风能和洋流动能的水上发电机结构设计1.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3003843.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：本文设计水上发电机是一款针对目前海上风力发电和水力发电综合效率不高的情况下能同时利用风能和大海洋流动能的水上发电机。漂浮板上方设置垂直轴风力发电机，漂浮板下方设置可利用文丘里效应提高液体流速来增加发电量的发电装置。通过上下装置共同工作可同时将风能和洋流动能转换为电能，实现了风能和海洋能的联合利用。经检测，装置能在8级风速下稳定工作，在风速为4-5级风、水流平均速度为0.6m/s时，本发电机提供的直流电可转化为5V的手机充电电压，为各种移动设备提供电能，同时可将多余电能存储到蓄电设备中，提升能源的综合利用效率。关键词：文丘里效应；垂直轴风力发电机；洋流动能发电引言由于目前的海上风力发电设备仅着眼于将风能转化为电能，对于洋流动能利用程度有所不足。因此，本项目提出了一种可以同时利用风能和洋流动能的“风能水能一体发电机”。本装置的结构可以实现风能和海洋能的联合利用，提高风能和海洋能的综合利用率，增加装机发电总量。1总体设计本项目主要通过文丘里管对水平方向水流进行加速，实现高速水流动能转换为电能；同时，利用浮板上方的垂直轴风力发电机进行全向风能的收集，进而将风能最大程度的转化为电能。装置整体设计如图1所示，实物如图2所示。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、浮板系统和蓄电系统组成，具体结构设计如下。图1装置整体示意图图2装置整体实物图1.1文丘里管水力发电系统根据文丘里管特性，当流体在文丘里管中流动时，根据每一截面的流体体积流量相同，对不可压缩流体在定常状态下由连续性方程式v1A1=v2A2可得：在文丘里管喉部位置，管道的直径最小，相应的流体的速度达到最大值，同时压力达到最小值。流体在流经喉部截面前因文丘里管横截面积成渐缩分布，导致流体流速逐渐增大，相应的压力也在同一时间逐渐减小，进而在管道中会产生一个压力差，该压力差可以给流体提供一个外在的吸引力，增加输入流体的流量。根据装置整体特性，综合考虑各种情况，采用250mm至30mm的渐缩管可满足本设计的工作需要。文丘里管水力发电系统原理如图3所示,实物如图4所示。本产品设计在文丘里管内置涡轮叶片，经专门设计后的水力涡轮，其效率可以达到90%，考虑涡轮与管壁的间距，以及涡轮叶片大小对效率的影响，取涡轮的尺寸为28mm。其次，由于流水的侵蚀与冲击对涡轮叶片的影响，采用粘接强度高且具有优异耐水、耐酸碱、耐腐蚀性等众多优点的PVC胶进行连接。考虑装置[1]重心与稳定性以及装置尺寸，取文丘里管直管部分与漂浮板连接管长比例为3:1、渐缩管与直管比例为19:7，经过计算算得减缩管与直管和连接管重量之和的比为1：1，重心处于渐缩管与直管交接处，即可按漂浮板重心和装置整体示意图进行安装，如图1所示。影响文丘里管的内置涡轮发电机转速的主要因素为长径比与面积比。由实验可知，理想条件下，涡轮转速约在长径比即收缩段长度比喉部直径L/d=1.5处取得极大值，涡轮转速约增加40%；面积比A1/A2=8.27时，可使涡轮转速增加约50%，且随面积比增大涡轮转速大致呈线性增长。由于表层水具有较高的水平方向速度，该部分将会被安放在水平面下十五公分左右，当水流从正面流向装置流经过文丘里管，由于压差吸引作用，会增大水流的进入量以及相应的提高水流的进口速度，水流经文丘里管效应不断提速后，将以最大速度冲击涡轮叶片，从而带动涡轮进行旋转，进行发电。[2]图3文丘里管水力发电系统原理图图4文丘里管水力发电系统实物图1.2垂直轴风力发电系统考虑到本发电机为海上工作，因此特别选用阻力型垂直轴风力发电机作为主要发电装置之一，其具有结构简洁、便于安装、转速较低、启动性优秀等特点，且其叶尖速比在0.5至0.9左右能获得较高功率输出，因此它更适合用于微型化漂浮平台发电，装置具体结构与设计思路如下。其原理如图5所示，实物如图6所示。装置的设计思路。为加强防水防锈，延长装置使用寿命。发电机轴采用人性化法兰安装方式。所...
