渔船锚泊潮流发电装置的设计

林雯雯，刘国平

（浙江海洋学院，浙江舟山 316000）

0 引言

随着世界经济、社会的发展，能源需求量持续增大，导致传统石化能源日益枯竭、电力紧缺和环境污染加重，大力开发和利用清洁无污染的潮流能对缓解能源和环境问题具有重要的意义。据统计，全国现有渔船总数达106万艘，是世界上渔船最多的国家，约占世界总数的 1/4，其中海洋渔船总数达 31.61万艘。现今的渔船推进系统基本采用动力装置，航行时主要靠柴油机运转来提供能源，同时，渔船上的生活用电也通过柴油机的运转提供。但多数渔船会因休渔期、恶劣的天气环境、维修或其他种种原因而停泊在港湾。这时靠发电机组提供给很小负载的生活照明用电非常不科学，而且浪费柴油，又因发电机组工作寿命有限，同时还造成环境污染。因此利用潮流能，开发一个小型船用发电装置以解决这类问题，具有广阔的应用前景和现实意义。

1 系统的基本组成及工作原理

渔船抛锚停泊是常用的停泊方法。船上以锚链或锚索连接的锚抛入水中着地，并使其啮入土中，锚产生的抓力与水底固结起来，把渔船牢固地系留在预定的位置，所以在潮流的影响下，渔船随着潮流流向而随时改变方向。本设计的要点在于该小型的潮流发电机，把它固定在船艉，不管潮流流向是如何改变，渔船船向随之改变，保证水轮机转向不变，无需调整水轮机的叶片旋转角。

潮流发电装置主要是由水轮机、传动装置、硅整流发电机构成。该设计将潮流能转换成电能从而实现对潮流能的利用。潮流发电机组是将潮流能转换为电能的机械设备，它由水轮机、传动装置及发电机组成。从能量转换的角度看，潮流发电机由两大部分组成。其一是水轮机，它的功能是将潮流能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。小型潮流发电机组结构如图1所示，将水轮机深入水下，潮流推动水轮机的桨叶使水轮机转动，使潮流能转换成机械能，再经过传动装置带动硅整流发电机转动，发电机工作进行发电，使机械能转换成电能，发电机发出的交流电经六只硅二极管整流装置进行整流，再通过调节器自动调整，最后将稳定的电能存储到蓄电池中，完成整个能源的转换过程。

2 系统的组成模块

2.1 水轮机

目前，潮流发电水轮机从结构上看可分为水平轴水轮机和竖轴水轮机2种。水平轴水轮机：旋转轴轴向与水流方向平行，主要利用水流对叶片的升力作用，由于与传统轴流式水轮机相似，所以有时也称为轴流式水轮机。竖轴水轮机：旋转轴轴向与水流方向垂直，与海平面垂直[1-2]。

根据潮流能转换装置的设计，主要是选择适合工作原理和结构形式的潮流发电水轮机，来尽可能高效的实现潮流能到电能的转换。所以水轮机是潮流能转换装置的核心部分，直接关系着潮流能资源合理开发和利用。

竖轴水轮机有以下几个主要特点：1）阻力型叶轮具有自启动的特性，但是叶轮的旋转速度比螺旋式叶轮低；2）垂直轴升力型叶轮能否自启动与叶轮的叶片是否可（变螺距）调有关[1]。可调角度的叶轮可以自启动；不可调角度的叶轮没有足够的力矩自启动，一种可行的启动方案是通过电气控制的方式将发电机切换为电动机拖动，启动后再由电动机切换为发电机，叶轮功率驱动发电机工作；3）垂直轴式叶轮与来流的方向无关，无论潮流从哪个方向流向叶轮都能正常工作，无需对流装置。因此，相对于水平轴水轮机，竖轴水轮机不受来流方向变化的影响，具有较好的启动性能和较高的能量利用率，经比较，本文选用Savonius水轮机（如图2所示）作为潮流发电装置的水轮机。

这种S式水轮机叶轮两半圆柱面叶片对称安装在转轴两侧，柱面朝向相反，两个半圆柱面叶片部分交错，半圆柱面叶片直径为d，交错距离为e。当潮流流向叶轮时由于阻力差会旋转，而且凹面部分水流会通过交错的空隙进入凸面背后，转折的水流能抵消部分凸面的阻力，可提高水轮机的效率。空隙e越大也会降低效率，当e/d=0.17时效果最好，如果空隙e中有转轴，则转轴要细并适当的增大空隙[3]。

水轮机的输出功率计算公式为[4]

式中ρ为海水密度，为 1030 kg/m3（取 1000 kg/m3）；A为潮流水轮机转子扫掠面积，m2；V为潮流流速，m/s；η为效率。从上式可以看出，水轮机的输出功率很大程度决定于潮流速度。

2.2 硅整流发电机

我们选择体积小，实用性强，价格便宜的硅整流发电机作为本设计的核心发电机。硅整流发电机由同步交流发电机和硅二极管整流器构成。按总体结构可分为普通型、整体式、带泵性、无刷、永磁式；按磁场搭铁方式分为内搭铁式、外搭铁式；按整流二极管的多少分为六管、八管、九管、十一管。本文选择14 V的外搭铁式六管交流发电机作为该装置的发电机。同时选择合适的调节器与之配套。

发电机经整流后的直流电压与每相电动势的有效值成正比，可表示为：

式中C为电机常数，n为发电机转速，Φ为磁场磁通。

图3 硅整流发电机结构图

2.3 调节器

2.3.1 调节器的作用

将发电机输出电压控制在规定范围内。在发电机转速变化时，自动控制发电机电压保持恒定，使其不因发电机转速过高时电压过高烧坏电器及导致蓄电池过充电；也不会因发电机转速低而电压不足导致用电器工作失常。

运行过程中，水轮机转速变化范围较大，由于发电机与水轮机的传动比是固定的，所以发电机的转速将随水轮机转速的变化而变化，发电机的端电压也将随水轮机的转速变化而在很大范围内变化。发电机在对用电气设备供电及向蓄电池充电时，都要求其电压稳定，因此必须对发电机的输出电压进行调节，使之保持在某一数值上基本不变。

2.3.2 调节器的选型

电压调节器分为触点式和电子式两类，触点式又有双级式和单级式之分，电子式又分为晶体管式与集成电路式两种。触点式调节器存在着以下缺点：触点间存在电火花，触点容易烧蚀、故障多，且产生无线电干扰。由于动铁的机械惯性和磁滞惯性较大，工作频率低，输出电压脉动大。结构复杂、体积大。为克服触点式调节器的上述缺点，现在广泛使用电子式调节器。

JFT106型调节器属于外搭铁式晶体管调节器，调节电压为13.8～14.6 V，可与14 V功率为750 W外搭铁式九管式交流发电机配套，也可与14 V功率小于1000 W的外搭铁式六管交流发电机配套，因此我们选择该调节器。

3 小结

潮流能的研究是目前重要的课题，而发展小型潮流能发电机对众多渔船来说又有着重要的意义。本文设计的渔船锚泊潮流发电机的主要优点在于：首先，所设计的发电装置是小型发电装置，体积小，重量轻。另有可拆卸的水轮机，安装固定在船舶尾部，水轮机的动力输出端通过可拆卸的传动连接机构连接至船舶原有的发电机组的动力输入端。该装置在渔船抛锚停泊时可以施放、启动进行发电，既环保又有效的解决渔船抛锚时的用电问题，当渔船航行、作业时又可将其收回，不影响渔船正常航行。其次，该装置的设计是在船只抛锚状态，不管潮流流向如何，船只随着潮流流向的变化而不断的改变方向。使得水轮机无需调整其叶片旋转角，都能正常工作。渔船抛锚状态，也避免了螺旋桨对水轮机工作造成的影响。

[1] 李允武. 海洋能源开发[M]. 北京: 海洋出版社,2008.

[2] 戴庆忠. 潮流能发电及潮流能发电装置[J]. 东方电机, 2010, （2）:51-66.

[3] Shouichiro,Iio,Yusuke. Influence of setting condition on characteristics of savonius hydraulic turbine with a shield plate. 热科学学报英文版, 2011, 20（3）:224.

[4] 戴军,单忠德,王西峰,杨杰. 潮流水轮机的研究进展[J]. 可再生能源, 2010, （4）:130-131.