西安帆布廠技術(shù)科 ■ 任秋魁 任琦 張敏 任瑋
新能源的開發(fā)與利用是一個永久性課題,而海洋能的開發(fā)與利用是其中一個重要課題。對于海洋能的開發(fā)與應(yīng)用,目前已有很多方案被提出并應(yīng)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(fēng)、海浪、潮汐流、海流等海洋能。相關(guān)部門在海域管理、海洋水文觀測、海底地質(zhì)勘測等方面都有系統(tǒng)的制度及系統(tǒng)的觀測資料,還有相關(guān)的海洋工程建設(shè)隊(duì)伍及相關(guān)的裝備制造業(yè)基礎(chǔ)[4-6]。依托這些已有的條件,本文提出了一種適應(yīng)淺海區(qū)域的簡單的“固定基樁式海浪沖擊旋翼型浮力槳發(fā)電裝置”(該設(shè)計(jì)已獲得實(shí)用新型專利,專利號:201320308792X,下文簡稱“發(fā)電裝置”),根據(jù)該發(fā)電裝置設(shè)計(jì)制作了簡單的小型原理模型,并在微波、弱流、無浪3種發(fā)電極為不利的河域進(jìn)行了試驗(yàn)測試,驗(yàn)證了其發(fā)電性能。以便于為相關(guān)部門研發(fā)海上發(fā)電裝置提供選型及參考。
在電視節(jié)目中,關(guān)注天氣預(yù)報(bào)時,我們時常會看到測量風(fēng)速風(fēng)向的碗式風(fēng)速儀。它的測速元件是幾只固定在一個旋轉(zhuǎn)支架上的半球型碗式元件,元件受到風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn),并可適應(yīng)風(fēng)向的變化。若將碗式風(fēng)速儀中的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)加以改造,就可使其成為一種能量收集裝置。
設(shè)想的改造方式為:在碗式風(fēng)速儀旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,將迎風(fēng)元件的面積擴(kuò)大,其旋轉(zhuǎn)力矩也會隨之增大;再將迎風(fēng)葉片設(shè)計(jì)成一種單向閥型的活瓣機(jī)構(gòu),以中心軸為界,在同向氣流作用下,兩邊將產(chǎn)生較大的受力差,從而獲得大到可以利用的旋轉(zhuǎn)力矩;然后加裝浮力裝置,使所設(shè)計(jì)裝置可漂浮在水面上;最后加入能使該裝置轉(zhuǎn)動的裝置,并在中心軸上做一定尺度的上下移動的設(shè)計(jì),使其可以在液面變化的水體中進(jìn)行上下浮動。對改造后的裝置進(jìn)行適用性調(diào)整,即可在不同的流體環(huán)境中獲得可用的轉(zhuǎn)動力矩。
依據(jù)上述思路可設(shè)計(jì)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(dāng)旋翼浮力槳一側(cè)受力時,其為閉合狀態(tài),可收集海浪能;當(dāng)旋翼浮力槳轉(zhuǎn)向另一側(cè)時,其為開啟狀態(tài),以減少海浪能的收集,從而形成動力差,得到旋轉(zhuǎn)扭矩;再通過花鍵軸機(jī)構(gòu)及齒輪傳動系統(tǒng)輸出旋轉(zhuǎn)扭矩,以達(dá)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(jī)構(gòu)通過齒輪轉(zhuǎn)動,再通過變速系統(tǒng)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)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(fā)電裝置”。
發(fā)電裝置主要由發(fā)電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、花鍵軸機(jī)構(gòu)、旋翼浮力槳組合件、中心立柱及基樁等構(gòu)成,如圖1所示。
圖1 發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
1)發(fā)電機(jī)??筛鶕?jù)設(shè)計(jì)要求選用相應(yīng)型號的發(fā)電機(jī)。
2)變速機(jī)構(gòu)。其輸入端與花鍵軸一端的齒輪相連結(jié),輸出端與發(fā)電機(jī)相連結(jié)。主要功能是將旋翼浮力槳所生成的低轉(zhuǎn)速輸出通過變速系統(tǒng)達(dá)到發(fā)電機(jī)額定功率所需的轉(zhuǎn)速與輸入扭矩。
3)工作臺。承載發(fā)電機(jī)、變速箱及輔件。
4)花鍵軸機(jī)構(gòu)。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(dān)扭矩的傳遞,可在中心立柱上自由轉(zhuǎn)動,但不能上下移動?;ㄦI軸套可在花鍵軸上上下移動,其外端連結(jié)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(dāng)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(qiáng)支撐筋架組成;能夠以設(shè)計(jì)要求的姿態(tài)浮停在水面適當(dāng)位置收集動能,在海浪沖擊力的作用下轉(zhuǎn)動,以傳遞扭力矩;可以依據(jù)實(shí)際情況,按不同的結(jié)構(gòu)形式及控制模式對其進(jìn)行設(shè)計(jì)。
6)固定中心立柱。其為發(fā)電裝置的中心固定軸,安裝在牢固的基礎(chǔ)上,以保證發(fā)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。
7)基樁。其筑造在海底的地基基礎(chǔ)平臺上,用于保證安裝在其上面的設(shè)備能長期平穩(wěn)安全地運(yùn)行。
該發(fā)電裝置的優(yōu)勢在于:①由于旋翼浮力槳組合件依托浮力的作用,在進(jìn)行總體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時,減少了需要考慮的因素。②可根據(jù)所需功率及安裝地的環(huán)境條件,設(shè)計(jì)大小各異的、滿足動力負(fù)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)動過程中,雖然轉(zhuǎn)速低,但仍會產(chǎn)生較大的慣性轉(zhuǎn)動力矩。④旋翼浮力槳組合件與花鍵軸相結(jié)合,對于海洋能的適應(yīng)性強(qiáng)、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(fā)電裝置對于所收集到的能量的轉(zhuǎn)換效率較高,運(yùn)行相對平穩(wěn)。⑥發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具有自適應(yīng)能量流向的功能。
該發(fā)電裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)及其工作時所產(chǎn)生的輸出力矩應(yīng)與發(fā)電機(jī)所需的額定功率及額定轉(zhuǎn)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(nèi)容上講,這兩本書顯然各有不同,一則近于文章評論與史學(xué)考證,一則為專門目錄;但從文獻(xiàn)形態(tài)而言,二者皆以書籍的面目出現(xiàn)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(xiàn)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(jìn)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(xiàn)的屬性,而無關(guān)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(xué)與書籍及文獻(xiàn)都有密切的關(guān)系。
旋翼浮力槳組合件的基本結(jié)構(gòu)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(fēng)、海浪的沖擊力;3)在旋翼長度較長時,每隔3~5 m,加裝加強(qiáng)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(shè)計(jì)范圍內(nèi)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(chǎn)生的沖擊力。
圖2 旋翼浮力槳組合件的結(jié)構(gòu)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。
本文根據(jù)所述裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作了簡單的小型原理模型,并在微波、弱流、無浪等發(fā)電極為不利的河域進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該模型可正常漂浮、旋轉(zhuǎn),且能發(fā)出微弱的電力。由此可知,該裝置在風(fēng)浪較大的近岸淺海、迎風(fēng)朝浪的區(qū)域同樣可以漂浮、旋轉(zhuǎn)且正常發(fā)電。
該發(fā)電裝置可較好的適應(yīng)波浪能無規(guī)則、多向性、往復(fù)運(yùn)動的特點(diǎn),并在適應(yīng)潮汐變化時,達(dá)到連續(xù)輸出扭力矩的要求;能適應(yīng)波浪能的勢能變化而收集其動能,也具有適應(yīng)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(wǎng)供電的可能性;并且在適宜的海況下,有望實(shí)現(xiàn)百千瓦乃至萬千瓦級單臺海浪能發(fā)電機(jī)組的有效運(yùn)行。
該發(fā)電裝置適合安裝在近岸淺海、迎風(fēng)朝浪的區(qū)域,在微浪至中浪區(qū)間運(yùn)行。若在大浪及以上海況下運(yùn)行時,需采用安全防護(hù)措施。
1)本文提出的發(fā)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(jī)械機(jī)構(gòu)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電,因此,需利用扭矩及轉(zhuǎn)速進(jìn)行力的傳遞與銜接。能量轉(zhuǎn)換主要是依據(jù)發(fā)電裝置所在海域海浪水平方向的流速v[5]、發(fā)電機(jī)所需的輸入扭矩M電及轉(zhuǎn)速n進(jìn)行計(jì)算得到。
M機(jī)還可表示為:
式中,M合為旋翼浮力槳在閉合狀態(tài)下產(chǎn)生的動力矩;M開為旋翼浮力槳在開啟狀態(tài)下產(chǎn)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(shù);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(zhuǎn)時由慣性所產(chǎn)生的力。以海水為依托漂浮在海面,其在轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生慣性力F慣及慣性力矩M慣。二者關(guān)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(jù)上述計(jì)算對發(fā)電裝置進(jìn)行綜合考慮設(shè)計(jì)。
本文提出了一種固定基樁式海浪沖擊旋翼型浮力槳發(fā)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(fā)電狀況極為不利的河域中進(jìn)行了試驗(yàn)測試,試驗(yàn)結(jié)果顯示該模型轉(zhuǎn)動部分轉(zhuǎn)動平穩(wěn),可輸出轉(zhuǎn)動力矩,帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動。
該發(fā)電裝置為海浪能富集區(qū)域提供了一種可供選擇的海浪能轉(zhuǎn)換裝置,也為海島缺電地域提供了利用海浪能建立微電網(wǎng)供電的可能性,并為海浪能的開發(fā)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(shí)現(xiàn)百千瓦乃至萬千瓦級海浪能發(fā)電機(jī)組的有效運(yùn)行。