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(zhì)勘測等方面都有系統(tǒng)的制度及系統(tǒng)的觀測資料，還有相關的海洋工程建設隊伍及相關的裝備制造業(yè)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(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”(該設計已獲得實用新型專利，專利號：201320308792X，下文簡稱“發(fā)電裝置”)，根據(jù)該發(fā)電裝置設計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行了試驗測試，驗證了其發(fā)電性能。以便于為相關部門研發(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(zhuǎn)支架上的半球型碗式元件，元件受到風力作用而旋轉(zhuǎn)，并可適應風向的變化。若將碗式風速儀中的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)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(zhuǎn)機構(gòu)的基礎上，將迎風元件的面積擴大，其旋轉(zhuǎn)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(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，使所設計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(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(cè)受力時，其為閉合狀態(tài)，可收集海浪能；當旋翼浮力槳轉(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；再通過花鍵軸機構(gòu)及齒輪傳動系統(tǒng)輸出旋轉(zhuǎn)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(gòu)通過齒輪轉(zhuǎn)動，再通過變速系統(tǒng)帶動發(fā)電機發(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、變速機構(gòu)、花鍵軸機構(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。可根據(jù)設計要求選用相應型號的發(fā)電機。

2)變速機構(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)達到發(fā)電機額定功率所需的轉(zhuǎn)速與輸入扭矩。

3)工作臺。承載發(fā)電機、變速箱及輔件。

4)花鍵軸機構(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(tài)浮停在水面適當位置收集動能，在海浪沖擊力的作用下轉(zhuǎn)動，以傳遞扭力矩；可以依據(jù)實際情況，按不同的結(jié)構(gòu)形式及控制模式對其進行設計。

6)固定中心立柱。其為發(fā)電裝置的中心固定軸，安裝在牢固的基礎上，以保證發(fā)電設備的穩(wěn)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(wěn)安全地運行。

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，在進行總體的結(jié)構(gòu)強度設計時，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(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(fā)電裝置對于所收集到的能量的轉(zhuǎn)換效率較高，運行相對平穩(wěn)。⑥發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設計使其具有自適應能量流向的功能。

該發(fā)電裝置的機械結(jié)構(gòu)及其工作時所產(chǎn)生的輸出力矩應與發(fā)電機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考證，一則為專門目錄；但從文獻形態(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(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、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(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。

3 裝置模型模擬

本文根據(jù)所述裝置結(jié)構(gòu)設計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行了試驗模擬，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，該裝置在風浪較大的近岸淺海、迎風朝浪的區(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波浪能無規(guī)則、多向性、往復運動的特點，并在適應潮汐變化時，達到連續(xù)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(wǎng)供電的可能性；并且在適宜的海況下，有望實現(xiàn)百千瓦乃至萬千瓦級單臺海浪能發(fā)電機組的有效運行。

該發(fā)電裝置適合安裝在近岸淺海、迎風朝浪的區(qū)域，在微浪至中浪區(qū)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(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，通過機械機構(gòu)帶動發(fā)電機發(fā)電，因此，需利用扭矩及轉(zhuǎn)速進行力的傳遞與銜接。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)電機所需的輸入扭矩M電及轉(zhuǎn)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(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)上述計算對發(fā)電裝置進行綜合考慮設計。

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行了試驗測試，試驗結(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，有望實現(xiàn)百千瓦乃至萬千瓦級海浪能發(fā)電機組的有效運行。