馮寶山，徐 磊

(1.河南省交通高級技工學校，河南 駐馬店463000;2.鄭州大學 電氣工程學院，河南 鄭州450000)

0 引 言

潮流能是一種新型的可再生能源，與常規(guī)能源相比，潮流能是一種清潔能源，對自然環(huán)境沒有任何污染;潮流能的能力密度比較低，但是分布范圍比較廣，蘊藏儲量比較豐富;潮流能有固定的變化規(guī)律，具有很強的可預(yù)測性。

潮流能發(fā)電是充分利用大自然的潮流能，將其轉(zhuǎn)化為電能，其基本工作原理是利用在漲潮、落潮過程的水流沖擊葉輪產(chǎn)生機械能，帶動發(fā)電機進行發(fā)電?？茖W地利用潮流能進行發(fā)電可有效解決電力資源缺乏的問題。

船舶除了在水中正常航行以外，每年都會有一段時間的空船期，或是遇到天氣不好的時候，錨泊在港灣或是島嶼周圍。本文所設(shè)計研究的船舶先在潮流能豐富的海域拋錨固定，放下潮流能轉(zhuǎn)換裝置，利用潮流能發(fā)電，解決船舶錨泊時船舶上工作人員的生活用電問題和低功率電氣設(shè)備用電問題。本裝置安裝拆卸方便，當船舶錨泊時將其拋入水中發(fā)電，當船舶航行時又可將其收回，不影響船舶正常航行。

1 潮流能發(fā)電裝置

船舶潮流能發(fā)電裝置，如圖1所示。

船舶潮流能發(fā)電裝置的主要功能是利用潮流能產(chǎn)生電能，實現(xiàn)潮流能向電能的轉(zhuǎn)化。

潮流能發(fā)電裝置電力系統(tǒng)包括水輪機、增速機構(gòu)、永磁交流發(fā)電機、AC /DC 整流器、DC /DC 變換器、控制系統(tǒng)、蓄電池和各類用電負載等。

圖1 船舶潮流能發(fā)電裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the tidal power generation device on the ships

1)水輪機

水輪機是潮流能發(fā)電裝置的最前端設(shè)備，也是整個發(fā)電裝置中最核心的裝置，主要作用是收集潮汐的沖擊能量，將其轉(zhuǎn)化為動能;它的工作原理是通過水輪機上的葉片收集潮流的動能，并將其轉(zhuǎn)化為機械能來驅(qū)動發(fā)電機進行發(fā)電。水輪機大部分都是旋轉(zhuǎn)類的，按照其結(jié)構(gòu)方式一般分為水平軸和垂直軸2 種。由于漂浮式拋錨難免出現(xiàn)小幅的波動，并且海上潮流方向并不是標準規(guī)則方向的流向，故采用垂直軸潮流能水輪機有一定優(yōu)勢。垂直軸水輪機是利用葉片的升力和阻力進行能量轉(zhuǎn)化，可以實現(xiàn)較高的獲能效率?？刂迫~片攻角的傳統(tǒng)方法有擺桿式、連桿式、彈簧式。擺桿式和連桿式造價高并且機構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致以后故障率高，維修成本高，實際應(yīng)用并不理想。彈簧式結(jié)構(gòu)簡單，省去了復(fù)雜的機械機構(gòu)，但彈簧存在疲勞強度，長時間工作會損壞，必須定期更換。

2)增速機構(gòu)

主要作用是將轉(zhuǎn)速較低的葉輪轉(zhuǎn)化為高轉(zhuǎn)速。

3)發(fā)電機

主要作用是將潮汐能轉(zhuǎn)化的動能轉(zhuǎn)化為交流電;目前在潮流能發(fā)電機組中應(yīng)用的發(fā)電機主要有2 種:一種勵磁發(fā)電機，用于大型(大功率)并網(wǎng)式潮流能發(fā)電機組;另一種是永磁發(fā)電機，用于中小型(中、小功率)離網(wǎng)式潮流能發(fā)電機組。本裝置采用永磁同步發(fā)電。永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，可靠性好，工作噪聲小，維護方便;采用永磁鐵勵磁方式，不存在勵磁繞組引起的銅損耗，具有較高效率。

4)AC/DC 整流器

主要作用是將發(fā)電機發(fā)出的交流電變?yōu)橹绷?，由于船用電一般都是三相制式的，所以AC/DC 整流器一般采用三相全橋整流電路;

5)DC/DC 變換器

由于風浪和天氣等因素影響，產(chǎn)生的電能不穩(wěn)定，同時由于負載功率的變化，也會對發(fā)電裝置運行產(chǎn)生影響，DC/DC 變換器通過閉環(huán)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定可調(diào)。產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓，經(jīng)過充電電路給蓄電池充電;

6)蓄電池

主要作用是儲存能量，給外部負載供電，也可與發(fā)電裝置一并向外部負載供電，能耗負載用來保護發(fā)電系統(tǒng)。

7)控制系統(tǒng)

整個發(fā)電系統(tǒng)的大腦，一般采用DSP 或單片機，對系統(tǒng)中整流器、DC/DC 變換器以及蓄電池進行控制與調(diào)節(jié)，通過控制功率開關(guān)器件的通斷，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，同時實現(xiàn)系統(tǒng)的過壓、過流和過溫等保護功能。

8)各類用電負載

主要是指照明、通信、報警等一些基本的用電負載，不包括大功率的電動機推進負載。

整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 船舶潮流能發(fā)電裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the tidal power generation device on the ships

一些潮流能發(fā)電裝置，為了實現(xiàn)對潮流能的最大能量轉(zhuǎn)化以及輸出功率的穩(wěn)定，增設(shè)了變槳距結(jié)構(gòu)。對于并網(wǎng)系統(tǒng)，還要設(shè)計逆變器等?？傮w來看，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、經(jīng)濟成本較高，并且一般應(yīng)用于大中型發(fā)電裝置。

本文設(shè)計的船舶潮流能發(fā)電裝置，是小功率的獨立發(fā)電系統(tǒng)，產(chǎn)生的電能主要是供船舶的一些輔助用電設(shè)備供電，不需要為動力系統(tǒng)的電動機供電，所以整個電氣系統(tǒng)中不需要設(shè)計逆變電路。該裝置由于是在船舶錨泊狀態(tài)下使用，船在潮流的作用下，隨著潮流流向的改變而自動改變船舶的朝向，利用這一特點，將潮流能水輪機固定在船尾，這樣就能保證水輪機的葉片始終朝向潮流的流向，使水輪機始終處高效率工作狀態(tài)，這樣就無需設(shè)計變槳距機構(gòu)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

本文設(shè)計的潮流能發(fā)電轉(zhuǎn)置工作在船舶錨泊狀態(tài)下，當潮流流向發(fā)生改變時，可以使水輪機始終朝向潮流的來向，所以水輪機的捕能效率較高。當潮流能較大時，此時發(fā)電裝置發(fā)出足夠多的電能供負載使用以及給蓄電池充電?？刂葡到y(tǒng)通過光耦器件采集發(fā)電機轉(zhuǎn)速，當水輪機轉(zhuǎn)速過高時，為防止飛車，控制系統(tǒng)切入能耗負載，將發(fā)電機的轉(zhuǎn)速降低到額定轉(zhuǎn)速附近。控制系統(tǒng)根據(jù)蓄電池充電特性，通過監(jiān)測蓄電池端電壓和電流，控制蓄電池充電，防止蓄電池過充。當潮流能較小時，系統(tǒng)通過發(fā)電裝置與蓄電池一并供外部負載供電，或者蓄電池單獨給外部負載供電。系統(tǒng)依據(jù)蓄電池放電特性，通過電路監(jiān)測蓄電池的端電壓和電流，防止蓄電池過度放電。系統(tǒng)通過硬件電路設(shè)計，對負載執(zhí)行過流保護。

2 增速機構(gòu)

2.1 增速機構(gòu)方案選擇

通常用于潮流能發(fā)電的水輪機的轉(zhuǎn)速一般比較低，根本達不到發(fā)電機發(fā)電對轉(zhuǎn)速的要求，所以一定要通過增速機構(gòu)對速度進行提升。一般的增速機構(gòu)具有以下特點:

1)傳動級數(shù)

根據(jù)驅(qū)動的要求，一般從低到高有一級、二級、三級和四級的傳動形式，可分別用于驅(qū)動從低到高轉(zhuǎn)速、從小到大功率的發(fā)電機。

2)齒輪傳動方式

一般由圓柱齒輪傳動和行星齒輪傳動2 種齒輪傳動方式。

3)安裝方式

主要有底座式和和懸掛式兩大類。

4)輸出軸

有單輸出軸和多輸出軸2 種方式，其中多輸出軸一般有2個以上的輸出軸。

5)整體組合結(jié)構(gòu)

一般有一體式和分立式，目前一體式的結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多。

經(jīng)過各方權(quán)衡，本文采用一級的行星齒輪傳動+兩級的定軸線齒輪傳動的方案。方案中集成了定軸線齒輪傳動方式結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，同時也兼具行星輪傳動方式傳動結(jié)構(gòu)傳動比大、工作平穩(wěn)的優(yōu)點。本方案首先通過一級的行星齒輪傳動方式降低轉(zhuǎn)矩，然后再通過兩級結(jié)構(gòu)的平行軸齒輪傳動，既簡單又經(jīng)濟。本方案的缺點是整個裝置的體積和質(zhì)量還是比較大，但這是現(xiàn)在潮流能發(fā)電機組技術(shù)中所不可避免的。圖3是采用一級行星齒輪傳動+兩級定軸線齒輪傳動方式增速裝置整體示意圖。

圖3 增速裝置整體示意圖Fig.3 The schematic diagram of the speed-increasing mechanism

船舶發(fā)電裝置安裝在船體尾部，如果應(yīng)用常規(guī)直連方式將水輪機與發(fā)電機相連，會造成發(fā)電裝置體積尺寸過大，引發(fā)一系列問題。不僅不利于安裝，并且成本較大。由于潮流能與風能比較相似，具有波動性的特點，所以要求增速機構(gòu)具有較高的傳遞效率、較強的工作穩(wěn)定性和可靠性。目前，行星齒輪的傳遞效率已達到98%～99%，利用行星齒輪來代替常規(guī)水輪機與發(fā)電機直連的方式，尺寸過大的問題就可以迎刃而解，雖然行星齒輪在效率傳遞中會損耗1%～2%，相同容量的高速電機比低速電機效率一般可提高3%以上，發(fā)電裝置總體效率也能得到提高。

2.2 增速機構(gòu)參數(shù)計算

本節(jié)對一級的行星齒輪傳動+兩級的定軸線齒輪傳動的增速機構(gòu)的參數(shù)計算進行計算和分析。

1)傳動裝置傳動比和齒數(shù)

分配傳動比時應(yīng)該考慮以下原則:各級傳動的傳動比應(yīng)在合理范圍內(nèi)，不超出允許的最大值，以符合各種傳動形式的工作特點，并使結(jié)構(gòu)比較緊湊;應(yīng)注意使各級傳動件尺寸協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)勻稱合理。

根據(jù)原始數(shù)據(jù)可知該系統(tǒng)的總傳動比為:

在此傳動系統(tǒng)中，行星傳動選的是NGW 型行星齒輪傳動，它的推薦傳動比為3～9，初步選取行星輪系的傳動比為5.5。

行星輪系傳動中各齒輪的齒數(shù)不可隨意選取，需要根據(jù)行星輪系傳動的特點，滿足相應(yīng)的傳動條件、鄰接條件、同心條件和裝配條件，才可以正常傳動。

取中心輪齒數(shù)Z1=20 ，內(nèi)齒圈齒數(shù)Z3=90，則行星輪的齒數(shù)，

后面的兩級定軸線齒輪傳動的傳動比為

兩級傳動比分配為

初補選取低速軸小齒輪的齒數(shù)Z4=21，則與之相配的大齒輪齒數(shù)

取第Ⅱ級斜齒輪傳動的小齒輪齒數(shù)Z4=25，則與之相配的大齒輪齒數(shù)

2)各軸的轉(zhuǎn)速

行星輪機輸入軸:

中心輪軸I 軸:

第I 即斜齒輪傳動II 軸:

第II 即斜齒輪傳動III 軸:

3)各軸的功率

如果取額定功率P=1 000 kW，設(shè)發(fā)電機和各級齒輪箱的效率η=0.9，則可得到各軸的功率:

第II 即斜齒輪傳動III 軸的功率:

第I 即斜齒輪傳動II 軸的功率:

中心輪軸I 軸的功率:

行星輪架輸入軸的功率:

所以輸入功率至少要1 100 kW，才能滿足1 000 kW的負載功率需求。

4)各軸的轉(zhuǎn)矩

行星輪機輸入軸的轉(zhuǎn)矩:

中心輪軸I 軸的轉(zhuǎn)矩:

第I 即斜齒輪傳動II 軸的轉(zhuǎn)矩:

第II 即斜齒輪傳動III 軸的轉(zhuǎn)矩:

4)齒輪參數(shù)的確定

由上面對轉(zhuǎn)矩的計算，可以計算出中心輪，太陽輪及內(nèi)齒圈的分度圓直徑:

同理可以計算出d2=550 mm，d1=330 mm。

3 結(jié) 語

本文對船舶的潮流能發(fā)電裝置進行設(shè)計與研究。對船舶發(fā)電裝置的構(gòu)成進行分析，重點對裝置中的增速機構(gòu)進行了設(shè)計與分析。綜合各方因素，本方案最終選擇采用一級行星齒輪傳動+兩級定軸線齒輪傳動的方案，并對方案中各個齒輪的轉(zhuǎn)速、功率、直徑等參數(shù)進行了計算。

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