多向风能与文丘里效应的水上漂浮发电装置研究

多向风能与文丘里效应的水上漂浮发电装置研究

王子坤 王位阳 张灿通 付文成

天津理工大学机械工程学院 天津 300384

天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室 天津

机电工程国家级实验教学示范中心（天津理工大学） 天津 300384

摘要：针对现有的浮动发电平台空间与材料利用率不高的问题，设计了一款可以同时利用多向风能与水流能的浮动发电装置。此设备水上使用垂直轴风力发电机收集多向风能；水下使用文丘里管对水平方向的低速高能的水流进行加速，推动水力涡轮旋转，同时利用其结构设计辅助浮板为垂直轴风力发电机提供稳定的工作平台。实验结果表明，该装置的结构稳定性与输出特性均满足需求，装置总重量较分别安装减重40%-50%，日常工况下，发电功率可维持在30W以上，在同重量发电装置中属优秀水平。

关键词：水上浮动平台；文丘里效应；垂直轴风力发电系统

引言

风能和海洋流动能作为一种新能源，它们的开发利用是有一定动因的。20世纪80年代以来，工业发达的一些国家掀起了研制高能效、高产出的风力发电机组的浪潮，并且取得了巨大的进展与成果。

“十四五”期间，我国风电产业仍将持续每年15GW以上的新增装机速度。开发和综合利用风能与海洋流动能，对推动中国发电机组的革新以及“十四五”规划的顺利进行有着重要作用，市场前景看好。

1总体设计

1. 1. 文丘里管水力发电系统

本装置在文丘里管内部装有水力涡轮其效率可高达90%以上。当水流过阻挡物时，在阻挡物的背面上方端口附近水压较低，这个低压区域靠近工件时会对工件产生一定的吸附作用，这时文丘里管将水流由粗变细，降压增速加快液体流动。文丘里管水力发电系统的原理图如图1所示。

图1 文丘里管水力发电系统原理图

影响文丘里管水力发电系统涡轮转速的主要因素为水流流速、收缩段长度与管喉部直径之比以及接收水能的有效面积。涡轮转速在其他影响因素一定的条件下随水流速度的增大而增大，涡轮转速随收缩段长度与管喉部直径之比的增大而增大，且在比值1.5处达到极限值，涡轮转速增加约40%。在面积比为8.27时，可使涡轮转速增加约50%且随着面积比的增加大致呈线性增长^[1]。因而可在运行条件允许的情况下适当的增大有效受水面积从而增加发电效率。

1. 2. 垂直轴风力发电系统

垂直轴风力发电机可以接受任何风向的来风。由于不需要安装和调整转向装置，因而其在机构设计上较为简单。同时，由于它的发电机组可以安装到地面上，对其进行维护非常方便。由于结构设计不同，相比于水平轴风力发电机，其在发电功率相同时有更低的重心，它可以有效降低装置的整体重心，减少侧翻的风险，同时可以用更小的浮板。综合多种情况，当重心下降10mm可以使浮板的宽度和长度均减少10mm，由此可以看出，垂直轴风力发电机对于该系统不可取代的作用。垂直轴风力发电系统的原理图如图2所示。

图2 垂直轴风力发电系统原理图

1. 3. 浮板转向系统

文丘里管发电系统在发电过程中，由于其工作原理需改变文丘里管受水装置的方向，鉴于其投入使用的环境以及便携性等设计指标，本装置采用了类梭形板体，在保证了整体装置在水面漂浮的稳定性的同时又实现了根据实时水流变化改变朝向的目标，无机械结构，减少设计与生产难度，降低生产、维护成本，同时增强系统在强风状况下的稳定性，是设计上的一大突出亮点。

1. 4. 装置结构

本装置在漂浮板上部布置垂直轴风力发电机，在漂浮板下方布置文丘里效应发电装置，利用浮板中的空洞效应提升项目直立稳定性。本装置主要由文丘里管水力发电系统、垂直轴风力发电系统、浮板转向系统组成最终的基于多向风能与文丘里效应的水上漂浮发电装置，装置结构如图3所示。

半潜式垂直轴风力发电平台相对于张力腿平台和spar平台相比，有适用范围广、甲板面积大、甲板载荷可变范围大等优点^[2]。在平台底部安装文丘里管发电系统后，可减少为保持平台稳定而增加的质量，降低重心，提高稳定性。在相同装机功率的情况下，该系统相比与分别安装可减少约40%的重量。

传统装置通常分别建设，风能可提供较大功率但受其不确定性影响很难提供稳定的能源供给，水能供能稳定但在不建设蓄水坝时功率较小，建设困难、安装复杂。本产品在控制体积降低安装难度、具有一定便携性的同时提供稳定能源，降低储能设备的投入，最大限度的增大发电量，很好的达到节能减排作用。

图3 装置整体示意图

1. 5. 装置设计参数

1.依据垂直轴风力发电机相关数据计算与其他材料的规格，选定发电机高420mm，旋转直径220mm、叶片长度250mm、重量700g。在以浮板中心为基准线的情况下，重心在产品几何中心上方30mm处，重心低，稳定性好，降低侧翻几率

2.为保证运行过程中装置稳定，设在风速18m/s时，有效受风面积约为200cm

²，根据风阻公式F=0.5×CρSV²，风阻系数约为1，空气密度约1.293g/L。可以得到所受风阻约为4N，风力力矩约为1.2N/M，充分考虑由波浪所产生的波浪影响，选取了参数为90×45×4cm的漂浮板。

3.常见水流速度为1.2m/s所选取的发电涡轮机在12.8m/s后功率增长放缓。考虑损失与根据实验得到的理论后应由大于涡轮受水截面积20倍以上的受水面为文丘里管发电系统提供足够的流速支持。为满足更低流速的工作需求，考虑到装配难度的问题与管道湍流时边界处扰动问题，在涡轮叶片与管道内壁间留1mm的距离，故选取直径为32mm的涡轮、直径为35mm的PVC管以及最大截面直径为260mm的漏斗来组成装置。

2装置性能分析

垂直轴风力发电机200r/min达到额定转速，发电机输出曲线较硬，在风速5-8m/s时其发电量较其他类型风力发电机高10%-30%。抗风能力强，可在45m/s的极强风下正常工作，小型水平轴风力发电机组风能利用率在23%-29%，垂直轴风力发电机利用率在40%以上^[3]。在5级风力下实测功率可以达到20W以上。本装置采取定子无铁心轴向永磁发电机，此发电机有结构紧凑、轴向尺寸小、功率密度高、效率高等优点，同时由于其定子无槽无铁芯，消除了铁槽转矩与电枢铁芯损耗，有更低的启动转矩^[4]。在一般的风速情况下电压如图4所示。

图4 一般的风速情况下电压变化图

垂直轴发电机在风速为4级时发电电压为4.2V，5级风时达到5.7V供电电压。在风速大于六级时仍大致以线性上升，且不需要设置限速装置，简化了装置整体设计和制造的难度，降低了生产成本，同时规避了风力发电机限速装置的技术壁垒。

文丘里管技术运用喉管处流速最大的特性，可以大幅度的提高单发电机发电效率，本装置受水截面积相对于涡轮受水面积提升25倍，发电量可增加十倍。经测试在水流速度为0.6m/s的水流下发电电压约为4V。配合稳压板与usb板，可将发电机提供的电转化为5V充电电压。可同时为两个设备提供充电服务。配合逆变器，可产生220V交流电，满足绝大多数的使用需求。

3 结论

本装置将垂直轴风力发电机与文丘里管水力发电系统有机结合，将其布置在浮板之上使之具有便于安装、便于维护的特点，实现了风能与水流能的联合利用。同时可以在浮板上表面铺设光伏发电，形成三位一体供能体系，提供更高的能量密度与能量稳定性。根据实测，常规风速与常规水流速度的情况下，机组输出功率可以稳定在30W以上，满足设计供电需求，机组总重量在2100g，较分别安装减重40%-50%同时减少占地面积与材料浪费。

参考文献

[1] 董志勇.正向海流情形双向叶片涡轮机文丘里型增速装置[C]//中国可再生能源学会海洋能专业委员会第三届学术讨论会，2010.

[2]童波.半潜式平台系泊系统型式及其动力特性研究[D].上海:上海交通大学，2009.

[3]林毅贞，伍玩秋，潘新宇.垂直轴风力发电机组的优点及其发展前景[J].中小企业管理与科技，2020（8）:169-171

[4]黄允凯，周涛，董剑宁，等.轴向永磁电机及其研究发展综述[J].中国电机工程学报.2015，35(1):192-205.

基金资助：天津市大学生创新创业训练计划资助项目(202010060034)