簡介“一種錨系漂浮式海浪能發電裝置”的構想

任秋魁，任 琦，張 敏

（西安帆布廠，陜西 西安 710001）

新能源的開發與應用是人們一個永久探討的話題，而海洋可再生能源的開發與利用，更是沿海地區及海島區域獲取清潔能源優先考慮選擇研發應用的重要途徑。當前海洋能的開發與應用已有很多方案被研發、實施、應用，并且獲得了良好的效益。

在了解認知已有的多種海洋能發電裝置的開發、應用的大環境中，本文在此提出“一種錨系漂浮式海浪能發電裝置”的構想。

海洋能的開發與應用是一項需要多部門、跨學科協作的綜合項目，它包括能量吸收、轉換（獲取動力）、發電、電力變換等問題。基本研究問題有資源分布、功率特性、能量俘獲、轉換過程、儲存與利用等。它涉及海洋工程、流體力學、工程力學、機械工程、電力工程、控制工程以及環境科學等多種學科領域。

本文簡介“一種錨系漂浮式波浪能發電裝置”的構想，以能源收集、機械能轉換為中心闡述。在結構組合上，提出了一種構想，為海洋能源的開發與利用提供一些參考。

1 “一種錨系漂浮式海浪能發電裝置”的構想

本文提出“一種錨系漂浮式海浪能發電裝置”的構想，它是以波浪（動）能為主要動力源，通過旋翼浮力槳花鍵豎軸式海水輪機（以下簡稱“海水輪機”）變速系統及發電機等組成的發電機組，以錨系漂浮平臺為基座，從而進行發電的裝置?！耙环N錨系漂浮式海浪能發電裝置”示意圖如圖1 所示。它由旋翼浮力槳花鍵豎軸式海水輪機、變速系統、發電機、漂浮平臺、錨固系統等部分組成。

圖1 錨系漂浮式海浪能發電裝置示意圖

1.1 海水輪機

在本結構中，使用的是“旋翼浮力槳花鍵豎軸式海水輪機”。它是以海浪（海流）的動能沖力為主要自然動力源，風、潮、涌兼蓄。以海水浮力為依托而設計的海洋能收集轉換設備的專利產品。它具有轉速低、質量大、推力大，從而形成大功率轉矩的特點。它以固定豎軸為著力點，以具有浮力及特定結構要求設計的漂浮在海面上的旋翼浮力槳組合件，作為海浪動能的收集承力面，在海浪動能的作用下，通過套在固定豎軸上的空心花鍵豎軸系統形成轉動，從而輸出轉動力矩，為發電系統提供動力（注：該海水輪機還可以作為水泵系統的動力源）。

由于“旋翼浮力槳花鍵豎軸式海水輪機”是本發電裝置中收集轉換海浪能的關鍵單元機，因此將該單元機的基本原理及結構簡述如下。

1.1.1 旋翼槳框、葉的原理結構及作用

如圖2 所示，它是一個以立柱為軸，可以形成轉動的由剛性槳框及槳葉組成的轉動結構機械。在波浪波速的推動下，由于槳葉運轉在不同位置時的空間姿態不同，因此受力也不相同，從而形成動力差導致形成不平衡轉動。

圖2 旋翼槳框、葉的原理結構及作用示意圖

1 葉面、2 葉面在所處位置所受的力分別為：F=··S·，F=··S·sin·，F＞F，其中，為系數（效率），為比重（水的密度），S和S分別為1 葉面、2 葉面的面積，為波速，為旋翼槳葉傾斜時與水平面的夾角。

1.1.2 旋翼浮力槳原理結構及作用

旋翼浮力槳原理結構及作用示意圖如圖3 所示，在這里把加裝了浮筒的旋翼槳稱為旋翼浮力槳，而浮筒的幾何形狀，可依據產品設計需求設計為多樣式多形狀的幾何形體。它的作用在于使旋翼浮力槳組合件始終漂浮在海平面的適當位置，進而收集轉換波浪能為機械能。

圖3 旋翼浮力槳原理結構及作用示意圖

1.1.3 設例說明

設已知條件均在理想狀態下，且需專業評審。

設：一旋翼浮力槳花鍵豎軸海水輪機，葉輪直徑=30 m，可計算槳葉面積=10 m，即為一長10 m、寬1 m 的長方形槳葉；計算力矩半徑=10 m，效率系數=0.3；安裝環境符合運行條件波高為0.5 m，波速≈0.3 m/s。

試用常規算法，求輸出端輸出扭矩的值。

式（1）中：為扭矩，kg·m；為效率系數；為海水密度，kg/m；為面積，m；為波速，m/s；為力矩半徑，m。

結果：輸出端扭矩=2 700 kg·m。

注：該可與變速系統及載荷進行總體再計算。

1.1.4 旋翼浮力槳花鍵豎軸式海水輪機原理結構及作用

旋翼浮力槳花鍵豎軸式海水輪機原理結構示意圖如圖4 所示，其由立柱基座、旋翼浮力槳組合件、花鍵軸機構等幾部分組成，作用在于收集波浪能動能部分將其轉換為旋轉的機械能供載荷運轉。

圖4 旋翼浮力槳花鍵豎軸式海水輪機原理結構示意圖

立柱及基座：固定連接在一起的立柱及基座固定在漂浮平臺上，起著支架及著力點的作用，從而使旋翼浮力槳組合件和花鍵軸機構聯動，在波浪力的作用下能形成環繞立柱的轉動。

旋翼浮力槳組合件：以含有槳葉、框架、浮力等元素內容設計的旋翼浮力槳組合件，能以設計要求的空間姿態漂浮在海平面上，收集波浪能的動能部分，能量收集的大小與旋翼浮力槳組合件中槳葉面積的大小、形狀有關，即槳葉面積越大，能量收集效果也越好。該機構也適應波浪能多向性、往復性的特點。

花鍵軸機構：花鍵軸機構為適應波動起伏及潮汐漲落而設計。它能在波動起伏及潮汐漲落變化時，仍能隨動旋翼浮力槳組合件的上下位移，不斷傳遞扭矩。花鍵軸機構由帶吊耳的花鍵軸套及一端帶齒輪的空芯花鍵軸組成，花鍵軸套通過吊耳與旋翼浮力槳組合件相聯接收能量，再通過傳遞由空芯花鍵軸一端的齒輪進行能量輸出，并與變速系統連接進而帶動負載。

1.2 變速系統

由于海水輪機具有低轉速（約幾分鐘1 轉）大扭矩的特性，所以需要通過變速系統將低轉速變換至發電機所需的額定轉速，并且達到與發電機功率所需扭矩的匹配。

1.3 發電機

為了適應海水輪機低轉速、大推力的特性，與低轉速中低功率的水輪發電機配套較相適應，在此基礎上進行雙向協調設計制造，以達到使整體海水輪發電機組協調、安全有效運行的目的。

1.4 漂浮平臺

它是一個滿足設計要求的密閉的浮式平臺，由錨鏈系統系留在一定海深的設計位置中，在懸浮的固定空間位置上，起到承載海水輪發電機組安全運行的作用，保證海水輪發電機組的質量及在運行狀態下力學變化時的整體穩定性。

1.5 錨固系統

錨固系統即依據海水輪發電機組的功率要求及安裝地的環境狀況，所設計生產一套滿足設計要求的錨鏈、錨固系統。

2 裝置特點

這一裝置特點如下：①由特定結構設計的（葉輪）旋翼浮力槳組合件，在海浪作用下，形成了能滿足設計功率要求的平面轉動；②依托浮力大大減輕了旋翼浮力槳組合件（即葉輪）對主機架的正壓力；③由于是平面轉動，而且以浮力為依托，因此旋翼浮力槳組合件（即葉輪）可以進行大直徑重噸位設計；④依據實際功率需求，可以設計生產功率大小不一的多級產品；⑤旋翼浮力槳花鍵豎軸式海水輪發電機組在淺?？梢砸劳泄潭ɑ鶚镀脚_，在深?？梢耘c錨系式漂浮平臺作為工作基面，形成不同的組合，從而保證滿足發電機組的正常運轉。

3 結束語

由于海洋可再生能源的開發與利用是一個需要多部門、跨學科協作的綜合項目，本項目研發小組在有限學科、有限學域的基礎上，結合已認知的海洋可再生能源項目的相關指導，提出了“一種錨系漂浮式海浪能發電裝置”的構想，在進一步經過專業理論的鑒定及實踐的檢驗中，為海洋可再生能源的開發與利用提供參考與借鑒。