)作為本設(shè)計(jì)的核心發(fā)電機(jī)。硅整流發(fā)電機(jī)由同步交流發(fā)電機(jī)和硅二極管整流器構(gòu)成。按總體結(jié)構(gòu)可分為普通型、整體式、帶泵性、無刷、永磁式；按磁場(chǎng)搭鐵方式分為內(nèi)搭鐵式、外搭鐵式；按整流二極管的多少分為六管、八管、九管、十一管。本文選擇14 V的外搭鐵式六管交流發(fā)電機(jī)作為該裝置的發(fā)電機(jī)。同時(shí)選擇合適的調(diào)節(jié)器與之配套。

發(fā)電機(jī)經(jīng)整流后的直流電壓與每相電動(dòng)勢(shì)的有效值成正比，可表示為：

式中C為電機(jī)常數(shù)，n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，Φ為磁場(chǎng)磁通。

圖3 硅整流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.3 調(diào)節(jié)器

2.3.1 調(diào)節(jié)器的作用

將發(fā)電機(jī)輸出電壓控制在規(guī)定范圍內(nèi)。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，自動(dòng)控制發(fā)電機(jī)電壓保持恒定，使其不因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過高時(shí)電壓過高燒壞電器及導(dǎo)致蓄電池過充電；也不會(huì)因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低而電壓不足導(dǎo)致用電器工作失常。

運(yùn)行過程中，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍較大，由于發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)的傳動(dòng)比是固定的，所以發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將隨水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，發(fā)電機(jī)的端電壓也將隨水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而在很大范圍內(nèi)變化。發(fā)電機(jī)在對(duì)用電氣設(shè)備供電及向蓄電池充電時(shí)，都要求其電壓穩(wěn)定，因此必須對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之保持在某一數(shù)值上基本不變。

2.3.2 調(diào)節(jié)器的選型

電壓調(diào)節(jié)器分為觸點(diǎn)式和電子式兩類，觸點(diǎn)式又有雙級(jí)式和單級(jí)式之分，電子式又分為晶體管式與集成電路式兩種。觸點(diǎn)式調(diào)節(jié)器存在著以下缺點(diǎn)：觸點(diǎn)間存在電火花，觸點(diǎn)容易燒蝕、故障多，且產(chǎn)生無線電干擾。由于動(dòng)鐵的機(jī)械慣性和磁滯慣性較大，工作頻率低，輸出電壓脈動(dòng)大。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大。為克服觸點(diǎn)式調(diào)節(jié)器的上述缺點(diǎn)，現(xiàn)在廣泛使用電子式調(diào)節(jié)器。

JFT106型調(diào)節(jié)器屬于外搭鐵式晶體管調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)電壓為13.8～14.6 V，可與14 V功率為750 W外搭鐵式九管式交流發(fā)電機(jī)配套，也可與14 V功率小于1000 W的外搭鐵式六管交流發(fā)電機(jī)配套，因此我們選擇該調(diào)節(jié)器。

3 小結(jié)

潮流能的研究是目前重要的課題，而發(fā)展小型潮流能發(fā)電機(jī)對(duì)眾多漁船來說又有著重要的意義。本文設(shè)計(jì)的漁船錨泊潮流發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)在于：首先，所設(shè)計(jì)的發(fā)電裝置是小型發(fā)電裝置，體積小，重量輕。另有可拆卸的水輪機(jī)，安裝固定在船舶尾部，水輪機(jī)的動(dòng)力輸出端通過可拆卸的傳動(dòng)連接機(jī)構(gòu)連接至船舶原有的發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力輸入端。該裝置在漁船拋錨停泊時(shí)可以施放、啟動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，既環(huán)保又有效的解決漁船拋錨時(shí)的用電問題，當(dāng)漁船航行、作業(yè)時(shí)又可將其收回，不影響漁船正常航行。其次，該裝置的設(shè)計(jì)是在船只拋錨狀態(tài)，不管潮流流向如何，船只隨著潮流流向的變化而不斷的改變方向。使得水輪機(jī)無需調(diào)整其葉片旋轉(zhuǎn)角，都能正常工作。漁船拋錨狀態(tài)，也避免了螺旋槳對(duì)水輪機(jī)工作造成的影響。

[1] 李允武. 海洋能源開發(fā)[M]. 北京: 海洋出版社,2008.

[2] 戴慶忠. 潮流能發(fā)電及潮流能發(fā)電裝置[J]. 東方電機(jī), 2010, （2）:51-66.

[3] Shouichiro,Iio,Yusuke. Influence of setting condition on characteristics of savonius hydraulic turbine with a shield plate. 熱科學(xué)學(xué)報(bào)英文版, 2011, 20（3）:224.

[4] 戴軍,單忠德,王西峰,楊杰. 潮流水輪機(jī)的研究進(jìn)展[J]. 可再生能源, 2010, （4）:130-131.