浅析一种固定基桩式海浪冲击旋翼型浮力桨发电装置

西安帆布厂技术科 ■ 任秋魁 任琦 张敏 任玮

0 引言

新能源的开发与利用是一个永久性课题，而海洋能的开发与利用是其中一个重要课题。对于海洋能的开发与应用，目前已有很多方案被提出并应用，而且取得了良好的收益[1-3]。

我国拥有超过18000 km的海岸线，海洋能资源丰富，还有几千座大小不一的海岛，海岛周围也能生成海风、海浪、潮汐流、海流等海洋能。相关部门在海域管理、海洋水文观测、海底地质勘测等方面都有系统的制度及系统的观测资料，还有相关的海洋工程建设队伍及相关的装备制造业基础[4-6]。依托这些已有的条件，本文提出了一种适应浅海区域的简单的“固定基桩式海浪冲击旋翼型浮力桨发电装置”(该设计已获得实用新型专利，专利号：201320308792X，下文简称“发电装置”)，根据该发电装置设计制作了简单的小型原理模型，并在微波、弱流、无浪3种发电极为不利的河域进行了试验测试，验证了其发电性能。以便于为相关部门研发海上发电装置提供选型及参考。

1 发电装置的基本原理

在电视节目中，关注天气预报时，我们时常会看到测量风速风向的碗式风速仪。它的测速元件是几只固定在一个旋转支架上的半球型碗式元件，元件受到风力作用而旋转，并可适应风向的变化。若将碗式风速仪中的旋转机构加以改造，就可使其成为一种能量收集装置。

设想的改造方式为：在碗式风速仪旋转机构的基础上，将迎风元件的面积扩大，其旋转力矩也会随之增大；再将迎风叶片设计成一种单向阀型的活瓣机构，以中心轴为界，在同向气流作用下，两边将产生较大的受力差，从而获得大到可以利用的旋转力矩；然后加装浮力装置，使所设计装置可漂浮在水面上；最后加入能使该装置转动的装置，并在中心轴上做一定尺度的上下移动的设计，使其可以在液面变化的水体中进行上下浮动。对改造后的装置进行适用性调整，即可在不同的流体环境中获得可用的转动力矩。

依据上述思路可设计出旋翼浮力桨组合件。在迎流面时，以中心立柱为轴心，在半径方向上，当旋翼浮力桨一侧受力时，其为闭合状态，可收集海浪能；当旋翼浮力桨转向另一侧时，其为开启状态，以减少海浪能的收集，从而形成动力差，得到旋转扭矩；再通过花键轴机构及齿轮传动系统输出旋转扭矩，以达到输出扭力矩的目的。旋翼浮力桨组合件和一端带齿轮的花键轴机构通过齿轮转动，再通过变速系统带动发电机发电，组合后的装置能随着潮汐的变化，浮停在海平面收集海浪能。从而形成了“固定基桩式海浪冲击旋翼型浮力桨发电装置”。

2 发电装置的基本结构

2.1 主体框架

发电装置主要由发电机、变速机构、花键轴机构、旋翼浮力桨组合件、中心立柱及基桩等构成，如图1所示。

图1 发电装置的结构示意图

1)发电机。可根据设计要求选用相应型号的发电机。

2)变速机构。其输入端与花键轴一端的齿轮相连结，输出端与发电机相连结。主要功能是将旋翼浮力桨所生成的低转速输出通过变速系统达到发电机额定功率所需的转速与输入扭矩。

3)工作台。承载发电机、变速箱及辅件。

4)花键轴机构。由一端带齿轮的空心花键轴及套在其外面的花键轴套组成。花键轴主要承担扭矩的传递，可在中心立柱上自由转动，但不能上下移动。花键轴套可在花键轴上上下移动，其外端连结旋翼浮力桨组合件，由于浮力作用，在潮位变化时，轴套连同旋翼浮力桨组合件漂浮在海平面的适当位置。

5)旋翼浮力桨组合件。其由上旋翼、中浮翼、下浮翼、端盖、档杆、轴承、轴承座及加强支撑筋架组成；能够以设计要求的姿态浮停在水面适当位置收集动能，在海浪冲击力的作用下转动，以传递扭力矩；可以依据实际情况，按不同的结构形式及控制模式对其进行设计。

6)固定中心立柱。其为发电装置的中心固定轴，安装在牢固的基础上，以保证发电设备的稳定运行。

7)基桩。其筑造在海底的地基基础平台上，用于保证安装在其上面的设备能长期平稳安全地运行。

该发电装置的优势在于：①由于旋翼浮力桨组合件依托浮力的作用，在进行总体的结构强度设计时，减少了需要考虑的因素。②可根据所需功率及安装地的环境条件，设计大小各异的、满足动力负荷要求的旋翼浮力桨组合件。③在浮力的支撑作用下，旋翼的迎流面面积可以设计的很大、重量很重，以便更多地收集波浪能中的动能。这是由于旋翼浮力桨大而重，在转动过程中，虽然转速低，但仍会产生较大的惯性转动力矩。④旋翼浮力桨组合件与花键轴相结合，对于海洋能的适应性强、收集面广，也就是说，其能收集到波浪能、潮汐能中的动能和潮流能，以及微浪弱流能。⑤发电装置对于所收集到的能量的转换效率较高，运行相对平稳。⑥发电装置的结构设计使其具有自适应能量流向的功能。

该发电装置的机械结构及其工作时所产生的输出力矩应与发电机所需的额定功率及额定转速时的输入力矩相耦合。

欧阳修致力于收集古金石拓本，积至千卷，又将其为拓本所作题跋汇集，编为《集古录》(亦称《集古录跋尾》)一书，其子欧阳棐又编次其目，成《集古录目》。从内容上讲，这两本书显然各有不同，一则近于文章评论与史学考证，一则为专门目录；但从文献形态而言，二者皆以书籍的面目出现并传世。对朱熹来说，这些“古金石”的吸引力不仅来自其作为古物的一面，更是来自其作为文本或文献的一面，他更看重的是其“古金石文字”的属性。他将欧、赵二书进行比较，指出《金石录》“铨序益条理，考证益精博”，也着眼于其书籍与文献的属性，而无关于古物的收藏。从这一段话中也可以看出，在朱子看来，金石学与书籍及文献都有密切的关系。

2.2 旋翼浮力桨组合件的基本结构

旋翼浮力桨组合件的基本结构示意图如图2所示。1)端盖与中浮翼、连接端盖焊接在一起，主要起到支撑及使组合件漂浮的作用；2)上旋翼主要承受海风、海浪的冲击力；3)在旋翼长度较长时，每隔3～5 m，加装加强筋支撑架；4)轴承架主要是支撑上旋翼及下浮翼，使它们能在设计范围内摆动；5)连接端盖将旋翼浮力桨组合件通过芯轴与花键轴套连接在一起；6)中浮翼起到使旋翼浮力桨组合件漂浮的作用；7)上档杆与下档杆均起到限位的作用；8)下浮翼具有一定的浮力，主要承受潮涌产生的冲击力。

图2 旋翼浮力桨组合件的结构示意图与剖面图

图3 旋翼浮力桨组合件迎流面在几种典型海况下的位置示意图

图3为旋翼浮力桨组合件迎流面在几种典型海况下的位置示意图。

由图3可以看出，旋翼浮力桨组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 装置模型模拟

本文根据所述装置结构设计制作了简单的小型原理模型，并在微波、弱流、无浪等发电极为不利的河域进行了试验模拟，结果发现该模型可正常漂浮、旋转，且能发出微弱的电力。由此可知，该装置在风浪较大的近岸浅海、迎风朝浪的区域同样可以漂浮、旋转且正常发电。

该发电装置可较好的适应波浪能无规则、多向性、往复运动的特点，并在适应潮汐变化时，达到连续输出扭力矩的要求；能适应波浪能的势能变化而收集其动能，也具有适应潮汐能的势能变化而收集潮汐能及其动能的功能，为海岛缺电地域提供了利用海浪能建立微电网供电的可能性；并且在适宜的海况下，有望实现百千瓦乃至万千瓦级单台海浪能发电机组的有效运行。

该发电装置适合安装在近岸浅海、迎风朝浪的区域，在微浪至中浪区间运行。若在大浪及以上海况下运行时，需采用安全防护措施。

4 计算

1)本文提出的发电装置的动力来源主要是波浪能的动能、潮汐能的动能，以及潮流能，通过机械机构带动发电机发电，因此，需利用扭矩及转速进行力的传递与衔接。能量转换主要是依据发电装置所在海域海浪水平方向的流速v[5]、发电机所需的输入扭矩M电及转速n进行计算得到。

M机还可表示为：

式中，M合为旋翼浮力桨在闭合状态下产生的动力矩；M开为旋翼浮力桨在开启状态下产生的阻力矩；mG为旋翼浮力桨的总重量；L为旋翼浮力桨的力矩半径。

M合可表示为：

式中，α为效率系数；ρ为海水密度；s为旋翼浮力桨的迎流面面积。

M开可表示为：

式中，A为上旋翼与海平面的夹角。

2)惯性力：旋翼浮力桨组合件的体积大、重量重，要考虑其自身刚体旋转时由惯性所产生的力。以海水为依托漂浮在海面，其在转动时会产生惯性力F惯及惯性力矩M惯。二者关系式为：

F惯可表示为：

3)浮力：旋翼浮力桨组合件在海平面会受到浮力的作用，其所需浮力F浮可表示为：

式中，V3为旋翼浮力桨组合件漂浮所需的浮动空间。

则V3可表示为：

综上，可依据上述计算对发电装置进行综合考虑设计。

5 结论

本文提出了一种固定基桩式海浪冲击旋翼型浮力桨发电装置，通过建立简单的小型原理模型，并在微波、弱流、无浪3种发电状况极为不利的河域中进行了试验测试，试验结果显示该模型转动部分转动平稳，可输出转动力矩，带动发电机转动。

该发电装置为海浪能富集区域提供了一种可供选择的海浪能转换装置，也为海岛缺电地域提供了利用海浪能建立微电网供电的可能性，并为海浪能的开发利用提供了一种可供参考利用的新形式。因此，在适宜的海况下，有望实现百千瓦乃至万千瓦级海浪能发电机组的有效运行。