流體致旋轉磁場微型發(fā)電系統(tǒng)仿真設計

陳嘉偉,楊 慕，倪其軍

(1.中國船舶科學研究中心，無錫 214082；2.中國長城工業(yè)集團有限公司，北京 100054)

流體致旋轉磁場微型發(fā)電系統(tǒng)仿真設計

陳嘉偉1,楊 慕2，倪其軍1

(1.中國船舶科學研究中心，無錫 214082；2.中國長城工業(yè)集團有限公司，北京 100054)

以海洋流致旋轉磁場微型發(fā)電系統(tǒng)為對象，利用CFD軟件對海流能發(fā)電機的關鍵部件的力學性能、發(fā)電機的電磁性能實現了仿真設計和動態(tài)模擬。在模擬水輪在水流沖擊下的運動時使用了旋轉坐標系法，得到了水輪轉速與輸出功率的關系，為發(fā)電機的設計提供了依據。利用磁宏得到所建路徑上的齒磁通，從而求出了發(fā)電機的空載電壓，為進一步優(yōu)化設計發(fā)電機、提高發(fā)電效率提供了直觀的依據。

CFD；動坐標法；齒磁通；磁宏

現代清潔能源的研究如火如荼，海流能是一種清潔能源，且洋流能與其他清潔能源相比能量密度更大，英國目前在洋流發(fā)電技術上處于世界領先地位，2003年MCT聯合多家公司研制的“世界首臺稱為商業(yè)規(guī)模的水平軸式潮流發(fā)電裝置”，安裝在英國布里斯托爾海峽進行試驗，裝機容量300KW，其改進型裝置目前正在研制中[1]。

2007年，美國Verdant Power公司在紐約東海岸建成6臺35kW的機組，并計劃將在2020年前完成200至300臺機組的水下發(fā)電場的建設。由此可見，水下風車將逐步成為大規(guī)模利用海流發(fā)電的有效途徑之一[2]。

在國內，東北師范大學在2005年主持并完成了由國家“863 計劃”課題“海洋水下儀器能源補充技術”，主要是通過海流能發(fā)電裝置給水下儀器提供能源[3]。浙江大學在2007年研制出額定功率為5KW 的的水下風車海流能發(fā)電機模型樣機[4]。

本文設計一種可利用洋流能發(fā)電的微型發(fā)電機，并對此流體旋轉磁場的微型發(fā)電系統(tǒng)進行設計和仿真研究，為洋流能的開發(fā)利用提供一種可行方案。該洋流發(fā)電機體積小，維護簡單，可以用于為海上浮標供電，也可以安裝在海上平臺的周圍海域，為海上平臺供應電能，為海上設備提供綠色電能。

1 整體方案的設計

1.1 導流罩的設計和仿真

洋流的流速平均約為0.5m/s，為了提高海流的能量密度，需要添加導流罩將海水加速，設計的導流罩2D如圖1所示。在 2D 情況下，入口為 0.5m/s 時，可以將來流提高到 1.0m/s 左右，推出在 3D 中模型中，使用該導流罩可以將流速提高到約 2m/s。

圖1 2D導流罩模型水流速度分布圖

1.2 發(fā)電機的模型設計

在海水中線圈繞組需要很好的密封，為此采用旋轉磁場法，將永磁磁極固定在轉子周圍，線圈繞組(定子)密封好套在導流罩上如下圖2所示。

圖3 整體發(fā)電機組模型示意圖

為了提高水能利用效率，可以將多個發(fā)電機組放在同一導流罩中，并配以固定墩、升降筒和導向尾翼，如圖3所示。該方案主要的特點是葉輪帶動磁極旋轉，線圈繞組密封在導流罩周圍，沒有電刷，避免了有刷發(fā)電機可靠性差、易產生火花、維修頻繁的缺點，適合在海下復雜的環(huán)境下工作。導向尾翼使導流罩總是迎著海流流入方向，升降筒使發(fā)電機能夠露出海面，便于維修或收集發(fā)電機生產的氫、氨、甲醇等。

1.3 槳葉的設計

因為海流流速較慢，一般流速在0.9km/h-2.5km/h，為了簡化問題，在設計翼型時，假設海流速度為0.5m/s。因為流速較低，故選擇翼型厚度較小的NACA6306翼型[5]。在設計翼型輪廓時使用了Profili軟件進行輔助設計，軟件可以生成NACA6306翼型在不同雷諾數下攻角與升阻比的關系。

當流體速度為0.5m/s時，雷諾數Re大致在600000左右，可以得出該翼型獲得最大升阻比( Cl/Cd 最大)時，攻角α=8.0°。當槳葉旋轉時，相對速度決定了，槳葉的安裝角要大于這個值，在此取經驗值15°。為了提高水輪的海流能利用效率，應該提高水輪的實度(即槳葉的軸向投影占投影面的比例),故采用6個槳葉。

2 對槳葉的動態(tài)仿真

2.1 仿真設計及模型建立

本設計的翼型結構利用Gambit中的Turbo工具欄進行建模和劃分網格，在Fluent分析中為了模擬水流和葉片的相互作用，采用動坐標法。所謂動坐標法，就是賦予流場一定的轉動速度，此時定義葉片、輪轂的速度為零(在絕對坐標系中的轉速和流場轉速相同)，然后得出在一定速度來流環(huán)境下的扭矩，根據式1可以得到水輪的機械功率，然后根據獲得最大機械功率處的參數來作為設計發(fā)電機的依據[6-7]。

P=M*ω

(1)

其中：M為水輪扭矩，ω為水輪的角速度。

在本文的數值模擬中，流動采用非定常RANS(雷諾時均Navier-Stokes方程)方程模擬；選擇SSTk-ω湍流模型，封閉RANS方程。

控制方程包括：連續(xù)性方程、RANS 方程、湍流模型SST 方程、Level-set方程。

(1) 連續(xù)性方程

(2)

(2)RANS方程

(3)

(3) SSTk-ω湍流模型

SSTk-ω模型是在標準k-ω模型的基礎上做了改進。本質上，SSTk-ω模型是標準k-ω和k-ε的混合模型，從邊界層內部的標準k-ω到邊界層外部的高雷諾數的k-ε逐漸轉變；SSTk-ω合并了來源于ω方程中的交叉擴散，且它的湍流黏度考慮到了湍流剪應力的傳播，修改了湍流黏性公式。這些改進使得SSTk-ω比標準k-ω在廣泛的流動領域中有更高的精度和可信度。湍流動能k方程：

(4)

特殊耗散率ω方程：

(5)

式中Tk,Γω為k和ω的擴散系數，Gk,Gω為湍流產生項，Yk,Yω為湍流耗散項。

因為海流速度較慢，所以采用導流罩來增大流過水輪的海流速度，經模擬可以獲得流速為 2m/s 的流速。采用旋轉坐標法，在 2m/s 的來流條件下，依次求解轉速為 0rad/s、0.5rad/s、1rad/s、2rad/s、2.5rad/s、3ad/s、4rad/s、5rad/s、6rad/s、8rad/s、10rad/s、12rad/s、14rad/s的情況下水輪的轉矩大小。

2.2 仿真結果分析

表1是模擬所得的水輪在不同轉速時輸出的轉矩和功率數據。由表中數據得出該水輪在 2m/s 的水流中最大轉速在 5rad/s 左右，而當水輪轉速超過6rad/s時，水輪對水有推動作用，這與事實不符，所以超過6rad/s時的數據為無效數據。在Matlab中對數據進行擬合、插值得到圖4，通過圖4可知在轉速為2.7rad/s 時，該水輪有最大能量轉化效率，此時功率約為39.36W，并通過Fluent 中Turbo分析工具可以得到此時的效率約為48%。

表1 在2m/s來流中水輪轉速與輸出的轉矩、功率

圖4 水輪轉速與輸出功率的關系圖

3 發(fā)電機的設計和仿真

3.1 發(fā)電機仿真方案設計

本文采用二維場模擬實際磁場，采用MSK國際單位制和笛卡爾直角坐標系，并假設不計交變電流在導電材料中的渦流反應，忽略轉配誤差，假定材料的磁導率是各項同性的。發(fā)電機二維模型圖如圖2所示：該發(fā)電機模型共4對磁極，24個線圈槽，所以定子上每個齒的夾角為15度。線圈槽形狀采用簡單的矩形直槽，縱向長度為100mm，定子最大直徑為110mm，轉子上有永磁磁極[8]。

該發(fā)電機模型可以只分析其1/4周期內各個齒的磁通量，為了求得齒磁通隨轉子的位置變化關系，將一個定子齒距分為10等份，每一段對應的機械轉角為1.5°。轉子每轉過1.5°，計算此時的磁場，得到1/4周期內六個齒各自的磁通量。轉子轉過一個定子齒距，即10個位置之后，得到6個齒在11個不同位置的齒磁通，可以表示為向量的形式：Φj=[Φj0,Φj1,Φj2…Φj10]，其中j為齒的序號(j=1,2,3…6)。當轉子轉過一個齒距后，下一個齒會重復上一個齒的行程，使磁通量呈周期性變化[9]。

根據法拉第電磁感應定律，繞組的感應電動勢可由下式得到：

e=-dΦ/dt=-dΦ/dθ·θ/dt

=-ω·(dΦ/dθ)

(6)

式中ω為發(fā)電機轉子的轉動角速度，單位為rad/s，Φ為磁通量，單位為Wb/m。

得到轉子處于不同位置的齒磁通量后，繞組電動勢的第j個元素，即第j個位置的感應電動勢可由下式計算：

ej=-w·(Φj+1-Φj)/(θj+1-θj)

(7)

假設發(fā)電機正常工作時的加速度w=2.5rad/s，發(fā)電機的軸向長度取 0.1m，對于該模型式子可以記作：

ej=-2.5*1.5*0.1*(Φj+1-Φj)

=-0.375*(Φj+1-Φj)

(8)

3.2 仿真結果分析

圖5是在1/4圈即1個周期內，齒1到齒6在θ=0°位置的氣隙磁通量大小變化曲線。從這組氣隙變化圖可以看出，齒1和齒4、齒 2 和齒5、齒3和齒6的磁通量分布對稱，變化趨勢恰好相反，所以它們的感應電動勢大小相同、符號相反，可以用繞組將其連接在一起，使整個發(fā)電機構成三相交流電輸出。

圖6a是六個齒單匝繞組的空載電壓隨時間變化曲線，從圖中可以看出電壓波動比較大。但是在實際中發(fā)電機繞組線圈有電感，以及后續(xù)的濾波整流電路的作用可以使電壓呈光順規(guī)律的變化。本文通過Matlab的擬合命令，對曲線進行多項式擬合處理，結果如圖6b所示，為多項式擬合的 1/4 周期內六個齒繞組電壓變化曲線。該曲線為時間和電壓以五次多項式擬合和插值的曲線，從中可以看出，在一個完整周期內，曲線近似呈三角函數變化，且齒1和齒4、齒2和齒5、齒3和齒6的圖線恰好相反，因此可以用三角函數表示出齒1、齒 2、齒3的變化規(guī)律，就可以知道發(fā)電機所有齒繞組的電壓變化規(guī)律了，在此采用利用特殊點來推出三角函數。下面以繞組2為例，說明找出電壓變化的三角函數關系式過程。

圖5 θ=0°時齒1至齒6間的氣隙磁通量大小變化圖

如圖7所示，在齒繞組2的多項式擬合電壓變化曲線上選取的四個特殊點，由圖所示的四個捕捉點可知T=0.658s-0.017s=0.631s，w=2π/T≈ 9.96rad/s，振幅A=(1.52+1.55)/2=1.535,可以得到此繞組電壓的三角函數近似為：

U2=1.535sin(9.96t-0.17)

繞組2電壓變化的多項式擬合曲線與三角函數擬合曲線可以看出兩者誤差不大，近似性較好。那么齒4的空載電動勢可記作：

U3=-1.535sin(9.96t-0.17)

由發(fā)電機原理和結構可以得知U1、U3的周期同U2相同，同理，按照相同方法可以分別得到齒2、齒3的空載電動勢函數。

圖7 繞組2電壓變化的多項式擬合曲線與三角函數擬合曲線

在整個發(fā)電機中將其他周期里與繞組1，繞組 4 的變化規(guī)律相同的繞組串聯構成一相電，其他兩對亦是如此連接，這樣發(fā)電機輸出的三相空載電壓函數為：

4 結論

(1)槳葉是海流能發(fā)電機最關鍵的部件之一，本設計根據海流流速設計了一個扭轉角為 75 度、葉片數為6的水輪，在 Fluent 中模擬了該水輪在 2m/s 的來流下，輸出扭矩與轉速的關系。

(2)利用Ansys模擬了發(fā)電機在2.5rad/s的轉速下空載電壓特性，得到了此設計的三相空載電壓函數。發(fā)現發(fā)電機的氣隙對磁路影響很大，氣隙越小漏磁越少，但是在實際環(huán)境下應考慮，防止雜物阻塞氣隙，此外本設計中的發(fā)電機的極槽配合還不太理想，導致電磁轉矩波動較大，這不利于發(fā)電機正常工作，因此發(fā)電機結構有待優(yōu)化。

[1]張健.國際電力資訊[J].陜西電力，2008(3)：85-85.

[2]余國鋒.水輪發(fā)電機組大波動過渡過程計算模擬仿真研究[J].能源研究與信息,2014,30(1):35-38.

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(責任編輯 趙冰)

A Simulation Design of the Minisize Power Generation System whose Magnetic Field is rotated by Fluid

CHEN Jia-wei1, YANG Mu2,Ni Qi-jun1

(1.China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China； 2.China Great Wall Industry Corporation, Beijing 10054, China)

This paper chooses the minisize power generation system as object, doing the simulation design and dynamic simulation on the key mechanical component’s properties and the electromagnetic properties of ocean current energy generator with computational fluid dynamics (CFD). Using the rotating coordinate system in a simulated water wheel in the water under the impact of the movement, it is easy to find that the relationship between water wheel rotational speed and output power that providing a basis for the design of the generator. Use the magnetic macro built on the path of magnetic; the paper gets the generator’s no-load voltage. The result provides an intuitive basis on optimizing the design generator and enhancing its power generation efficiency.

moving coordinate method; CFD; tooth flux; magnetic macro

2017-02-03

陳嘉偉(1990—)，男，江蘇無錫人，碩士，中國船舶科學研究中心工程師，主要從事船舶與海洋工程設計、計算流體力學能等方面的研究。

10.13783/j.cnki.cn41-1275/g4.2017.02.028

TM612

A

1008-3715(2017)02-0124-05