简介“一种锚系漂浮式海浪能发电装置”的构想

任秋魁，任 琦，张 敏

（西安帆布厂，陕西 西安 710001）

新能源的开发与应用是人们一个永久探讨的话题，而海洋可再生能源的开发与利用，更是沿海地区及海岛区域获取清洁能源优先考虑选择研发应用的重要途径。当前海洋能的开发与应用已有很多方案被研发、实施、应用，并且获得了良好的效益。

在了解认知已有的多种海洋能发电装置的开发、应用的大环境中，本文在此提出“一种锚系漂浮式海浪能发电装置”的构想。

海洋能的开发与应用是一项需要多部门、跨学科协作的综合项目，它包括能量吸收、转换（获取动力）、发电、电力变换等问题。基本研究问题有资源分布、功率特性、能量俘获、转换过程、储存与利用等。它涉及海洋工程、流体力学、工程力学、机械工程、电力工程、控制工程以及环境科学等多种学科领域。

本文简介“一种锚系漂浮式波浪能发电装置”的构想，以能源收集、机械能转换为中心阐述。在结构组合上，提出了一种构想，为海洋能源的开发与利用提供一些参考。

本文提出“一种锚系漂浮式海浪能发电装置”的构想，它是以波浪（动）能为主要动力源，通过旋翼浮力桨花键竖轴式海水轮机（以下简称“海水轮机”）变速系统及发电机等组成的发电机组，以锚系漂浮平台为基座，从而进行发电的装置。“一种锚系漂浮式海浪能发电装置”示意图如图1 所示。它由旋翼浮力桨花键竖轴式海水轮机、变速系统、发电机、漂浮平台、锚固系统等部分组成。

图1 锚系漂浮式海浪能发电装置示意图

1.1 海水轮机

在本结构中，使用的是“旋翼浮力桨花键竖轴式海水轮机”。它是以海浪（海流）的动能冲力为主要自然动力源，风、潮、涌兼蓄。以海水浮力为依托而设计的海洋能收集转换设备的专利产品。它具有转速低、质量大、推力大，从而形成大功率转矩的特点。它以固定竖轴为着力点，以具有浮力及特定结构要求设计的漂浮在海面上的旋翼浮力桨组合件，作为海浪动能的收集承力面，在海浪动能的作用下，通过套在固定竖轴上的空心花键竖轴系统形成转动，从而输出转动力矩，为发电系统提供动力（注：该海水轮机还可以作为水泵系统的动力源）。

由于“旋翼浮力桨花键竖轴式海水轮机”是本发电装置中收集转换海浪能的关键单元机，因此将该单元机的基本原理及结构简述如下。

1.1.1 旋翼桨框、叶的原理结构及作用

如图2 所示，它是一个以立柱为轴，可以形成转动的由刚性桨框及桨叶组成的转动结构机械。在波浪波速的推动下，由于桨叶运转在不同位置时的空间姿态不同，因此受力也不相同，从而形成动力差导致形成不平衡转动。

图2 旋翼桨框、叶的原理结构及作用示意图

1 叶面、2 叶面在所处位置所受的力分别为：F=··S·，F=··S·sin·，F＞F，其中，为系数（效率），为比重（水的密度），S和S分别为1 叶面、2 叶面的面积，为波速，为旋翼桨叶倾斜时与水平面的夹角。

1.1.2 旋翼浮力桨原理结构及作用

旋翼浮力桨原理结构及作用示意图如图3 所示，在这里把加装了浮筒的旋翼桨称为旋翼浮力桨，而浮筒的几何形状，可依据产品设计需求设计为多样式多形状的几何形体。它的作用在于使旋翼浮力桨组合件始终漂浮在海平面的适当位置，进而收集转换波浪能为机械能。

图3 旋翼浮力桨原理结构及作用示意图

1.1.3 设例说明

设已知条件均在理想状态下，且需专业评审。

设：一旋翼浮力桨花键竖轴海水轮机，叶轮直径=30 m，可计算桨叶面积=10 m，即为一长10 m、宽1 m 的长方形桨叶；
计算力矩半径=10 m，效率系数=0.3；
安装环境符合运行条件波高为0.5 m，波速≈0.3 m/s。

试用常规算法，求输出端输出扭矩的值。

式（1）中：为扭矩，kg·m；
为效率系数；
为海水密度，kg/m；
为面积，m；
为波速，m/s；
为力矩半径，m。

结果：输出端扭矩=2 700 kg·m。

注：该可与变速系统及载荷进行总体再计算。

1.1.4 旋翼浮力桨花键竖轴式海水轮机原理结构及作用

旋翼浮力桨花键竖轴式海水轮机原理结构示意图如图4 所示，其由立柱基座、旋翼浮力桨组合件、花键轴机构等几部分组成，作用在于收集波浪能动能部分将其转换为旋转的机械能供载荷运转。

图4 旋翼浮力桨花键竖轴式海水轮机原理结构示意图

立柱及基座：固定连接在一起的立柱及基座固定在漂浮平台上，起着支架及着力点的作用，从而使旋翼浮力桨组合件和花键轴机构联动，在波浪力的作用下能形成环绕立柱的转动。

旋翼浮力桨组合件：以含有桨叶、框架、浮力等元素内容设计的旋翼浮力桨组合件，能以设计要求的空间姿态漂浮在海平面上，收集波浪能的动能部分，能量收集的大小与旋翼浮力桨组合件中桨叶面积的大小、形状有关，即桨叶面积越大，能量收集效果也越好。该机构也适应波浪能多向性、往复性的特点。

花键轴机构：花键轴机构为适应波动起伏及潮汐涨落而设计。它能在波动起伏及潮汐涨落变化时，仍能随动旋翼浮力桨组合件的上下位移，不断传递扭矩。花键轴机构由带吊耳的花键轴套及一端带齿轮的空芯花键轴组成，花键轴套通过吊耳与旋翼浮力桨组合件相联接收能量，再通过传递由空芯花键轴一端的齿轮进行能量输出，并与变速系统连接进而带动负载。

1.2 变速系统

由于海水轮机具有低转速（约几分钟1 转）大扭矩的特性，所以需要通过变速系统将低转速变换至发电机所需的额定转速，并且达到与发电机功率所需扭矩的匹配。

1.3 发电机

为了适应海水轮机低转速、大推力的特性，与低转速中低功率的水轮发电机配套较相适应，在此基础上进行双向协调设计制造，以达到使整体海水轮发电机组协调、安全有效运行的目的。

1.4 漂浮平台

它是一个满足设计要求的密闭的浮式平台，由锚链系统系留在一定海深的设计位置中，在悬浮的固定空间位置上，起到承载海水轮发电机组安全运行的作用，保证海水轮发电机组的质量及在运行状态下力学变化时的整体稳定性。

1.5 锚固系统

锚固系统即依据海水轮发电机组的功率要求及安装地的环境状况，所设计生产一套满足设计要求的锚链、锚固系统。

这一装置特点如下：①由特定结构设计的（叶轮）旋翼浮力桨组合件，在海浪作用下，形成了能满足设计功率要求的平面转动；
②依托浮力大大减轻了旋翼浮力桨组合件（即叶轮）对主机架的正压力；
③由于是平面转动，而且以浮力为依托，因此旋翼浮力桨组合件（即叶轮）可以进行大直径重吨位设计；
④依据实际功率需求，可以设计生产功率大小不一的多级产品；
⑤旋翼浮力桨花键竖轴式海水轮发电机组在浅海可以依托固定基桩平台，在深海可以与锚系式漂浮平台作为工作基面，形成不同的组合，从而保证满足发电机组的正常运转。

由于海洋可再生能源的开发与利用是一个需要多部门、跨学科协作的综合项目，本项目研发小组在有限学科、有限学域的基础上，结合已认知的海洋可再生能源项目的相关指导，提出了“一种锚系漂浮式海浪能发电装置”的构想，在进一步经过专业理论的鉴定及实践的检验中，为海洋可再生能源的开发与利用提供参考与借鉴。