一种小型垂直轴潮流能发电装置的设计与研究

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改革开放以后，我国经济高速发展。在旺盛的电力需求带动下，煤炭和电力生产能力增长迅速，目前基本能够满足市场需求，但能源供应安全和能源环境形势一直严峻。在“十三五”期间，我国经济发展面临新常态，经济转型迫在眉睫，为此我国政府提出创新、协调、绿色、开放、共享五大发展理念。能源发展的方向必将转向清洁、高效、低碳的可再生能源上来，其中海洋新能源的发展方兴未艾。在海洋潮流能发电领域，水平轴潮流能发电装置凭借较高的能量利用系数，占据着潮流能发电的主要地位，但是在低流速下难以启动、在高流速时抗压能力不足以及电气设备位于水下所造成的密封问题成为制约其发展的因素。与之相对的是垂直轴潮流能发电装置，尽管能量利用系数稍低但是具有结构稳定、启动性能好、不受水流方向影响等优点，渐渐受到人们的关注。垂直轴潮流能发电装置叶片的水动力性能分析方法与垂直轴风力发电机动力性能分析方法类似，根据数学模型的理论依据可以将分为三类：（1）基于动量定理的方法，（2）基于旋涡理论的方法，（3）基于求解N-S方程的CFD方法。计算流体力学的理论基础是物理学三大定律，即动量守恒定律、质量守恒定律、能量守恒定律。Fluent主要原理是求解不可压缩粘性流体运动方程，即N-S方程。讨论了湍流模型和旋转模型，本文选择使用旋转坐标方法建立运动模型，它可以较为真实地模拟旋转叶片和流场间的相互影响，从而描述叶片旋转区域的流场特征。本文利用Ansys Fluent对Savonius叶片数量对水轮机的影响做了流体仿真分析。分别模拟了2--8叶片7种不同的水轮机，在一定流速下（1m/s）的压力、湍流强度和速度大小分布云图。通过对叶片两侧的压力分布情况的分析可知，Savonius叶片在一、三、四象限产生正转矩，带动水轮机做旋转运动，叶片在第二象限产生负转矩，阻碍水轮机沿逆时针方向做旋转运动。2叶片和3叶片的Savonius水轮机的压力梯度分布在更大的区域，更为均匀，容易获得稳定的转矩。通过分析湍流强度图像可知2、3、4叶片的Savonius水轮机的湍流强度分布比较均匀，而5-8叶片水轮机叶片周围的湍流强度分布越来越不均匀，这会导致水轮机在运转时产生空化现象并使效率降低，因此从能量利用率来看，2--4叶片的Savonius水轮机具有更好的性能。而通过对阻力和转矩曲线图的分析可知，2叶片的Savonius水轮机受到更大的阻力和转矩，因此能够获得更高的效率。结合 Savonius叶片的工作原理，文章提出了一种新型的潮流能发电装置。包括：上下两组Savonius型垂直轴叶片、定子和转子均可转动的发电机（该发电机的定子与外壳相连）、固定支架。其中，发电机通过支架固定在浮体上，上下叶片同轴对置（间隔180度），上叶片通过转轴与发电机的转子连接，下叶片通过转轴、套筒与发电机的定子连接。当水流通过时，上下叶片同轴反向旋转，同时带动发电机的定子和转子各自延相反方向旋转进行发电。 Savonius叶片是一种比较典型的阻力型叶片，工作时对稳定性要求较高。文章分析了各主要材料的优缺点后选择玻璃钢作为制造叶轮的材料。对发电装置工作时的轴承进行选择与校核，确保装置的安全。通过ANSYS的CFX模块，选用基于标准k-?湍流模型，对整个装置模型进行流体分析，得到水轮机的压力云图、速度云图等。通过Static structure模块进行流固耦合分析和结构强度分析，获得了叶轮结构的应力及变形分布。将有限元仿真得到的结果进行处理和分析，得到叶片在旋转过程中产生扭矩的情况，根据功率的计算公式，得到小型Savonius潮流能发电装置的功率特性，并计算求得发电装置的功率。文章最后结合该潮流能发电装置的设计思路，设计相应的水槽实验。验证2-4叶片Savonius叶轮的性能优劣，验证小型潮流能发电装置的发电功率和计算机模拟得到的理论计算数值的相似度。结果表明，在相对流速相同的情况下，2叶片 savonius叶轮的转矩要稍大一些，与仿真模拟的结果相同。实验推测得到的发电装置发电功率为277.64W，与计算机模拟计算出的结果295.2W结果相差不大，误差为6.1%，属于合理误差范围之内，验证了该发电装置的有效性。

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作者
卢好阳;
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作者单位

上海海洋大学;

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授予单位上海海洋大学;
学科机械工程
授予学位硕士
导师姓名王永鼎;
年度 2016
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类基础理论及试验;风能、风力机械;
关键词
垂直轴; 潮流能; 发电装置;

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