深海超低速海流能發(fā)電裝置
作者：汪爾奇、李光浩、甄紫涵、李兆瀅、陳澤兵、張芝瑜 能源與動力工程系
指導(dǎo)老師：譚磊 能源與動力工程系
關(guān)鍵詞：深海發(fā)電，海流能，螺旋型，垂直軸發(fā)電
摘要
在深海的環(huán)境下，長期工作裝置的能量來源是一個重要的問題，而海流能幾乎成為深海進行獨立供電的唯一可用能源。進行發(fā)電的同時，我們面臨著深海水流速很低、來流方向變化復(fù)雜等問題，故本文設(shè)計使用不受來流方向的Darrieus型垂直軸葉輪，并進行翼型優(yōu)化與螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高葉輪的獲能效率、穩(wěn)定性與自啟動性能。
項目背景
深海中不存在太陽能、風能、波浪能等容易獲取的可用能源，有的只是低流速、不確定的海流，還有復(fù)雜的自然環(huán)境，此時，海流能幾乎成為了在深海唯一能夠利用的獨立供電能源。進行深海探測和開發(fā)離不開可靠的發(fā)電裝置為之提供能量，而傳統(tǒng)水平軸發(fā)電葉輪存在對海水流向的要求較高的問題，為此，我們考慮到使用垂直軸葉輪的設(shè)計與使用，其不受來流方向影響的優(yōu)點可以很好地解決這一問題，同時傳統(tǒng)的垂直軸葉輪也有自啟動性能差，受力不穩(wěn)定等不足，而且多用于風力發(fā)電，使得我們需要對其結(jié)構(gòu)、參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，來適應(yīng)深海發(fā)電過程。
模型構(gòu)建
圖2為發(fā)電葉輪的模型設(shè)計，面對任意方向的來流時，葉片所受到的平均升力力矩始終能維持葉輪的順時針旋轉(zhuǎn)。
螺旋形的設(shè)計可以使葉輪在各個旋轉(zhuǎn)角度下的受力情況更為接近。
圖3是上下端板的設(shè)計，將阻力型的端板設(shè)計與升力型的葉片相結(jié)合，可以提升葉輪的自啟動性能。
圖4為葉片截面圖形，垂直軸葉輪利用該種葉型產(chǎn)生的升力矩進行葉輪的驅(qū)動，實現(xiàn)對水平360°來向海流的動能捕獲。
應(yīng)用前景
經(jīng)過多次的仿真模擬，針對大小兩種葉輪進行了計算與挑選。其中直徑1m的葉輪工作于洋流區(qū)域時，工作效率可以達到26%，捕能功率超過百瓦量級，可支持功率較大的裝置。直徑0.36m的小型葉輪適用于低流速深海（超過2000m深度）布置，效率約為12%，捕能功率為毫瓦量級，可以支持低耗電的深海探測裝置的長期自運行。該葉輪設(shè)計主要用于維持其他單個裝置的工作，不宜建廠發(fā)電，為深海低品位能量捕獲提供了一種途徑。
圖片格式：
圖1 深海發(fā)電情況示意圖
圖2 葉輪模型與工作狀態(tài)示意
圖3 端板的阻力型設(shè)計
圖4 選取NACA0018標準葉型
圖 適用于微型供電的構(gòu)想
表格格式：
表1 部分仿真模擬結(jié)果
|
裝置大小 |
環(huán)境流速 |
設(shè)定轉(zhuǎn)速 |
平均轉(zhuǎn)矩 |
捕能功率 |
捕能效率 |
|
1m*1.8m |
1.0m/s |
10r/min |
229.4N·m |
240W |
26.7% |
|
0.36m*0.64m |
0.5m/s |
10r/min |
1.11N·m |
1.16W |
8.0% |
|
0.36m*0.64m |
0.05m/s |
1r/min |
0.0165N·m |
1.73mW |
12.0% |
