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(dòng)力工程系
指導(dǎo)老師：譚磊 能源與動(dòng)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(zhǎng)期工作裝置的能量來(lái)源是一個(gè)重要的問(wèn)題，而海流能幾乎成為深海進(jìn)行獨(dú)立供電的唯一可用能源。進(jìn)行發(fā)電的同時(shí)，我們面臨著深海水流速很低、來(lái)流方向變化復(fù)雜等問(wèn)題，故本文設(shè)計(jì)使用不受來(lái)流方向的Darrieus型垂直軸葉輪，并進(jìn)行翼型優(yōu)化與螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)提高葉輪的獲能效率、穩(wěn)定性與自啟動(dòng)性能。
項(xiàng)目背景
深海中不存在太陽(yáng)能、風(fēng)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(shí)，海流能幾乎成為了在深海唯一能夠利用的獨(dú)立供電能源。進(jìn)行深海探測(cè)和開(kāi)發(fā)離不開(kāi)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(duì)海水流向的要求較高的問(wèn)題，為此，我們考慮到使用垂直軸葉輪的設(shè)計(jì)與使用，其不受來(lái)流方向影響的優(yōu)點(diǎn)可以很好地解決這一問(wèn)題，同時(shí)傳統(tǒng)的垂直軸葉輪也有自啟動(dòng)性能差，受力不穩(wěn)定等不足，而且多用于風(fēng)力發(fā)電，使得我們需要對(duì)其結(jié)構(gòu)、參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)適應(yīng)深海發(fā)電過(guò)程。
模型構(gòu)建
圖2為發(fā)電葉輪的模型設(shè)計(jì)，面對(duì)任意方向的來(lái)流時(shí)，葉片所受到的平均升力力矩始終能維持葉輪的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
螺旋形的設(shè)計(jì)可以使葉輪在各個(gè)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(jì)，將阻力型的端板設(shè)計(jì)與升力型的葉片相結(jié)合，可以提升葉輪的自啟動(dòng)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(jìn)行葉輪的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水平360°來(lái)向海流的動(dòng)能捕獲。
應(yīng)用前景
經(jīng)過(guò)多次的仿真模擬，針對(duì)大小兩種葉輪進(jìn)行了計(jì)算與挑選。其中直徑1m的葉輪工作于洋流區(qū)域時(shí)，工作效率可以達(dá)到26%，捕能功率超過(guò)百瓦量級(jí)，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(guò)2000m深度）布置，效率約為12%，捕能功率為毫瓦量級(jí)，可以支持低耗電的深海探測(cè)裝置的長(zhǎng)期自運(yùn)行。該葉輪設(shè)計(jì)主要用于維持其他單個(gè)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(jì)
圖4 選取NACA0018標(biāo)準(zhǔn)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% |
