潮流能發(fā)電裝置在航標(biāo)燈供能中的應(yīng)用與仿真研究

王永鼎，盧好陽，閆繼豪

（1.上海海洋大學(xué)　工程學(xué)院，上?！?01306；2.南京航空航天大學(xué)　機(jī)電學(xué)院，江蘇　南京 210016）

潮流能發(fā)電裝置在航標(biāo)燈供能中的應(yīng)用與仿真研究

王永鼎1，盧好陽1，閆繼豪2

（1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海201306；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

通過對比幾種可再生能源的優(yōu)缺點，提出了一種專供水中航標(biāo)燈使用的垂直軸潮流能發(fā)電裝置。該裝置使用一套上下共軸反置的Savonius葉輪作為捕能裝置。當(dāng)水流流過時，葉輪轉(zhuǎn)動并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。為了提高Savonius葉輪的發(fā)電效率，對葉片進(jìn)行了流體仿真優(yōu)化，得出2葉片Savonius葉輪受到更大阻力和轉(zhuǎn)矩的結(jié)論。最后設(shè)計了整體結(jié)構(gòu)圖，該裝置安裝在航標(biāo)燈上可以利用潮流、水流進(jìn)行發(fā)電，以實現(xiàn)航標(biāo)燈對電能需求的自給自足。

航標(biāo)燈；潮流能發(fā)電；仿真分析

航標(biāo)燈對于河運(yùn)和海運(yùn)安全具有非常重要的作用。我國內(nèi)河及沿海布置有許多中小型航標(biāo)燈，目前它們大都由干電池、鉛酸蓄電池或空氣電池供電。雖然能夠滿足航標(biāo)燈的正常工作，但是電池電壓穩(wěn)定性比較差、能量利用效率較低，并且使用周期短、調(diào)換困難、費用高昂。隨著新能源發(fā)電技術(shù)的逐步發(fā)展，各種利用風(fēng)能、太陽能、海洋能等新能源作為電源的新型航標(biāo)燈不斷問世[1]，為航標(biāo)燈技術(shù)的開發(fā)與利用揭開了嶄新的一頁。

1　潮流能發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢

潮流能發(fā)電裝置應(yīng)用于航標(biāo)燈供電是開發(fā)海洋新能源的一項實際應(yīng)用。之前使用的航標(biāo)燈耗能高、成本高、易損壞、維護(hù)成本高。在新能源技術(shù)領(lǐng)域，利用太陽能發(fā)電的航標(biāo)燈雖然具備無噪聲、無污染、可再生等優(yōu)點；但它的缺點在于太陽能電池板容易遭到外界因素（如雷擊、電位反擊、鳥糞等）的破壞和污染，以及極端環(huán)境（如陰雨天、結(jié)冰等）下都會導(dǎo)致其性能降低、輸出功率不穩(wěn)定，并且夜間無法工作。此外還存在一些技術(shù)障礙，如高緯度地區(qū)陣列尺寸問題等[2]。而對于應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電的航標(biāo)燈，為了提高風(fēng)能利用率，很多都建立在離岸離網(wǎng)的海島或航道上，工作環(huán)境非常惡劣，維護(hù)起來非常困難，而且風(fēng)力發(fā)電機(jī)在安裝前需要考慮應(yīng)用場所的地理環(huán)境和氣象資料，這些客觀因素都限制了風(fēng)力發(fā)電機(jī)在航標(biāo)燈上的推廣。

利用潮流能發(fā)電的航標(biāo)燈具有諸多優(yōu)點。首先，潮流能分布廣且總量巨大，航標(biāo)燈放置的地方往往都是水流速度較快的航道水域，收集能量非常方便；其次，潮流能利用裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低；第三，潮流發(fā)電裝置的性能受海況和氣候影響較小，在黑暗以及惡劣海況下仍可正常工作，性能穩(wěn)定，維護(hù)周期大大縮短。通過以上對比分析可知，在目前的航標(biāo)燈能源中，潮流能發(fā)電具有其他可再生能源所不具有的眾多優(yōu)勢。

2　應(yīng)用于航標(biāo)燈的潮流能發(fā)電裝置

2.1潮流能發(fā)電裝置機(jī)型的選擇

潮流能發(fā)電裝置根據(jù)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式的不同，分為水平軸式、垂直軸式?，F(xiàn)有技術(shù)中，水平軸潮流能發(fā)電裝置應(yīng)用比較廣泛，水平軸潮流能發(fā)電機(jī)組與當(dāng)前主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)有很大的相似性，所以也常稱為“水下風(fēng)車”[3]。其原理是水平布置的葉輪機(jī)構(gòu)在水流的作用下旋轉(zhuǎn)，通過主軸、傳動系統(tǒng)將能量傳遞給發(fā)電機(jī)，并帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。水平軸潮流能發(fā)電裝置能量利用率較高、自啟動性能好，而缺點是需要不停地調(diào)整方向以保持與潮流方向一致、葉片加工復(fù)雜、機(jī)艙輪轂構(gòu)造安裝不便等。對于體積較小的航標(biāo)燈而言，水平軸的葉片在旋轉(zhuǎn)的時候，水流作用在葉片上的力會形成一個垂直面（水平軸葉片所在的面）上的力矩，極容易讓水中的航標(biāo)燈傾覆，所以水平軸的潮流能裝置不太適合航標(biāo)燈。

在垂直軸潮流能發(fā)電裝置的技術(shù)領(lǐng)域里，大多數(shù)采用直葉片式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種葉片的優(yōu)點在于在多向的潮流環(huán)境中，它不需要尾舵裝置即可正常工作，即無論水流從任何方向而來，只要達(dá)到一定的流速，都可以正常工作[4]；其次機(jī)組的懸置結(jié)構(gòu)使得電氣部分可以置于海（水）面以上，這樣可以給維修及安裝、調(diào)試帶來比較大的便利性。當(dāng)然，這種葉片的自啟動性能比較差，而且葉片在旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)，翼形攻角不斷地發(fā)生變化，使葉片無法一直工作在最佳的翼形攻角處，所以葉輪發(fā)電效率低；最后，葉片位置的周期性變化使得轉(zhuǎn)軸受力也周期性變化，使得機(jī)組振動較大，轉(zhuǎn)軸及軸承工作條件惡劣。

本文提出了一種新型高效、實用可靠的航標(biāo)燈用垂直軸潮流能發(fā)電裝置。

2.2垂直軸潮流能發(fā)電裝置葉片的選擇

Savonius（薩沃紐斯）葉片[5]是20世紀(jì)20年代由芬蘭人薩沃紐斯(Savonius)發(fā)明的一種阻力型垂直軸葉片，由兩個或多個軸線錯開的半圓柱形葉片組成，如圖2所示。作為典型的阻力型葉片，它最突出優(yōu)點就是易于啟動。經(jīng)過優(yōu)化過的Savonius葉片啟動流速已降到1 m/s，而此時大多數(shù)的水平軸葉片和垂直軸直葉片根本無法轉(zhuǎn)動，所以特別適合航標(biāo)燈使用。即便是在水流速度較小的河流、湖泊、海域，該型葉片也可以運(yùn)轉(zhuǎn)自如。

Savonius型葉片有兩個重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，一個是葉片重疊比OL（overlap ratio），一個是葉片高徑比AP（aspect ratio）。

式中：OL是Savonius型葉片平面特性的重要參數(shù)；AP是其立體特性的參數(shù)。參照其他學(xué)者的研究成果[6-7]，本文將Savonius型葉片的OL設(shè)定為OL=0.2。

圖1　垂直軸直葉片

圖2　Savonius葉片模型圖

2.3葉片數(shù)量對Savonius水輪機(jī)影響的仿真分析

本次仿真所用的Savonius葉片的基本參數(shù)如表1所示，物理模型采用Soildworks建模，如圖2所示。

表1　葉片的基本參數(shù)

將三維模型導(dǎo)入前處理軟件Gambit中進(jìn)行仿真前處理，由于三維模型的網(wǎng)格數(shù)量多、計算量大，所以本文對流體計算模型進(jìn)行了簡化，不考慮葉輪部分，只進(jìn)行葉片的FLUENT仿真計算。2～8葉片7種不同的水輪機(jī)葉片如圖3所示。由于本次仿真的目的是分析不同葉片數(shù)量對水輪機(jī)性能的影響，所以在本次仿真中沒有采取劃分靜止域和旋轉(zhuǎn)域的方式，網(wǎng)格的劃分及邊界條件的設(shè)定不再詳細(xì)說明，將水輪機(jī)葉片設(shè)置為固定方式，分別以1 m/s的水流沖擊葉片以分析不同數(shù)量葉片水輪機(jī)的性能，共得到7組仿真結(jié)果。水輪機(jī)葉片兩側(cè)的壓力云圖、湍流強(qiáng)度、速度大小及葉片轉(zhuǎn)矩是分析水輪機(jī)性能的核心因素，仿真采用3D模型進(jìn)行，故需切出一個與旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面以便分析水輪機(jī)性能[8]。圖4～圖6分別反映了在來流速度1 m/s的條件下，2～8葉片在z=0平面下的壓力、湍流強(qiáng)度和速度大小分布云圖。

圖3　2～8葉片三維建模

圖4　2～8葉片的壓力云圖

圖5　2～8葉片的湍流強(qiáng)度分布云圖

圖6　2～8葉片的速度分布云圖

通過對葉片兩側(cè)的壓力分布情況的分析可知，Savonius葉片在第一、三、四象限產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，帶動水輪機(jī)沿逆時針方向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，葉片在第二象限產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，阻礙水輪機(jī)沿逆時針方向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。相比于其他幾種情況，2葉片和3葉片的Savonius水輪機(jī)的壓力梯度分布在更大的區(qū)域，更為均勻，容易獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，因此從減少葉片所承受的壓力方面考慮應(yīng)盡量選用這兩種形式的水輪機(jī)。

通過分析湍流強(qiáng)度圖像可知，2，3和4葉片的Savonius水輪機(jī)的湍流強(qiáng)度分布比較均勻，隨著葉片數(shù)量的增加，水輪機(jī)葉片周圍的湍流強(qiáng)度分布越來越不均勻，這會導(dǎo)致水輪機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生空化現(xiàn)象并使效率降低，因此從能量利用率來看，2～4葉片的Savonius水輪機(jī)具有更好的性能。

在仿真過程中通過Fluent的Monitor模塊對水輪機(jī)葉片受到的阻力和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行監(jiān)視并輸出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，將處于穩(wěn)定狀態(tài)下阻力和轉(zhuǎn)矩求均值后得到圖7～圖8所示的阻力和扭矩曲線。通過對阻力和轉(zhuǎn)矩曲線圖的分析可知，相比于其他葉片數(shù)量的Savonius水輪機(jī)，2葉片的Savonius水輪機(jī)受到更大的阻力和轉(zhuǎn)矩，因此能夠獲得更高的效率。

圖7　Savonius葉片所受阻力隨流速變化圖

圖8　Savonius葉片產(chǎn)生扭矩隨流速變化圖

2.4垂直軸潮流能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)形式

航標(biāo)燈是設(shè)置在航道上為船舶航行提供導(dǎo)航的裝置，它的能源供給裝置不能太大，因此為其提供電能的潮流能發(fā)電裝置體積不能太大，必須適合它自身的形狀和大小。依照小型化、輕量化、緊湊化的設(shè)計思路，初步設(shè)計出混合潮流發(fā)電航標(biāo)裝置的整體結(jié)構(gòu)，裝置結(jié)構(gòu)圖簡化后如圖9所示。包括：上下兩組Savonius型垂直軸葉片、定子和轉(zhuǎn)子均可轉(zhuǎn)動的發(fā)電機(jī)（該發(fā)電機(jī)的定子與外殼相連）、固定支架等。其中，發(fā)電機(jī)通過支架（圓形支架上有滾動軸承以確保外殼可以轉(zhuǎn)動）固定在航標(biāo)燈上，上下葉片同軸反向放置，上葉片通過轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子連接，下葉片通過轉(zhuǎn)軸、套筒與發(fā)電機(jī)的定子連接。當(dāng)水流通過時，上下葉片同軸反向旋轉(zhuǎn)，同時帶動發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子各自延相反方向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電。

圖9　潮流能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

3　結(jié)論

為了推進(jìn)新能源尤其是潮流能在航標(biāo)燈領(lǐng)域的發(fā)展與利用，本文以潮流能航標(biāo)燈發(fā)電裝置為對象，提出了一種Savonius潮流能航標(biāo)燈發(fā)電裝置。著重研究了Savonius葉片數(shù)量對水輪機(jī)性能的影響，經(jīng)過模擬仿真得出了兩葉片的Savonius水輪機(jī)可以受到更大的阻力和轉(zhuǎn)矩、效率更高的結(jié)論，并給出了發(fā)電裝置整體上的初步設(shè)計，進(jìn)一步提高該裝置的發(fā)電效率。

[1]鄭啟湘.太陽能一體化航標(biāo)燈在我局的研制和應(yīng)用 [C]//中國航海學(xué)會船標(biāo)專業(yè)委員會2007年沿海、內(nèi)河航標(biāo)學(xué)組聯(lián)合年會，2007.

[2]袁偉.面向航標(biāo)的波浪能利用研究[D].大連：大連海事大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

[3]徐學(xué)濤.水平軸潮流能發(fā)電機(jī)械葉片設(shè)計及特性分析[D].杭州：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[4]劉宏偉.水平軸海流能發(fā)電機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2009.

[5]謝晶，王亞軍.Savonius型風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].能源技術(shù)，2009，30（4）：215-218.

[6]Shedahl R E.Wind Tunnel Performance Data for Two and Three-Bucket Savonius Rotor[J].AIAA Journal of Energy,1978,2(3):160-164.

[7]Ushiyama I.Experimentally Determining the Optimum Design Configuration for Savonius Rotors[J].Trans of JSME,1986,52(480): 2973-2982.

[8]鄭迪.基于CFD的Savonius風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化研究[D].杭州：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.

Study on the Tidal Energy Power Generation Technology for the Application and Simulation in Navigation Light Power Supply

WANG Yong-ding1,LU Hao-yang1,YAN Ji-hao2
1.College of Engineering Science&Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China; 2.College of Mechanical&Electrical Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210026,Jiangsu Province,China

In this paper,by comparing the advantages and disadvantages of several kinds of renewable energies, the author proposes a vertical axis tidal current energy generation device designed for navigation lights placed in water.The device uses a set of upper and lower coaxial inverted Savonius as turbine impeller.When the water flows,the impeller rotates and drives the generator to produce electricity.In order to improve the power generation efficiency of the Savonius impeller,the blade is simulated and optimized,with the conclusion that the 2 blade Savonius impeller is subjected to more resistance and torque obtained.The final overall structure is designed,and the device installed in the navigation light can generate electricity by using water flow and tidal current,so as to achieve self-sufficiency in electricity demand of navigation lights.

navigation light;tidal energy power generation;simulative analysis

TK737；P743

A

1003-2029（2016）05-0070-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.014

2016-05-10

上海市科技興農(nóng)重點攻關(guān)項目（滬農(nóng)科攻字（2014）第6-3號）；上海市科委創(chuàng)新行動計劃（13dz1203701）

王永鼎（1963-），男，教授，主要研究方向為船舶動力裝置節(jié)能與優(yōu)化，漁業(yè)機(jī)械、裝備及其自動化。E-mail：ydwang@shou.edu.cn