高效率雙向式海流發電機

崔茂琳++李鋼

摘 要：高效率雙向式海流發電機是一種新型的海流能發電系統，其結構和工作原理與風力機類似，本論文原理性樣機與理論驗證模型，證實了海流發電的可能性與現實性，為以后海流能的利用做了有益的探索。

關鍵詞：海流發電；高效率；清潔能源

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.147

1 中國近海海流能源 [1] [2]

海流能是指海水流動的動能，主要是指海底水道和海峽中較為穩定的海水流動的動能以及由于潮汐導致的有規律的海水流動的動能。我國沿岸海流資源理論平均功率為13948.52萬千瓦。研究和開發水下發電機械可為緩解能源短缺、發展沿海和島嶼的地方經濟開辟一條新途徑。本文為讀者進行可行性分析。

2 高效率雙向式海流發電機結構設計

以下即為海流發電機的整體效果圖，發電機用雙槳葉機構，這樣可提高了發電機的發電效率，充分利用了海流能源。

當海流正向流經槳葉時，槳葉受到海流壓力作用于槳葉傳動軸上，后方彈簧受力，整個傳動軸后移。將動力傳遞到齒輪軸，齒輪軸再通過傘齒輪，將動力傳遞到電機軸上，并且改變方向。后槳葉反向受力，牙盤分離。前后槳葉的動力傳動互不干涉，起到了類似棘輪的效果。

2.1 傳動部分

槳葉和第一主軸通過與輪轂聯結，槳葉將海流動力傳動到第一主軸上。第一主軸有單獨的軸承套和軸向旋轉密封結構，通過軸承套支撐架，固定于俯仰平臺之上。其中軸承套與支撐架間有往復運動。

在軸承套間做旋轉密封。在軸向力作用下，軸承套在支撐架支撐下整體后移，這樣就避免了使用復合式密封。彈簧套采用氯丁橡膠（CR），既能承受10Mpa以上的壓力，又能保證2cm的壓縮性。在第一主軸后端，與第二主軸前端，我們分別設計了前文提到的可用于嚙合的牙盤。

在齒輪傳動方面，采用三級齒輪傳動的方式，將槳葉軸的較低轉速提高達到電機驅動軸所需的較高轉速。在第一級齒輪傳動上，采用直齒圓柱齒輪，傳動比在2.5：1左右。在第二級齒輪傳動上，采用傘齒輪結構，傳動比為1：1，主要是改變傳動方向，將動力輸入至電機軸。第三級齒輪傳動上，采用行星齒輪傳動結構，增大電機驅動軸的轉速，傳動比在8：1左右。通過三級齒輪增速傳動結構，可以有效的將轉矩輸入到電機驅動軸上。使得發電機的有效轉速在900r-1000r/min左右。

2.2 平臺部分

我們采用了旋轉平臺在下，俯仰平臺在上的結構。旋轉平臺中節省下的空間，即用于放置儲能設備（釩電池）。俯仰的調節是利用鏈條傳動，并且俯仰平臺軸兩端設計有150°凸臺，保證15°的俯仰極限值。

電機的選擇上，我們選擇了博山電機廠的電機。其中，俯仰電機選擇W系列蝸輪-齒輪減速伺服電動機。旋轉電機選擇F（YCPJ）系列齒輪減速伺服電動機，減速器傳動比1：36。

2.3 固定部分

固定模塊主要有兩部分組成，分別是：固定塔臺和固定螺栓。

在這方面，我們借鑒了上海金茂大廈的建筑經驗。設計師利用了支撐浮板打樁的方法。固定模塊的設計利用了相同的原理，在固定塔臺的下表面均勻的加工出多個通孔。并向孔中打入固定螺栓利用泥質海底的粘滯力與摩擦力固定支撐浮板，同時保持浮板水平。

2.4 翼型選擇[3] [4]

通常葉輪葉片接受海流能能效率達不到59.3%，一般設計時視情取0.2～0.45。在計算中，根據我國近海平均海流流速，我們設定額定流速v為1.65m/s。經計算，得到機械效率Cp=0.2。

結合貝茲理論，得到整個發電系統的額定功率約為5kw-10kw。我們選定功率是5kw。額定轉速為1400r/min。發電機的發電效率經查找數據得到η=0.9。前面是海流能發電機理想的輸出功率，其機械輸出功率P可以表示為：

其中：

Pa是通過葉輪掃掠面積的海流的功率，D是葉輪直徑，Cp是海流能利用系數，它隨流速、海流發電裝置轉速及其葉片參數的不同而不同。

葉片轉動功率P1：

發電機所發電功率為P，發電系統發電效率η：

根據以上發電機功率的選取，我們得到：

經計算得到：

因此，槳葉直徑大約為6.3m。翼型設計首先考慮選擇經典的NACA系列標準翼型。玻璃鋼是風力機槳葉常用的材料，在設計時，采用PEEK的，槳葉總量輕，自啟動效果好。我們借鑒了日本洋流發電系統的槳葉設計方案。選擇葉片數量為3的槳葉。

葉片受到的力分為兩部分：與速度平行的分量Fd為阻力，與速度垂直的分量Fl為升力。經過仿真軟件分析后，可以得到升力系數的峰值在攻角為15°時達到。其中升力系數為1.2，阻力系數為0.2。

參考文獻：

[1]張永剛.軍事海洋學概論[M].海潮出版社，2005.

[2]王光源.海洋軍事地理[M].海軍航空工程學院，2008.

[3][丹麥] Martin O.L.Hansen，肖勁松.風力機空氣動力學[M].中國電力出版社，2009.

[4]馬文蔚，斛希頓.物理學（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2007.