深海超低速海流能发电装置

作者：汪尔奇、李光浩、甄紫涵、李兆滢、陈泽兵、张芝瑜 能源与动力工程系

指导老师：谭磊 能源与动力工程系

关键词：深海发电，海流能，螺旋型，垂直轴发电

摘要

在深海的环境下，长期工作装置的能量来源是一个重要的问题，而海流能几乎成为深海进行独立供电的唯一可用能源。进行发电的同时，我们面临着深海水流速很低、来流方向变化复杂等问题，故本文设计使用不受来流方向的Darrieus型垂直轴叶轮，并进行翼型优化与螺旋结构设计来提高叶轮的获能效率、稳定性与自启动性能。

项目背景

深海中不存在太阳能、风能、波浪能等容易获取的可用能源，有的只是低流速、不确定的海流，还有复杂的自然环境，此时，海流能几乎成为了在深海唯一能够利用的独立供电能源。进行深海探测和开发离不开可靠的发电装置为之提供能量，而传统水平轴发电叶轮存在对海水流向的要求较高的问题，为此，我们考虑到使用垂直轴叶轮的设计与使用，其不受来流方向影响的优点可以很好地解决这一问题，同时传统的垂直轴叶轮也有自启动性能差，受力不稳定等不足，而且多用于风力发电，使得我们需要对其结构、参数进行优化设计，来适应深海发电过程。

模型构建

图2为发电叶轮的模型设计，面对任意方向的来流时，叶片所受到的平均升力力矩始终能维持叶轮的顺时针旋转。

螺旋形的设计可以使叶轮在各个旋转角度下的受力情况更为接近。

图3是上下端板的设计，将阻力型的端板设计与升力型的叶片相结合，可以提升叶轮的自启动性能。

图4为叶片截面图形，垂直轴叶轮利用该种叶型产生的升力矩进行叶轮的驱动，实现对水平360°来向海流的动能捕获。

应用前景

经过多次的仿真模拟，针对大小两种叶轮进行了计算与挑选。其中直径1m的叶轮工作于洋流区域时，工作效率可以达到26%，捕能功率超过百瓦量级，可支持功率较大的装置。直径0.36m的小型叶轮适用于低流速深海（超过2000m深度）布置，效率约为12%，捕能功率为毫瓦量级，可以支持低耗电的深海探测装置的长期自运行。该叶轮设计主要用于维持其他单个装置的工作，不宜建厂发电，为深海低品位能量捕获提供了一种途径。

图片格式：

图1 深海发电情况示意图

图2 叶轮模型与工作状态示意

图3  端板的阻力型设计

图4  选取NACA0018标准叶型

图  适用于微型供电的构想

表格格式：

表1 部分仿真模拟结果