一种小型垂直轴潮流能发电装置的设计与研究--《上海海洋大学》2016年硕士论文
一种小型垂直轴潮流能发电装置的设计与研究
【摘要】：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。
【关键词】：
【学位授予单位】：上海海洋大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2016【分类号】：P743.3【目录】：
摘要4-6ABSTRACT6-10第一章 绪论10-20 1.1. 课题的研究背景和意义10-11 1.2. 世界范围内潮流能资源分布11-12
1.2.1. 国外潮流能丰富的地区11-12
1.2.2. 中国潮流能储量及其分布12 1.3. 潮流能发电装置的研究状况12-17
1.3.1. 水平轴潮流能发电装置13-15
1.3.2. 垂直轴潮流能发电装置15-16
1.3.3. 其他形式的潮流能发电装置16-17 1.4. 我国潮流能发电研究状况17-19 1.5. 课题来源及主要研究内容19-20第二章 垂直轴潮流能发电装置分析方法理论基础20-26 2.1 垂直轴潮流能水轮机叶片分析方法理论基础20-22 2.2 控制方程22-23 2.3 湍流模型和旋转模型23-24 2.4 相关仿真软件24-26第三章 Savonius潮流能发电装置叶片仿真及优化26-41 3.1 垂直轴潮流能发电装置叶片的选择26 3.2 叶片的仿真及优化26-32
3.2.1 叶片参数的设计及物理模型的建立27-29
3.2.2 边界条件的设定29-30
3.2.3 网格的划分30-31
3.2.4 求解器求解31-32 3.3 仿真结果分析32-41
3.3.1 Savonius叶片水轮机的仿真分析32-35
3.3.2 叶片数量对Savonius水轮机的影响35-41第四章 Savonius潮流能发电装置的设计与仿真模拟41-58 4.1 Savonius潮流能发电装置的设计41-46
4.1.1 发电装置的结构41-43
4.1.2 转轴的选择与校核43-45
4.1.3 轴承的选择与校核45-46 4.2 发电装置CFD分析46-53
4.2.1 模型网格划分46-47
4.2.2 模型导入及建立内外部流场47-48
4.2.3 仿真分析前处理48-50
4.2.4 仿真结果分析50-53 4.3 潮流能发电装置流固耦合分析53-58
4.3.1 流固耦合分析基础53-55
4.3.2 流固耦合结果分析55-58第五章 水槽实验58-62 5.1 2-4 叶片Savonius叶轮空载实验58-61 5.2 发电装置功率的定性分析61-62第六章 总结与展望62-64 6.1 全文总结62-63 6.2 展望63-64参考文献64-66致谢66-67攻读硕士学位期间的科研成果67
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京公网安备75号新型踏步健身发电装置设计说明书；设计者：赵瑞山齐志佳何鹏肖剑；指导教师：孙方红徐萃萍；（辽宁工程技术大学创新实践学院辽宁阜新12300；作品内容简介；摘要：为了实现健身发电、节约能源的目的，团队成员；关键词：健身发电；变速机构；曲轴；整流稳压；联系人：赵瑞山联系电话：E；1设计背景；进入21世纪以来，随着社会的发展，能源的消耗越来；2设
新型踏步健身发电装置设计说明书
设计者： 赵瑞山
指导教师：孙方红 徐萃萍
（辽宁工程技术大学 创新实践学院 辽宁 阜新123000）
作品内容简介
摘要：为了实现健身发电、节约能源的目的，团队成员研发设计出一种成本低、操作方便、绿色环保的踏步健身发电装置。该装置利用脚踏产生高频率的机械运动，由导杆带动曲轴做连续的圆周运动，通过齿轮、链轮的传动带动发电机转轴，使其切割磁场产生电量，同时采用变速机构、整流电路和稳压模块LM7805，产生较大的稳定直流电，可以对手机、移动电源、MP3等小型电器进行充电。该装置设计结构简单，稳定性好，成本低，发电效率高，具有广泛的市场应用前景和推广价值。
关键词：健身发电；变速机构；曲轴；整流稳压
联系人：赵瑞山
联系电话：
进入21世纪以来，随着社会的发展，能源的消耗越来越快，能源问题渐渐成为人们关注的焦点，人们的目光都转向了可再生能源的利用和开发，在生活当中寻找开发和节约新能源的方法。而在人们生活水平提高的同时，健身逐渐融入到人们的生活当中，人们买了跑步机、踏步机之类的健身装置在家或在户外健身，有时甚至去健身房健身。从节约能源的角度出发，健身发电作为一种新型节约能源的方式被人们逐渐接受和使用，若能将健身发电普及到人们的生活不仅实现了能源的转化与利用，而且减少了能源的浪费。当前国内外对有关如何高效利用健身发电和机械结构设计方面的研究较少，而市场上健身高效发电装置又稀缺，其健身发电装置也存在一些问题，例如机械装置各部分之间协调性不高，健身发电量少不便于进行收集，加之发电装置较大，发电效率低，成本昂贵等。基于这些问题，我们设计出了一种能使人体运动产生的机械能高效转化为电能的机械装置，其利用曲柄摇杆机构将机械运动转化为圆周运动，增加了变速机构，提高了发电机的转速，提高了发电效率。该装置结构简单、稳定性好、成本低、实用性强，具有广泛的应用价值。
从结构设计简单、节约能源、的角度出发，团队成员尝试设计一种稳定性好，适用于不同年龄阶段的人群，能够高效发电的装置，实现健身与节约能源的双重功能。该装置由机械装置、传动装置、发电机与电路装置三大部分组成。通过人在脚踏板上面正常踏步时由脚踏板上的连架杆带动导杆做平面运动，导杆与曲轴相连使曲轴做连续的圆周运动，这部分设计按照结构稳定，协调运动的原则，进行大量的运动模拟，以达到预期的效果；传动装置中曲轴带动齿轮、通过变速机构将运动传递给发电机的转轴；电路装置中采用整流电路与稳压模块LM7805将产生的电能转化为稳定的直流电，并连接USB接口以方便使用，实现了能源的节约和高效发电。同时，还用单片机技术将人们在健身时产生的电能显示出来，增加了人们健身的兴趣。
（1）整体结构的设计
该装置设计的出发点是利用人在踏步时产生的机械能，采用机械运动转换装置把人体运动产生的机械能转换为可用的电能而加以利用。在整体设计中，采用机械运动转换装置对机械运动进行转换，然后通过变速机构使发电机转速增加，从而提高机械能与电能的转换效率。该装置整体结构的研发经济、简单、性能可靠。根据结构的整体要求，装置的各组成部分选用常用且性价比与可靠性较高的构件，充分考虑其经济性。在结构设计中，该装置机构简单，便于调试和维护。例如在变速机构的设计中，充分考虑到不同人年龄差异、身体状况的需求，选用压簧调节脚踏频率和速度，使机械结构的稳定性增强又不阻碍发电，实现了人性化。整体结构如图1所示。
整体结构示意图
（2）整体结构的组成
整体结构的主要构成为：
1）脚踏板；2）减振弹簧；3）连架杆、导杆、曲轴、支架、扶手架；4）齿轮；5）变速机构；6）发电机；7）整流电路与稳压模块；8）输出端。各部分衔接如图2所示。
结构工作原理图
脚踏板采用高强度的复合塑料制成，既轻盈又能承受足够的重量，不至于对装置造成意外的破坏，而且便于加工制作。在脚踏板与底板之间采用适当劲度系数的弹簧作为支撑，既能保护装置又可以给健身者提供一个适宜的运动节奏，使健身者不会感到太费力。连杆、导杆、曲轴以及支架均由铝合金材料制成，由于在运动过程中这一部分结构承受的力较大，因此，采用高强度的铝合金材料可以增强结构的稳定性以保证装置能正常运行。通过连杆、导杆、曲轴的传递可以将脚踏板的上下往复运动转化成齿轮的全周期圆周运动，变速机构中的齿轮、链轮由塑料做成，这样的设计使其轻巧灵活，在转动过程中不会损失过多的能量，从而提高了能量的利用效率。发电机在整流电路和稳压模块LM7805的作用下将输出的交流电转化成稳定的直流电供人们使用。
工作原理：
人在脚踏板上面正常踏步时通过脚踏板上的 连架杆带动导杆做平面运动，导杆与曲轴相连使曲轴做连续的圆周运动，曲轴带动齿轮，齿轮通过变速机构带动发电机，继而使发电机产生交流电，然后通过整流电路和稳压模块LM7805输出稳定的直流电，可供手机、移动电源、剃须刀、小型电器等充电。
（3）机械结构设计
1）导杆与曲轴设计
考虑到导杆与曲轴连接处磨损程度大，设计中导杆与曲轴采用轴承连接以减小磨损。同时，导杆带动曲轴做整周的圆周运动，当两导杆平行时，此时如若脚踩频率较低，则齿轮无法带动曲轴闯过导杆的“死点”位置，且对支架与其相关的结构造成一定的冲击，反之，脚踏频率太高则使机械结构的稳定性变差。仔细分析上述因素后，团队克服上述缺点，利用飞轮的惯性使导杆带动曲轴做连续的圆周运动，消除了导杆的“死点”位置，增加机械装置的稳定性和拓宽脚踏的频率范围。优化设计后，提高了曲轴运动的稳定性，并减少了对机构的冲击和提高了转速。
2）变速机构设计
为了使发电机发出更多的电量，装置更人性化，作品设计采用变速机构提高发电机的转速，以增加发电量。目前的变速机构有无级变速和有限变速，其中无级变速机构按传动方式可采用液体传动、电力传动和机械传动三种方式，而液体传动结构较复杂、精度要求高，不易采用，电力传动本身就耗电，因此也不适用，机械传动是靠齿轮来变速。作品设计中使用有限变速即可满足要求，与采用无级变速机构相比，不仅降低了成本，而且提高了结构可靠性。齿轮的变速机构具体细节如图3所示。
变速机构示意图
3）变速机构的理论设计计算
团队成员经过计量普通人的踏步频率约为每分钟90-110次，在使用踏步机时，由于踏步机曲轴的运动为连续的圆周运动，故曲轴的转速约为45-55转每分钟，由于传动部分利用一组传动比约为0.37的齿轮组和两组传动比约为0.31的链轮链条机构，可将发电机的转速至少提高到45/（0.31*0.31*0.37）=1265转每分钟，可使发光二极管或LED灯正常工作。具体的计算过程如下：
n1=45r/min
i1=n1/n2=z2/z1=17/46=0.37
i2=n2'/n3=z3/z2=11/36=0.31
i3=n3'/n4=z4/z3=11/36=0.31
n2=n2'
n3=n3'（同轴）
i总=n1/n4=i1*i2*i3=0.0355
n4=n1/i总=45/0.0355r/min=1265r/min
其中，n1为一级大齿轮的转速，n2为一级小齿轮的转速， i1为一级齿轮的传动比，n2'为二级大链轮的转速，n3为二级小链轮的转速，i2为二级链轮的传动比，n3'位三级大链轮的转速，n4为三级小链轮的转速，i3为三级链轮的传动比，i总为总传动比，此计算中n1取最小值。
4）发电装置的设计
该装置利用齿轮、链轮链条机构进行传动，并且利用三级变速机构提高发电机转速。由于曲轴做连续的圆周转动，其方向不定，故装置发出的电为交流电，又由于使用者踏步频率有一定的波动，发出电的电压也不是恒定值。考虑到以上两点，该装置的发电装置采用了电桥式整流电路和稳压模块LM7805保证稳定的直流电源输出，可直接连接小型电器充电或者即发即用。
5）显示部分的设计
采用光电传感器检测二级齿轮转动圈数，根据人踏踏板所做的功及能量转化率，用数学函数计算出所产生的电能，并通过1602液晶显示出来。电路图如图4所示：
单片机电路图
4 有限元法对机械装置的力学性能分析
脚踏板受力图
选取脚踏板的中心点未受力点，施加700N（普通人的重力）的作用力，方向垂直于底板，进行受力分析。
第一主应力图
该图利用有限元法对整个装置进行划分，形成277682个有限单元体，节点数为486921，在主应力最大的方向分析受力情况，结果显示各个部分受力的最大值都在安全范围之内，说
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