流體致旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)微型發(fā)電系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

陳嘉偉,楊 慕，倪其軍

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，無(wú)錫 214082；2.中國(guó)長(zhǎng)城工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100054)

流體致旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)微型發(fā)電系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

陳嘉偉1,楊 慕2，倪其軍1

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，無(wú)錫 214082；2.中國(guó)長(zhǎng)城工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100054)

以海洋流致旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)微型發(fā)電系統(tǒng)為對(duì)象，利用CFD軟件對(duì)海流能發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件的力學(xué)性能、發(fā)電機(jī)的電磁性能實(shí)現(xiàn)了仿真設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)模擬。在模擬水輪在水流沖擊下的運(yùn)動(dòng)時(shí)使用了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法，得到了水輪轉(zhuǎn)速與輸出功率的關(guān)系，為發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。利用磁宏得到所建路徑上的齒磁通，從而求出了發(fā)電機(jī)的空載電壓，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)、提高發(fā)電效率提供了直觀的依據(jù)。

CFD；動(dòng)坐標(biāo)法；齒磁通；磁宏

現(xiàn)代清潔能源的研究如火如荼，海流能是一種清潔能源，且洋流能與其他清潔能源相比能量密度更大，英國(guó)目前在洋流發(fā)電技術(shù)上處于世界領(lǐng)先地位，2003年MCT聯(lián)合多家公司研制的“世界首臺(tái)稱(chēng)為商業(yè)規(guī)模的水平軸式潮流發(fā)電裝置”，安裝在英國(guó)布里斯托爾海峽進(jìn)行試驗(yàn)，裝機(jī)容量300KW，其改進(jìn)型裝置目前正在研制中[1]。

2007年，美國(guó)Verdant Power公司在紐約東海岸建成6臺(tái)35kW的機(jī)組，并計(jì)劃將在2020年前完成200至300臺(tái)機(jī)組的水下發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)。由此可見(jiàn)，水下風(fēng)車(chē)將逐步成為大規(guī)模利用海流發(fā)電的有效途徑之一[2]。

在國(guó)內(nèi)，東北師范大學(xué)在2005年主持并完成了由國(guó)家“863 計(jì)劃”課題“海洋水下儀器能源補(bǔ)充技術(shù)”，主要是通過(guò)海流能發(fā)電裝置給水下儀器提供能源[3]。浙江大學(xué)在2007年研制出額定功率為5KW 的的水下風(fēng)車(chē)海流能發(fā)電機(jī)模型樣機(jī)[4]。

本文設(shè)計(jì)一種可利用洋流能發(fā)電的微型發(fā)電機(jī)，并對(duì)此流體旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的微型發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真研究，為洋流能的開(kāi)發(fā)利用提供一種可行方案。該洋流發(fā)電機(jī)體積小，維護(hù)簡(jiǎn)單，可以用于為海上浮標(biāo)供電，也可以安裝在海上平臺(tái)的周?chē)Ｓ颍瑸楹Ｉ掀脚_(tái)供應(yīng)電能，為海上設(shè)備提供綠色電能。

1 整體方案的設(shè)計(jì)

1.1 導(dǎo)流罩的設(shè)計(jì)和仿真

洋流的流速平均約為0.5m/s，為了提高海流的能量密度，需要添加導(dǎo)流罩將海水加速，設(shè)計(jì)的導(dǎo)流罩2D如圖1所示。在 2D 情況下，入口為 0.5m/s 時(shí)，可以將來(lái)流提高到 1.0m/s 左右，推出在 3D 中模型中，使用該導(dǎo)流罩可以將流速提高到約 2m/s。

圖1 2D導(dǎo)流罩模型水流速度分布圖

1.2 發(fā)電機(jī)的模型設(shè)計(jì)

在海水中線圈繞組需要很好的密封，為此采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)法，將永磁磁極固定在轉(zhuǎn)子周?chē)€圈繞組(定子)密封好套在導(dǎo)流罩上如下圖2所示。

圖3 整體發(fā)電機(jī)組模型示意圖

為了提高水能利用效率，可以將多個(gè)發(fā)電機(jī)組放在同一導(dǎo)流罩中，并配以固定墩、升降筒和導(dǎo)向尾翼，如圖3所示。該方案主要的特點(diǎn)是葉輪帶動(dòng)磁極旋轉(zhuǎn)，線圈繞組密封在導(dǎo)流罩周?chē)瑳](méi)有電刷，避免了有刷發(fā)電機(jī)可靠性差、易產(chǎn)生火花、維修頻繁的缺點(diǎn)，適合在海下復(fù)雜的環(huán)境下工作。導(dǎo)向尾翼使導(dǎo)流罩總是迎著海流流入方向，升降筒使發(fā)電機(jī)能夠露出海面，便于維修或收集發(fā)電機(jī)生產(chǎn)的氫、氨、甲醇等。

1.3 槳葉的設(shè)計(jì)

因?yàn)楹Ａ髁魉佥^慢，一般流速在0.9km/h-2.5km/h，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，在設(shè)計(jì)翼型時(shí)，假設(shè)海流速度為0.5m/s。因?yàn)榱魉佥^低，故選擇翼型厚度較小的NACA6306翼型[5]。在設(shè)計(jì)翼型輪廓時(shí)使用了Profili軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，軟件可以生成NACA6306翼型在不同雷諾數(shù)下攻角與升阻比的關(guān)系。

當(dāng)流體速度為0.5m/s時(shí)，雷諾數(shù)Re大致在600000左右，可以得出該翼型獲得最大升阻比( Cl/Cd 最大)時(shí)，攻角α=8.0°。當(dāng)槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)，相對(duì)速度決定了，槳葉的安裝角要大于這個(gè)值，在此取經(jīng)驗(yàn)值15°。為了提高水輪的海流能利用效率，應(yīng)該提高水輪的實(shí)度(即槳葉的軸向投影占投影面的比例),故采用6個(gè)槳葉。

2 對(duì)槳葉的動(dòng)態(tài)仿真

2.1 仿真設(shè)計(jì)及模型建立

本設(shè)計(jì)的翼型結(jié)構(gòu)利用Gambit中的Turbo工具欄進(jìn)行建模和劃分網(wǎng)格，在Fluent分析中為了模擬水流和葉片的相互作用，采用動(dòng)坐標(biāo)法。所謂動(dòng)坐標(biāo)法，就是賦予流場(chǎng)一定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，此時(shí)定義葉片、輪轂的速度為零(在絕對(duì)坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)速和流場(chǎng)轉(zhuǎn)速相同)，然后得出在一定速度來(lái)流環(huán)境下的扭矩，根據(jù)式1可以得到水輪的機(jī)械功率，然后根據(jù)獲得最大機(jī)械功率處的參數(shù)來(lái)作為設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)的依據(jù)[6-7]。

P=M*ω

(1)

其中：M為水輪扭矩，ω為水輪的角速度。

在本文的數(shù)值模擬中，流動(dòng)采用非定常RANS(雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程)方程模擬；選擇SSTk-ω湍流模型，封閉RANS方程。

控制方程包括：連續(xù)性方程、RANS 方程、湍流模型SST 方程、Level-set方程。

(1) 連續(xù)性方程

(2)

(2)RANS方程

(3)

(3) SSTk-ω湍流模型

SSTk-ω模型是在標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)。本質(zhì)上，SSTk-ω模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ω和k-ε的混合模型，從邊界層內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)k-ω到邊界層外部的高雷諾數(shù)的k-ε逐漸轉(zhuǎn)變；SSTk-ω合并了來(lái)源于ω方程中的交叉擴(kuò)散，且它的湍流黏度考慮到了湍流剪應(yīng)力的傳播，修改了湍流黏性公式。這些改進(jìn)使得SSTk-ω比標(biāo)準(zhǔn)k-ω在廣泛的流動(dòng)領(lǐng)域中有更高的精度和可信度。湍流動(dòng)能k方程：

(4)

特殊耗散率ω方程：

(5)

式中Tk,Γω為k和ω的擴(kuò)散系數(shù)，Gk,Gω為湍流產(chǎn)生項(xiàng)，Yk,Yω為湍流耗散項(xiàng)。

因?yàn)楹Ａ魉俣容^慢，所以采用導(dǎo)流罩來(lái)增大流過(guò)水輪的海流速度，經(jīng)模擬可以獲得流速為 2m/s 的流速。采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)法，在 2m/s 的來(lái)流條件下，依次求解轉(zhuǎn)速為 0rad/s、0.5rad/s、1rad/s、2rad/s、2.5rad/s、3ad/s、4rad/s、5rad/s、6rad/s、8rad/s、10rad/s、12rad/s、14rad/s的情況下水輪的轉(zhuǎn)矩大小。

2.2 仿真結(jié)果分析

表1是模擬所得的水輪在不同轉(zhuǎn)速時(shí)輸出的轉(zhuǎn)矩和功率數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)得出該水輪在 2m/s 的水流中最大轉(zhuǎn)速在 5rad/s 左右，而當(dāng)水輪轉(zhuǎn)速超過(guò)6rad/s時(shí)，水輪對(duì)水有推動(dòng)作用，這與事實(shí)不符，所以超過(guò)6rad/s時(shí)的數(shù)據(jù)為無(wú)效數(shù)據(jù)。在Matlab中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合、插值得到圖4，通過(guò)圖4可知在轉(zhuǎn)速為2.7rad/s 時(shí)，該水輪有最大能量轉(zhuǎn)化效率，此時(shí)功率約為39.36W，并通過(guò)Fluent 中Turbo分析工具可以得到此時(shí)的效率約為48%。

表1 在2m/s來(lái)流中水輪轉(zhuǎn)速與輸出的轉(zhuǎn)矩、功率

圖4 水輪轉(zhuǎn)速與輸出功率的關(guān)系圖

3 發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和仿真

3.1 發(fā)電機(jī)仿真方案設(shè)計(jì)

本文采用二維場(chǎng)模擬實(shí)際磁場(chǎng)，采用MSK國(guó)際單位制和笛卡爾直角坐標(biāo)系，并假設(shè)不計(jì)交變電流在導(dǎo)電材料中的渦流反應(yīng)，忽略轉(zhuǎn)配誤差，假定材料的磁導(dǎo)率是各項(xiàng)同性的。發(fā)電機(jī)二維模型圖如圖2所示：該發(fā)電機(jī)模型共4對(duì)磁極，24個(gè)線圈槽，所以定子上每個(gè)齒的夾角為15度。線圈槽形狀采用簡(jiǎn)單的矩形直槽，縱向長(zhǎng)度為100mm，定子最大直徑為110mm，轉(zhuǎn)子上有永磁磁極[8]。

該發(fā)電機(jī)模型可以只分析其1/4周期內(nèi)各個(gè)齒的磁通量，為了求得齒磁通隨轉(zhuǎn)子的位置變化關(guān)系，將一個(gè)定子齒距分為10等份，每一段對(duì)應(yīng)的機(jī)械轉(zhuǎn)角為1.5°。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)1.5°，計(jì)算此時(shí)的磁場(chǎng)，得到1/4周期內(nèi)六個(gè)齒各自的磁通量。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)定子齒距，即10個(gè)位置之后，得到6個(gè)齒在11個(gè)不同位置的齒磁通，可以表示為向量的形式：Φj=[Φj0,Φj1,Φj2…Φj10]，其中j為齒的序號(hào)(j=1,2,3…6)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距后，下一個(gè)齒會(huì)重復(fù)上一個(gè)齒的行程，使磁通量呈周期性變化[9]。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可由下式得到：

e=-dΦ/dt=-dΦ/dθ·θ/dt

=-ω·(dΦ/dθ)

(6)

式中ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，單位為rad/s，Φ為磁通量，單位為Wb/m。

得到轉(zhuǎn)子處于不同位置的齒磁通量后，繞組電動(dòng)勢(shì)的第j個(gè)元素，即第j個(gè)位置的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可由下式計(jì)算：

ej=-w·(Φj+1-Φj)/(θj+1-θj)

(7)

假設(shè)發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)的加速度w=2.5rad/s，發(fā)電機(jī)的軸向長(zhǎng)度取 0.1m，對(duì)于該模型式子可以記作：

ej=-2.5*1.5*0.1*(Φj+1-Φj)

=-0.375*(Φj+1-Φj)

(8)

3.2 仿真結(jié)果分析

圖5是在1/4圈即1個(gè)周期內(nèi)，齒1到齒6在θ=0°位置的氣隙磁通量大小變化曲線。從這組氣隙變化圖可以看出，齒1和齒4、齒 2 和齒5、齒3和齒6的磁通量分布對(duì)稱(chēng)，變化趨勢(shì)恰好相反，所以它們的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小相同、符號(hào)相反，可以用繞組將其連接在一起，使整個(gè)發(fā)電機(jī)構(gòu)成三相交流電輸出。

圖6a是六個(gè)齒單匝繞組的空載電壓隨時(shí)間變化曲線，從圖中可以看出電壓波動(dòng)比較大。但是在實(shí)際中發(fā)電機(jī)繞組線圈有電感，以及后續(xù)的濾波整流電路的作用可以使電壓呈光順規(guī)律的變化。本文通過(guò)Matlab的擬合命令，對(duì)曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合處理，結(jié)果如圖6b所示，為多項(xiàng)式擬合的 1/4 周期內(nèi)六個(gè)齒繞組電壓變化曲線。該曲線為時(shí)間和電壓以五次多項(xiàng)式擬合和插值的曲線，從中可以看出，在一個(gè)完整周期內(nèi)，曲線近似呈三角函數(shù)變化，且齒1和齒4、齒2和齒5、齒3和齒6的圖線恰好相反，因此可以用三角函數(shù)表示出齒1、齒 2、齒3的變化規(guī)律，就可以知道發(fā)電機(jī)所有齒繞組的電壓變化規(guī)律了，在此采用利用特殊點(diǎn)來(lái)推出三角函數(shù)。下面以繞組2為例，說(shuō)明找出電壓變化的三角函數(shù)關(guān)系式過(guò)程。

圖5 θ=0°時(shí)齒1至齒6間的氣隙磁通量大小變化圖

如圖7所示，在齒繞組2的多項(xiàng)式擬合電壓變化曲線上選取的四個(gè)特殊點(diǎn)，由圖所示的四個(gè)捕捉點(diǎn)可知T=0.658s-0.017s=0.631s，w=2π/T≈ 9.96rad/s，振幅A=(1.52+1.55)/2=1.535,可以得到此繞組電壓的三角函數(shù)近似為：

U2=1.535sin(9.96t-0.17)

繞組2電壓變化的多項(xiàng)式擬合曲線與三角函數(shù)擬合曲線可以看出兩者誤差不大，近似性較好。那么齒4的空載電動(dòng)勢(shì)可記作：

U3=-1.535sin(9.96t-0.17)

由發(fā)電機(jī)原理和結(jié)構(gòu)可以得知U1、U3的周期同U2相同，同理，按照相同方法可以分別得到齒2、齒3的空載電動(dòng)勢(shì)函數(shù)。

圖7 繞組2電壓變化的多項(xiàng)式擬合曲線與三角函數(shù)擬合曲線

在整個(gè)發(fā)電機(jī)中將其他周期里與繞組1，繞組 4 的變化規(guī)律相同的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相電，其他兩對(duì)亦是如此連接，這樣發(fā)電機(jī)輸出的三相空載電壓函數(shù)為：

4 結(jié)論

(1)槳葉是海流能發(fā)電機(jī)最關(guān)鍵的部件之一，本設(shè)計(jì)根據(jù)海流流速設(shè)計(jì)了一個(gè)扭轉(zhuǎn)角為 75 度、葉片數(shù)為6的水輪，在 Fluent 中模擬了該水輪在 2m/s 的來(lái)流下，輸出扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

(2)利用Ansys模擬了發(fā)電機(jī)在2.5rad/s的轉(zhuǎn)速下空載電壓特性，得到了此設(shè)計(jì)的三相空載電壓函數(shù)。發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的氣隙對(duì)磁路影響很大，氣隙越小漏磁越少，但是在實(shí)際環(huán)境下應(yīng)考慮，防止雜物阻塞氣隙，此外本設(shè)計(jì)中的發(fā)電機(jī)的極槽配合還不太理想，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，這不利于發(fā)電機(jī)正常工作，因此發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化。

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(責(zé)任編輯 趙冰)

A Simulation Design of the Minisize Power Generation System whose Magnetic Field is rotated by Fluid

CHEN Jia-wei1, YANG Mu2,Ni Qi-jun1

(1.China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China； 2.China Great Wall Industry Corporation, Beijing 10054, China)

This paper chooses the minisize power generation system as object, doing the simulation design and dynamic simulation on the key mechanical component’s properties and the electromagnetic properties of ocean current energy generator with computational fluid dynamics (CFD). Using the rotating coordinate system in a simulated water wheel in the water under the impact of the movement, it is easy to find that the relationship between water wheel rotational speed and output power that providing a basis for the design of the generator. Use the magnetic macro built on the path of magnetic; the paper gets the generator’s no-load voltage. The result provides an intuitive basis on optimizing the design generator and enhancing its power generation efficiency.

moving coordinate method; CFD; tooth flux; magnetic macro

2017-02-03

陳嘉偉(1990—)，男，江蘇無(wú)錫人，碩士，中國(guó)船舶科學(xué)研究中心工程師，主要從事船舶與海洋工程設(shè)計(jì)、計(jì)算流體力學(xué)能等方面的研究。

10.13783/j.cnki.cn41-1275/g4.2017.02.028

TM612

A

1008-3715(2017)02-0124-05