任秋魁，任 琦，張 敏

（西安帆布廠，陜西 西安 710001）

新能源的開發(fā)與應(yīng)用是人們一個(gè)永久探討的話題，而海洋可再生能源的開發(fā)與利用，更是沿海地區(qū)及海島區(qū)域獲取清潔能源優(yōu)先考慮選擇研發(fā)應(yīng)用的重要途徑。當(dāng)前海洋能的開發(fā)與應(yīng)用已有很多方案被研發(fā)、實(shí)施、應(yīng)用，并且獲得了良好的效益。

在了解認(rèn)知已有的多種海洋能發(fā)電裝置的開發(fā)、應(yīng)用的大環(huán)境中，本文在此提出“一種錨系漂浮式海浪能發(fā)電裝置”的構(gòu)想。

海洋能的開發(fā)與應(yīng)用是一項(xiàng)需要多部門、跨學(xué)科協(xié)作的綜合項(xiàng)目，它包括能量吸收、轉(zhuǎn)換（獲取動(dòng)力）、發(fā)電、電力變換等問題?；狙芯繂栴}有資源分布、功率特性、能量俘獲、轉(zhuǎn)換過程、儲(chǔ)存與利用等。它涉及海洋工程、流體力學(xué)、工程力學(xué)、機(jī)械工程、電力工程、控制工程以及環(huán)境科學(xué)等多種學(xué)科領(lǐng)域。

本文簡介“一種錨系漂浮式波浪能發(fā)電裝置”的構(gòu)想，以能源收集、機(jī)械能轉(zhuǎn)換為中心闡述。在結(jié)構(gòu)組合上，提出了一種構(gòu)想，為海洋能源的開發(fā)與利用提供一些參考。

1 “一種錨系漂浮式海浪能發(fā)電裝置”的構(gòu)想

本文提出“一種錨系漂浮式海浪能發(fā)電裝置”的構(gòu)想，它是以波浪（動(dòng)）能為主要?jiǎng)恿υ矗ㄟ^旋翼浮力槳花鍵豎軸式海水輪機(jī)（以下簡稱“海水輪機(jī)”）變速系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)等組成的發(fā)電機(jī)組，以錨系漂浮平臺(tái)為基座，從而進(jìn)行發(fā)電的裝置。“一種錨系漂浮式海浪能發(fā)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(jī)、變速系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、漂浮平臺(tái)、錨固系統(tǒng)等部分組成。

圖1 錨系漂浮式海浪能發(fā)電裝置示意圖

1.1 海水輪機(jī)

在本結(jié)構(gòu)中，使用的是“旋翼浮力槳花鍵豎軸式海水輪機(jī)”。它是以海浪（海流）的動(dòng)能沖力為主要自然動(dòng)力源，風(fēng)、潮、涌兼蓄。以海水浮力為依托而設(shè)計(jì)的海洋能收集轉(zhuǎn)換設(shè)備的專利產(chǎn)品。它具有轉(zhuǎn)速低、質(zhì)量大、推力大，從而形成大功率轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)。它以固定豎軸為著力點(diǎn)，以具有浮力及特定結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)的漂浮在海面上的旋翼浮力槳組合件，作為海浪動(dòng)能的收集承力面，在海浪動(dòng)能的作用下，通過套在固定豎軸上的空心花鍵豎軸系統(tǒng)形成轉(zhuǎn)動(dòng)，從而輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，為發(fā)電系統(tǒng)提供動(dòng)力（注：該海水輪機(jī)還可以作為水泵系統(tǒng)的動(dòng)力源）。

由于“旋翼浮力槳花鍵豎軸式海水輪機(jī)”是本發(fā)電裝置中收集轉(zhuǎn)換海浪能的關(guān)鍵單元機(jī)，因此將該單元機(jī)的基本原理及結(jié)構(gòu)簡述如下。

1.1.1 旋翼槳框、葉的原理結(jié)構(gòu)及作用

如圖2 所示，它是一個(gè)以立柱為軸，可以形成轉(zhuǎn)動(dòng)的由剛性槳框及槳葉組成的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)機(jī)械。在波浪波速的推動(dòng)下，由于槳葉運(yùn)轉(zhuǎn)在不同位置時(shí)的空間姿態(tài)不同，因此受力也不相同，從而形成動(dòng)力差導(dǎo)致形成不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 旋翼槳框、葉的原理結(jié)構(gòu)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(shù)（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(shí)與水平面的夾角。

1.1.2 旋翼浮力槳原理結(jié)構(gòu)及作用

旋翼浮力槳原理結(jié)構(gòu)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(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求設(shè)計(jì)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(dāng)位置，進(jìn)而收集轉(zhuǎn)換波浪能為機(jī)械能。

圖3 旋翼浮力槳原理結(jié)構(gòu)及作用示意圖

1.1.3 設(shè)例說明

設(shè)已知條件均在理想狀態(tài)下，且需專業(yè)評審。

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

試用常規(guī)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(shù)；為海水密度，kg/m；為面積，m；為波速，m/s；為力矩半徑，m。

結(jié)果：輸出端扭矩=2 700 kg·m。

注：該可與變速系統(tǒng)及載荷進(jìn)行總體再計(jì)算。

1.1.4 旋翼浮力槳花鍵豎軸式海水輪機(jī)原理結(jié)構(gòu)及作用

旋翼浮力槳花鍵豎軸式海水輪機(jī)原理結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)等幾部分組成，作用在于收集波浪能動(dòng)能部分將其轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能供載荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 旋翼浮力槳花鍵豎軸式海水輪機(jī)原理結(jié)構(gòu)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(tái)上，起著支架及著力點(diǎn)的作用，從而使旋翼浮力槳組合件和花鍵軸機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，在波浪力的作用下能形成環(huán)繞立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)。

旋翼浮力槳組合件：以含有槳葉、框架、浮力等元素內(nèi)容設(shè)計(jì)的旋翼浮力槳組合件，能以設(shè)計(jì)要求的空間姿態(tài)漂浮在海平面上，收集波浪能的動(dòng)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(guān)，即槳葉面積越大，能量收集效果也越好。該機(jī)構(gòu)也適應(yīng)波浪能多向性、往復(fù)性的特點(diǎn)。

花鍵軸機(jī)構(gòu)：花鍵軸機(jī)構(gòu)為適應(yīng)波動(dòng)起伏及潮汐漲落而設(shè)計(jì)。它能在波動(dòng)起伏及潮汐漲落變化時(shí)，仍能隨動(dòng)旋翼浮力槳組合件的上下位移，不斷傳遞扭矩。花鍵軸機(jī)構(gòu)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(lián)接收能量，再通過傳遞由空芯花鍵軸一端的齒輪進(jìn)行能量輸出，并與變速系統(tǒng)連接進(jìn)而帶動(dòng)負(fù)載。

1.2 變速系統(tǒng)

由于海水輪機(jī)具有低轉(zhuǎn)速（約幾分鐘1 轉(zhuǎn)）大扭矩的特性，所以需要通過變速系統(tǒng)將低轉(zhuǎn)速變換至發(fā)電機(jī)所需的額定轉(zhuǎn)速，并且達(dá)到與發(fā)電機(jī)功率所需扭矩的匹配。

1.3 發(fā)電機(jī)

為了適應(yīng)海水輪機(jī)低轉(zhuǎn)速、大推力的特性，與低轉(zhuǎn)速中低功率的水輪發(fā)電機(jī)配套較相適應(yīng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行雙向協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)制造，以達(dá)到使整體海水輪發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)、安全有效運(yùn)行的目的。

1.4 漂浮平臺(tái)

它是一個(gè)滿足設(shè)計(jì)要求的密閉的浮式平臺(tái)，由錨鏈系統(tǒng)系留在一定海深的設(shè)計(jì)位置中，在懸浮的固定空間位置上，起到承載海水輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的作用，保證海水輪發(fā)電機(jī)組的質(zhì)量及在運(yùn)行狀態(tài)下力學(xué)變化時(shí)的整體穩(wěn)定性。

1.5 錨固系統(tǒng)

錨固系統(tǒng)即依據(jù)海水輪發(fā)電機(jī)組的功率要求及安裝地的環(huán)境狀況，所設(shè)計(jì)生產(chǎn)一套滿足設(shè)計(jì)要求的錨鏈、錨固系統(tǒng)。

2 裝置特點(diǎn)

這一裝置特點(diǎn)如下：①由特定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的（葉輪）旋翼浮力槳組合件，在海浪作用下，形成了能滿足設(shè)計(jì)功率要求的平面轉(zhuǎn)動(dòng)；②依托浮力大大減輕了旋翼浮力槳組合件（即葉輪）對主機(jī)架的正壓力；③由于是平面轉(zhuǎn)動(dòng)，而且以浮力為依托，因此旋翼浮力槳組合件（即葉輪）可以進(jìn)行大直徑重噸位設(shè)計(jì)；④依據(jù)實(shí)際功率需求，可以設(shè)計(jì)生產(chǎn)功率大小不一的多級產(chǎn)品；⑤旋翼浮力槳花鍵豎軸式海水輪發(fā)電機(jī)組在淺?？梢砸劳泄潭ɑ鶚镀脚_(tái)，在深?？梢耘c錨系式漂浮平臺(tái)作為工作基面，形成不同的組合，從而保證滿足發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 結(jié)束語

由于海洋可再生能源的開發(fā)與利用是一個(gè)需要多部門、跨學(xué)科協(xié)作的綜合項(xiàng)目，本項(xiàng)目研發(fā)小組在有限學(xué)科、有限學(xué)域的基礎(chǔ)上，結(jié)合已認(rèn)知的海洋可再生能源項(xiàng)目的相關(guān)指導(dǎo)，提出了“一種錨系漂浮式海浪能發(fā)電裝置”的構(gòu)想，在進(jìn)一步經(jīng)過專業(yè)理論的鑒定及實(shí)踐的檢驗(yàn)中，為海洋可再生能源的開發(fā)與利用提供參考與借鑒。