新型波浪能發(fā)電機的機構(gòu)設(shè)想與設(shè)計

叢占柱

（本鋼板材股份有限公司能源管理部，遼寧 本溪 117000）

1 概述

黨的十八大提出加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式是我國經(jīng)濟社會領(lǐng)域的一場深刻變革，關(guān)系改革開放和社會主義現(xiàn)代化建設(shè)全局。當(dāng)前，我國發(fā)展的外部環(huán)境更趨復(fù)雜，保持經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、破解資源環(huán)境制約以及全面建設(shè)小康社會等目標要求，都對推進經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整提出了新的更高的要求。能源緊缺是當(dāng)今世界面臨的一個重要的難題，因此能源領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)調(diào)整與創(chuàng)新對國家整體性的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整起到了至關(guān)重要的作用。而電能是能源領(lǐng)域重要組成部分，由于水電周期太長，還存在研磨、移民等問題；而火電燃料有限，且存在溫室效應(yīng)問題；另外核電成本太高，存在安全問題。所以國家非常重視清潔的可再生能源的開發(fā)利用，如風(fēng)力發(fā)電、海洋發(fā)電等。針對國情，加大力度和投入發(fā)展波浪能發(fā)電更為有利，可以聯(lián)站并網(wǎng)，發(fā)揮密集型特點，實現(xiàn)群體化，可操作性很強。

2 波浪能發(fā)電的特點

2.1 現(xiàn)有海浪發(fā)電機的分類及工作原理

至今為止，全球申請波力發(fā)電專利已超過千項，其中有20多種進行過海上試驗，比較多采用的基本上屬于下列3種類型：

①空氣能——波浪能量是一種沖擊動能（與利用勢能的潮汐發(fā)電不同），無法直接帶動旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機發(fā)電，必須進行能量轉(zhuǎn)換。而把波浪能轉(zhuǎn)換為空氣能是最為廣泛應(yīng)用的一種，即波浪沖擊擠壓空氣室中的空氣，壓縮空氣驅(qū)動氣力渦輪機，在帶動發(fā)電機發(fā)電。

②機械能——將波浪能轉(zhuǎn)換為機械能時可通過油壓進行，即波力沖擊振子，振子泵油形成壓力油，油壓驅(qū)動馬達旋轉(zhuǎn)，并帶動發(fā)電機發(fā)電。

③水位能——將內(nèi)盛海水的水斗通過連桿機構(gòu)固定在岸基上，而水斗浮在水面上，被波浪沖擊推舉水斗上升后，被連桿折翻并將斗內(nèi)海水越過堤壩倒入水庫，多次反復(fù)作用，就如同潮汐發(fā)電那樣利用水庫和海面之間的水位差來傳動低水頭發(fā)電機發(fā)電。

2.2 波浪能發(fā)電的發(fā)展趨勢

在波浪能發(fā)電的百年發(fā)展中都伴隨著試驗、研究和探索。波浪能發(fā)電已由航標燈用小型化發(fā)展到與電力系統(tǒng)并網(wǎng)的中、大型化，由試驗驗證時代發(fā)展到商品化、商業(yè)化和國際貿(mào)易化時代。全世界已經(jīng)確認波浪能發(fā)電是海洋能源開發(fā)利用的重要項目，是清潔無污染的可再生新能源的主要組成部分。今后的發(fā)展面臨的主要科研課題及發(fā)展趨勢為：耐久性、蓄能性、高效率、低成本以及安全性。

3 新型波浪能發(fā)電機的機構(gòu)設(shè)想與設(shè)計

本次設(shè)計采用簡單的漂浮體的上下往復(fù)運動進行波浪能量的采集，通過放大器轉(zhuǎn)化成磁鐵的高速上下往復(fù)運動，進而帶動一臺小型發(fā)電機發(fā)電。將利用這種波浪能帶動漂浮體運動時的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

3.1 源動件的設(shè)計構(gòu)想

海水會因波浪能不間斷的做上下往復(fù)運動，這樣就有了能量的來源。我們便可以向海中投入一漂浮體。海水會帶著漂浮體做上下往復(fù)運動。磁體切割磁感線會產(chǎn)生電能，為此，我們只需通過設(shè)計某種機械傳動機構(gòu)使漂浮體推動磁體快速的切割磁感線，這樣就會產(chǎn)出電能。進而實現(xiàn)一種波浪能發(fā)電機的設(shè)計。

3.2 傳動機構(gòu)的設(shè)計

考慮到磁體需要有一傳動比較大、傳動效率高、噪音低等優(yōu)點的傳動機構(gòu)，所以在這里選擇了菱形連桿放大傳動機構(gòu)?？倐鲃颖葹?4/1=24，根據(jù)這個數(shù)值，可以分三級增速傳動，為使系統(tǒng)簡化，三級均采用同比菱形連桿傳動機構(gòu)，以便于直接高速平穩(wěn)的推動磁體上下往復(fù)運動。

3.3 潤滑劑的選擇

考慮波浪能發(fā)電機工作環(huán)境及傳動機理，其潤滑劑的選擇應(yīng)從防銹、減振、密封、傳遞動力等方面進行考慮。由于該產(chǎn)品工作環(huán)境均在海浪中運行，因此其潤滑劑應(yīng)對其整個機構(gòu)形成密封起到特殊作用，以防止水濕或其他灰塵、雜質(zhì)浸入磨擦副，同時考慮其連桿機構(gòu)特點，要減少由于硬粒磨損、表面銹蝕、金屬表面間的咬焊與撕裂等造成的磨損，因此該機構(gòu)的潤滑狀態(tài)是介于流體潤滑和邊界潤滑之間的一種混合潤滑狀態(tài)或稱為部分彈性流體動壓潤滑。為此該機構(gòu)的潤滑劑應(yīng)采用以基礎(chǔ)油和稠化劑組成的塑性潤滑脂，同時根據(jù)需要加入各種添加劑的半固體潤滑劑。

3.4 發(fā)電機的功率研究

雖然大洋中的波浪能是難以提取的，因此可供利用的波浪能資源僅局限于靠近海岸線的地方。但即使是這樣，在條件比較好的沿海區(qū)的波浪能資源貯量大概也超過2TW。據(jù)估計全世界可開發(fā)利用的波浪能達2.5TW。我國沿海有效波高約為2～3m、周期為9s的波列，波浪功率可達17～39kw／m，渤海灣更高達42kw／m。漂浮體在這個過程中做的功為：W=mgh，式中m為漂浮體重量，h為浮動高度，在一個周期中做的功就是2mgh。分三級增速傳動，每級的效率約為0.97，每對滾動軸承效率約為0.99。

結(jié)語

本次設(shè)計采用簡單的漂浮體進行波浪能量的采集，通過放大機構(gòu)轉(zhuǎn)化成磁鐵的高速往復(fù)運動，并進而帶動一臺小型發(fā)電機發(fā)電，發(fā)出的電能經(jīng)過整流和穩(wěn)壓后送到蓄電池中儲存，該直流電源經(jīng)逆變后，也可供使用交流電源的設(shè)備使用。

該設(shè)計綜合采用了機械傳動技術(shù)、電機技術(shù)、和電力半導(dǎo)體技術(shù)等，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，不與海水接觸，壽命長。設(shè)計產(chǎn)品所用零部件及電子器件工作可靠穩(wěn)定、成本較低?？蓮V泛用于小型漁船、燈塔、近海養(yǎng)殖場等常規(guī)供電不方便的場合，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

[1]濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]吳宗澤.機械零件設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[3]《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》（國發(fā)〔2011〕26號）.