淺析一種固定基樁式海浪沖擊旋翼型浮力槳發電裝置

西安帆布廠技術科 ■ 任秋魁 任琦 張敏 任瑋

0 引言

新能源的開發與利用是一個永久性課題，而海洋能的開發與利用是其中一個重要課題。對于海洋能的開發與應用，目前已有很多方案被提出并應用，而且取得了良好的收益[1-3]。

我國擁有超過18000 km的海岸線，海洋能資源豐富，還有幾千座大小不一的海島，海島周圍也能生成海風、海浪、潮汐流、海流等海洋能。相關部門在海域管理、海洋水文觀測、海底地質勘測等方面都有系統的制度及系統的觀測資料，還有相關的海洋工程建設隊伍及相關的裝備制造業基礎[4-6]。依托這些已有的條件，本文提出了一種適應淺海區域的簡單的“固定基樁式海浪沖擊旋翼型浮力槳發電裝置”(該設計已獲得實用新型專利，專利號：201320308792X，下文簡稱“發電裝置”)，根據該發電裝置設計制作了簡單的小型原理模型，并在微波、弱流、無浪3種發電極為不利的河域進行了試驗測試，驗證了其發電性能。以便于為相關部門研發海上發電裝置提供選型及參考。

1 發電裝置的基本原理

在電視節目中，關注天氣預報時，我們時常會看到測量風速風向的碗式風速儀。它的測速元件是幾只固定在一個旋轉支架上的半球型碗式元件，元件受到風力作用而旋轉，并可適應風向的變化。若將碗式風速儀中的旋轉機構加以改造，就可使其成為一種能量收集裝置。

設想的改造方式為：在碗式風速儀旋轉機構的基礎上，將迎風元件的面積擴大，其旋轉力矩也會隨之增大；再將迎風葉片設計成一種單向閥型的活瓣機構，以中心軸為界，在同向氣流作用下，兩邊將產生較大的受力差，從而獲得大到可以利用的旋轉力矩；然后加裝浮力裝置，使所設計裝置可漂浮在水面上；最后加入能使該裝置轉動的裝置，并在中心軸上做一定尺度的上下移動的設計，使其可以在液面變化的水體中進行上下浮動。對改造后的裝置進行適用性調整，即可在不同的流體環境中獲得可用的轉動力矩。

依據上述思路可設計出旋翼浮力槳組合件。在迎流面時，以中心立柱為軸心，在半徑方向上，當旋翼浮力槳一側受力時，其為閉合狀態，可收集海浪能；當旋翼浮力槳轉向另一側時，其為開啟狀態，以減少海浪能的收集，從而形成動力差，得到旋轉扭矩；再通過花鍵軸機構及齒輪傳動系統輸出旋轉扭矩，以達到輸出扭力矩的目的。旋翼浮力槳組合件和一端帶齒輪的花鍵軸機構通過齒輪轉動，再通過變速系統帶動發電機發電，組合后的裝置能隨著潮汐的變化，浮停在海平面收集海浪能。從而形成了“固定基樁式海浪沖擊旋翼型浮力槳發電裝置”。

2 發電裝置的基本結構

2.1 主體框架

發電裝置主要由發電機、變速機構、花鍵軸機構、旋翼浮力槳組合件、中心立柱及基樁等構成，如圖1所示。

圖1 發電裝置的結構示意圖

1)發電機。可根據設計要求選用相應型號的發電機。

2)變速機構。其輸入端與花鍵軸一端的齒輪相連結，輸出端與發電機相連結。主要功能是將旋翼浮力槳所生成的低轉速輸出通過變速系統達到發電機額定功率所需的轉速與輸入扭矩。

3)工作臺。承載發電機、變速箱及輔件。

4)花鍵軸機構。由一端帶齒輪的空心花鍵軸及套在其外面的花鍵軸套組成。花鍵軸主要承擔扭矩的傳遞，可在中心立柱上自由轉動，但不能上下移動。花鍵軸套可在花鍵軸上上下移動，其外端連結旋翼浮力槳組合件，由于浮力作用，在潮位變化時，軸套連同旋翼浮力槳組合件漂浮在海平面的適當位置。

5)旋翼浮力槳組合件。其由上旋翼、中浮翼、下浮翼、端蓋、檔桿、軸承、軸承座及加強支撐筋架組成；能夠以設計要求的姿態浮停在水面適當位置收集動能，在海浪沖擊力的作用下轉動，以傳遞扭力矩；可以依據實際情況，按不同的結構形式及控制模式對其進行設計。

6)固定中心立柱。其為發電裝置的中心固定軸，安裝在牢固的基礎上，以保證發電設備的穩定運行。

7)基樁。其筑造在海底的地基基礎平臺上，用于保證安裝在其上面的設備能長期平穩安全地運行。

該發電裝置的優勢在于：①由于旋翼浮力槳組合件依托浮力的作用，在進行總體的結構強度設計時，減少了需要考慮的因素。②可根據所需功率及安裝地的環境條件，設計大小各異的、滿足動力負荷要求的旋翼浮力槳組合件。③在浮力的支撐作用下，旋翼的迎流面面積可以設計的很大、重量很重，以便更多地收集波浪能中的動能。這是由于旋翼浮力槳大而重，在轉動過程中，雖然轉速低，但仍會產生較大的慣性轉動力矩。④旋翼浮力槳組合件與花鍵軸相結合，對于海洋能的適應性強、收集面廣，也就是說，其能收集到波浪能、潮汐能中的動能和潮流能，以及微浪弱流能。⑤發電裝置對于所收集到的能量的轉換效率較高，運行相對平穩。⑥發電裝置的結構設計使其具有自適應能量流向的功能。

該發電裝置的機械結構及其工作時所產生的輸出力矩應與發電機所需的額定功率及額定轉速時的輸入力矩相耦合。

歐陽修致力于收集古金石拓本，積至千卷，又將其為拓本所作題跋匯集，編為《集古錄》(亦稱《集古錄跋尾》)一書，其子歐陽棐又編次其目，成《集古錄目》。從內容上講，這兩本書顯然各有不同，一則近于文章評論與史學考證，一則為專門目錄；但從文獻形態而言，二者皆以書籍的面目出現并傳世。對朱熹來說，這些“古金石”的吸引力不僅來自其作為古物的一面，更是來自其作為文本或文獻的一面，他更看重的是其“古金石文字”的屬性。他將歐、趙二書進行比較，指出《金石錄》“銓序益條理，考證益精博”，也著眼于其書籍與文獻的屬性，而無關于古物的收藏。從這一段話中也可以看出，在朱子看來，金石學與書籍及文獻都有密切的關系。

2.2 旋翼浮力槳組合件的基本結構

旋翼浮力槳組合件的基本結構示意圖如圖2所示。1)端蓋與中浮翼、連接端蓋焊接在一起，主要起到支撐及使組合件漂浮的作用；2)上旋翼主要承受海風、海浪的沖擊力；3)在旋翼長度較長時，每隔3～5 m，加裝加強筋支撐架；4)軸承架主要是支撐上旋翼及下浮翼，使它們能在設計范圍內擺動；5)連接端蓋將旋翼浮力槳組合件通過芯軸與花鍵軸套連接在一起；6)中浮翼起到使旋翼浮力槳組合件漂浮的作用；7)上檔桿與下檔桿均起到限位的作用；8)下浮翼具有一定的浮力，主要承受潮涌產生的沖擊力。

圖2 旋翼浮力槳組合件的結構示意圖與剖面圖

圖3 旋翼浮力槳組合件迎流面在幾種典型海況下的位置示意圖

圖3為旋翼浮力槳組合件迎流面在幾種典型海況下的位置示意圖。

由圖3可以看出，旋翼浮力槳組合件在海平面上能起到收集波浪能、潮汐能和潮流能的作用。

3 裝置模型模擬

本文根據所述裝置結構設計制作了簡單的小型原理模型，并在微波、弱流、無浪等發電極為不利的河域進行了試驗模擬，結果發現該模型可正常漂浮、旋轉，且能發出微弱的電力。由此可知，該裝置在風浪較大的近岸淺海、迎風朝浪的區域同樣可以漂浮、旋轉且正常發電。

該發電裝置可較好的適應波浪能無規則、多向性、往復運動的特點，并在適應潮汐變化時，達到連續輸出扭力矩的要求；能適應波浪能的勢能變化而收集其動能，也具有適應潮汐能的勢能變化而收集潮汐能及其動能的功能，為海島缺電地域提供了利用海浪能建立微電網供電的可能性；并且在適宜的海況下，有望實現百千瓦乃至萬千瓦級單臺海浪能發電機組的有效運行。

該發電裝置適合安裝在近岸淺海、迎風朝浪的區域，在微浪至中浪區間運行。若在大浪及以上海況下運行時，需采用安全防護措施。

4 計算

1)本文提出的發電裝置的動力來源主要是波浪能的動能、潮汐能的動能，以及潮流能，通過機械機構帶動發電機發電，因此，需利用扭矩及轉速進行力的傳遞與銜接。能量轉換主要是依據發電裝置所在海域海浪水平方向的流速v[5]、發電機所需的輸入扭矩M電及轉速n進行計算得到。

M機還可表示為：

式中，M合為旋翼浮力槳在閉合狀態下產生的動力矩；M開為旋翼浮力槳在開啟狀態下產生的阻力矩；mG為旋翼浮力槳的總重量；L為旋翼浮力槳的力矩半徑。

M合可表示為：

式中，α為效率系數；ρ為海水密度；s為旋翼浮力槳的迎流面面積。

M開可表示為：

式中，A為上旋翼與海平面的夾角。

2)慣性力：旋翼浮力槳組合件的體積大、重量重，要考慮其自身剛體旋轉時由慣性所產生的力。以海水為依托漂浮在海面，其在轉動時會產生慣性力F慣及慣性力矩M慣。二者關系式為：

F慣可表示為：

3)浮力：旋翼浮力槳組合件在海平面會受到浮力的作用，其所需浮力F浮可表示為：

式中，V3為旋翼浮力槳組合件漂浮所需的浮動空間。

則V3可表示為：

綜上，可依據上述計算對發電裝置進行綜合考慮設計。

5 結論

本文提出了一種固定基樁式海浪沖擊旋翼型浮力槳發電裝置，通過建立簡單的小型原理模型，并在微波、弱流、無浪3種發電狀況極為不利的河域中進行了試驗測試，試驗結果顯示該模型轉動部分轉動平穩，可輸出轉動力矩，帶動發電機轉動。

該發電裝置為海浪能富集區域提供了一種可供選擇的海浪能轉換裝置，也為海島缺電地域提供了利用海浪能建立微電網供電的可能性，并為海浪能的開發利用提供了一種可供參考利用的新形式。因此，在適宜的海況下，有望實現百千瓦乃至萬千瓦級海浪能發電機組的有效運行。