淺析一種固定基樁式海浪沖擊旋翼型浮力槳發(fā)電裝置

西安帆布廠技術(shù)科 ■ 任秋魁 任琦 張敏 任瑋

0 引言

新能源的開發(fā)與利用是一個(gè)永久性課題，而海洋能的開發(fā)與利用是其中一個(gè)重要課題。對(duì)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(cè)、海底地質(zhì)勘測(cè)等方面都有系統(tǒng)的制度及系統(tǒng)的觀測(cè)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(jiǎn)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(hào)：201320308792X，下文簡(jiǎn)稱“發(fā)電裝置”)，根據(jù)該發(fā)電裝置設(shè)計(jì)制作了簡(jiǎn)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(cè)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。

1 發(fā)電裝置的基本原理

在電視節(jié)目中，關(guān)注天氣預(yù)報(bào)時(shí)，我們時(shí)常會(huì)看到測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的碗式風(fēng)速儀。它的測(cè)速元件是幾只固定在一個(gè)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(huì)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(dòng)的裝置，并在中心軸上做一定尺度的上下移動(dòng)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(dòng)。對(duì)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(dòng)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(shí)，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(shí)，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(shí)，其為開啟狀態(tài)，以減少海浪能的收集，從而形成動(dòng)力差，得到旋轉(zhuǎn)扭矩；再通過花鍵軸機(jī)構(gòu)及齒輪傳動(dòng)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(dòng)，再通過變速系統(tǒng)帶動(dòng)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”。

2 發(fā)電裝置的基本結(jié)構(gòu)

2.1 主體框架

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(hào)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(tái)。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?；ㄦI軸主要承擔(dān)扭矩的傳遞，可在中心立柱上自由轉(zhuǎn)動(dòng)，但不能上下移動(dòng)?；ㄦI軸套可在花鍵軸上上下移動(dòng)，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(shí)，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(dòng)能，在海浪沖擊力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，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(duì)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(tái)上，用于保證安裝在其上面的設(shè)備能長(zhǎng)期平穩(wěn)安全地運(yùn)行。

該發(fā)電裝置的優(yōu)勢(shì)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(shí)，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(dòng)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(dòng)能。這是由于旋翼浮力槳大而重，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，雖然轉(zhuǎn)速低，但仍會(huì)產(chǎn)生較大的慣性轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。④旋翼浮力槳組合件與花鍵軸相結(jié)合，對(duì)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(dòng)能和潮流能，以及微浪弱流能。⑤發(fā)電裝置對(duì)于所收集到的能量的轉(zhuǎn)換效率較高，運(yùn)行相對(duì)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(shí)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(shí)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(píng)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(duì)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。

2.2 旋翼浮力槳組合件的基本結(jié)構(gòu)

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(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，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(dòng)；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。

3 裝置模型模擬

本文根據(jù)所述裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作了簡(jiǎn)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(dòng)的特點(diǎn)，并在適應(yīng)潮汐變化時(shí)，達(dá)到連續(xù)輸出扭力矩的要求；能適應(yīng)波浪能的勢(shì)能變化而收集其動(dòng)能，也具有適應(yīng)潮汐能的勢(shì)能變化而收集潮汐能及其動(dòng)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(jí)單臺(tái)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(shí)，需采用安全防護(hù)措施。

4 計(jì)算

1)本文提出的發(fā)電裝置的動(dòng)力來源主要是波浪能的動(dòng)能、潮汐能的動(dòng)能，以及潮流能，通過機(jī)械機(jī)構(gòu)帶動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)時(shí)會(huì)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(huì)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(dòng)空間。

則V3可表示為：

綜上，可依據(jù)上述計(jì)算對(duì)發(fā)電裝置進(jìn)行綜合考慮設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

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(jiǎn)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(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果顯示該模型轉(zhuǎn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，可輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(jí)海浪能發(fā)電機(jī)組的有效運(yùn)行。