第十届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛
项目名称 项目类型 集成式轮毂驱动水力发电装置 科技作品类：节能类?、减排类□、节能减排类□； 社会实践类□ 项目推荐人情况 教师 姓名 职称 学生 姓名 联系电话 单位 联系电话 专业 班级 能源是社会发展和经济增长的基本动力，是人类赖以生存的基础。当今社会主要依赖于传统的化石能源，全球总能耗的74%来自煤炭、石油、天然气等矿物能源。伴随着经济发展和人口增长，能源消耗大幅增加，化石能源资源日益耗尽。而且，化石能源的利用对自然环境造成了极大破坏，导致大气中温室气体浓度增加，臭氧层被破坏，还带来雾霾等严重空气污染，给人类社会的生存和发展带来诸多问题。新型的发电模式虽然消耗的是具有可再生性的资源、对环境的影响也项目简介（重点说明选题与竞赛宗旨和主题的关系） 非常小，如风能、太阳能等，但这些发电模式目前还难以实现大规模发电。这样一来水电作为一种清洁能源，例如潮汐能和河流蓄水能，不但对环境的影响相对较小，而且能够进行大规模的发电，因此，水电能也受到了越来越多国家的重视。 在上述背景的驱动下，本项目提出一种新型水力发电装置，将外转子发电机—水力叶片—水润滑轴承集成一体，形成“集成式轮毂驱动水力发电装置”，其基本结构如图1所示。将永磁发电机电机内置在轮毂中，定子固定在电机中心，永磁体沿周向均匀布置在外转子内壁；外转子两侧分别由水润滑轴承约束；叶片根部固连在外转子外壁上；轮毂通过支撑筋固连在导管上；水流通过导管带动桨叶旋转，桨叶带动转子绕定子旋转发电，电能由穿过支撑筋中电缆输出。与现有水力发电设备相比，这种新结构装置的优点及与竞赛宗旨和主题的关系简述如下： 1）本项目水力发电装置用于收集水流动能产生电能，特别是用于收集潮汐能和河流大坝蓄水能。其目的在于提高水力发电的效率，减少对化石能源的依存和降低其环境污染。紧密贴合“节能减排”的大赛主题。 2）结构创新带来更高的发电效率。主要表现在：目前水力发电装置均为分体结构，即叶片和发电机独立，且两者采用机械轴连接，而本项目方案可实现直驱式结构，叶片和电机之间没有其它传动机构，水力能利用最大化；外转子永磁发电机转动惯性较大，在冲击等作用下运行平稳；目前水力发电设备多采用内转子，相比而言，相同尺寸下，外转子更容易实现多级低速运行；而且新方案取消了转轴密封，水流直接从定转子间隙中流过，更易于发电机散热的同时，减小了功耗损失；采用水润滑轴承，避免的油润滑轴承的滑油泄露风险。 总之，本项目研究的集成式轮毂水力发电装置具有结构紧凑、体积功率密度高、发电效率高等优点。与传统发电方式相比，本装置的节能减排效果非常明显。通过在设计过程的各个细节的节能减排设计，培养学生节能减排意识，锻炼和提高我们动手能力、解决问题能力和团队合作能力。 图1 集成式轮毂驱动水力发电装置 （一）研究目标 研究一种新型水力发电装置，通过结构设计、性能仿真、样机制造和试验，拟研究的内容 解决集成式轮毂驱动水力发电装置的关键技术难题，为提高水力能收集能力提供新的可行方案。同时，通过在设计过程的各个细节的节能减排设计，增强我们的节能意识，培养了我们大学生的创新能力，锻炼和提高我们动手能力、解决问题能力和团队合作能力。 （二）拟研究的内容 本项目拟进行一种集成式轮毂驱动水力发电装置的结构设计、性能仿真、样机制造和试验，拟研究的内容包括： 1、结构设计及性能分析 （1）确定水力能收集原理：泵/桨，完成叶片设计，包括叶片数、叶形；完成叶片水动力学性能分析。 （2）发电机的设计：根据参数和结构需求，选购一个外转子电机，对该电机进行结构改造，包括采用水润滑轴承和发电机定子/转子水防护设计。 （3）轴承的设计：选购水润滑轴承并进行性能分析。 （4）导管的设计：设计一种流线型导管，采用非金属材料。 （5）支撑机构设计：设计一种导管支撑机构，使得该机构能在复杂地形稳定固定。 2、加工、组装和调试 选购相关设备，包括电机等；根据需要选择和购买相应的材料，包括轴承、叶片和导罩等的材料，并根据加工条件修改图纸，完成样机装配和调试。 3、试验验证 针对发电装置样机，开展系列试验，包括空气环境下发电运转试验、水环境下发电运转试验，获取不同水流速下发电量和转速等性能参数。 （三）拟采取的研究方案 3.1 研究方法 提出水力发电的新结构方案，在新方案的基础上，完成装置各部件设计，部分部件通过采购后改造，例如电机等；局部部件自主设计和制造，例如叶片和导管等。所采用的建模软件主要包括：CAD、Soildworks、ANSYS，其中利用CAD、Soildworks进行建模、运动干涉分析和动画制作；利用ANSYS进行发电机电磁模拟和结构强度仿真；利用FLUENT进行水动力学仿真。最后，利用学校已有的实验设备开展试验验证。关于本项目发电装置的设计流程，见图2。 初始准备水动力发电桨叶的设计水力发电电机的设计与改造水动力性能分析电磁模拟导罩的设计结构设计整体结构仿真分析结束 图2 集成式轮毂驱动水力发电装置设计流程 3.2 研究方案细节 3.2.1 整体方案设计 采用外转子发电机—水力叶片—水润滑轴承集成一体设计方案，将外转子永磁发电机嵌入在桨毂中，将水力叶片固连在电机转子外壁上，转子两端由水润滑轴承约束，电机桨毂通过支撑筋固定在导管上，导管可以通过支架固定在河床或者海床上，用于收集大坝水流和潮汐水流动能。初步设计的方案效果如图3。 图3 方案三维效果图 3.3.2 各子结构的设计 （1）叶片的设计。完成叶片数、叶型设计。分析不同叶片数发电机性能的影响，参考根据国外相关发电器的结构，确定叶片数。建立三维模型后，利用FLUENT软件分析模型的水动力学性能，并对结构进行优化。本装置中的叶片形式主要目的为大扭矩，低推力，因此我们与之相对应的设计了该种叶片，根据前人的经验，我们设计的时候也充分考虑了气蚀破坏的因素。最重要的是我们将对水动能予以高效率回收。 除了结构设计，考虑叶片采用非金属材料，例如碳纤维增强塑料等，使用聚酰亚胺树脂作为基底，加入三元乙丙橡胶接枝马来酸酐(EPDM-g-MAH)，减轻装置重量，而且还能有效避免叶片对电机磁场的干扰。 表1 几种叶片材料性能综合对比分析 材料名称 铸铁 铸钢 锰铁黄铜 NAB 不锈钢 MAB 碳纤维 玻璃纤维 比重 7.6 7.85 8.41 7.6 7.85 7.4 1.6 1.8 延伸率（%） 0 18 15~20 25 25 25 1.8 1.9 抗腐蚀性 差 差 佳 极佳 极佳 佳 极佳 极佳 拉伸强（kg/cm2） 2350 4500~5000 4500~4800 6900 6800 7100 28000 18000 度加工性能 易铸造 不易铸造 易铸造 易铸造 不易铸造 易铸造 易制作 易制作 （2）电机的设计。首先根据功率需要对发电机进行初步的方案设计，包括
42.集成式轮毂驱动水力发电装置 - 图文
