船舶上可裝載的波浪能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

周廣鈺

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，黑龍江哈爾濱150080)

船舶上可裝載的波浪能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

周廣鈺

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，黑龍江哈爾濱150080)

摘要:人類社會(huì)步入21世紀(jì)，傳統(tǒng)化石能源供應(yīng)日趨緊張，而由于傳統(tǒng)石化能源燃燒所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題日益威脅著人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，開(kāi)發(fā)清潔無(wú)污染的可再生能源成為人類可持續(xù)發(fā)展的重要議題。海洋能是眾多可再生能源的一種，其蘊(yùn)含著不可估量的能量，并且存在形式多種多樣。海洋波浪能由于其不間斷、利于獲取、環(huán)境友好等特點(diǎn)日益受到英國(guó)、挪威、日本、美國(guó)等海洋大國(guó)的重視，這些國(guó)家均開(kāi)發(fā)出了波浪能發(fā)電裝置的試驗(yàn)與示范工作。本文對(duì)海洋中波浪能發(fā)電背景進(jìn)行概述，并設(shè)計(jì)了一種新型的船舶上可裝載的浮動(dòng)式波浪能發(fā)電裝置。該發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定，在海洋能發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:海洋能;波浪能;發(fā)電系統(tǒng)

Design of ship loaded wave energy power device

ZHOU Guang-yu
(Heilongjiang Province Water Conservancy＆Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Haerbin 150080，China)

Abstract:Entering the twenty-first century，the supply of traditional fossil became energy shortage，and environmental problems are increasingly threatening the sustainable development of human society due to the traditional fossil combusting．Therefore，the development of clean and renewable energy becomes more and more important．Ocean energy is a kind of renewable energy which contains a huge energy and has various existing form．Ocean energy also has many advantages contained uninterrupted，easy obtain near coast，and environment friendly and be valued by the many maritime power governments such as Britain，Norway，Japan，and American．All these countries have developed the wave energy power generation device for test and demonstration work．In this paper，we have summarized the background of the wave energy power generation system，and designed a new floating type ship loaded wave energy power generation device; this wave energy power generation device has the characteristics of simple structure and durable system，and shows broad application prospects in ocean energy power generation system．

Key words:ocean energy; wave energy;power generation system

0　引言

隨著煤炭、石油等能源的逐漸耗盡以及自然環(huán)境的日益惡劣，人類對(duì)開(kāi)發(fā)新清潔能源的需求越來(lái)越迫切。人類對(duì)于風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能等能源形式都展開(kāi)了研究和探索，由于地球表面70%以上的面積被海水覆蓋，因此人類將視線轉(zhuǎn)移到海洋，希望能夠開(kāi)發(fā)海洋能源，來(lái)取代或補(bǔ)充煤與石油日益稀

少所帶來(lái)的能源危機(jī)。

海洋能是一種儲(chǔ)量豐富，取之不盡用之不竭的清潔可再生能源［1］。海洋能有很多種形式:有利用潮汐的漲落來(lái)發(fā)電的潮汐能;有利用海水的溫度差異發(fā)電的海水溫差能;還有利用鹽度的差異進(jìn)行發(fā)電的鹽差能;還有利用海水的流動(dòng)進(jìn)行發(fā)電的海流能;還有一種利用波浪進(jìn)行發(fā)電的波浪能。

本文對(duì)波浪能展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)一款新型的波浪能發(fā)電裝置，可裝載在船舶上，通過(guò)放置于海水中進(jìn)行發(fā)電，為船舶提供電能。主要工作原理是，船舶駛到合適的地方，然后拋錨來(lái)固定整個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)附著于船只邊緣的漂浮體來(lái)捕獲能量，漂浮體在波浪能作用下上下運(yùn)動(dòng)，將波浪能傳遞到其發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電。

1　波浪能概述

波浪能是海洋表面的波浪所蘊(yùn)藏的動(dòng)能和勢(shì)能的總稱。波浪能發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是，先將波浪能轉(zhuǎn)換機(jī)械能，然后再由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。波浪能與常規(guī)能源比較，具有以下特點(diǎn):

1)波浪能是一種清潔無(wú)污染能源，其產(chǎn)生過(guò)程不會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成任何形式的污染;

2)波浪能是一種可再生能源，具有取之不盡，用之不竭的特點(diǎn);

3)波浪能的能力密度比較高，而且蘊(yùn)藏儲(chǔ)量比較豐富;

4)波浪能的能量分布和能量強(qiáng)度都具有很強(qiáng)的規(guī)律性和可循性，十分方便科學(xué)工作者根據(jù)規(guī)律展開(kāi)設(shè)計(jì)和研究。

由于波浪能具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者專家都對(duì)波浪能進(jìn)行了研究。從20世紀(jì)70年代以來(lái)，許多海洋國(guó)家逐漸認(rèn)識(shí)到發(fā)展清潔能源的重要性，海洋能自然成了大家關(guān)注的焦點(diǎn)，其中波浪能成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。多個(gè)國(guó)家對(duì)波浪能展開(kāi)了專門(mén)研究，并且取得了較大成果。目前，波浪能在各國(guó)的研究和推動(dòng)下，其開(kāi)發(fā)利用技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，目前正在步入商用階段。

人類對(duì)海洋能的利用由來(lái)已久，早在二百多年前，巴黎就申請(qǐng)了世界上第1個(gè)波能轉(zhuǎn)換裝置的專利。英國(guó)是世界上波浪能資源最豐富的國(guó)家之一。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，英國(guó)就對(duì)波浪能展開(kāi)了專門(mén)的研究，并逐漸成為當(dāng)時(shí)世界波浪能的研究中心。在亞洲，以海洋文化著稱的日本，發(fā)明了著名的“海明”號(hào)波力發(fā)電船，其功率可以高達(dá)兆瓦級(jí)。2008年9月，世界第1座可以商用的波浪能發(fā)電廠在葡萄牙出現(xiàn)，該發(fā)電廠通過(guò)3根顯目的紅色“海蛇”相連接，蔚為壯觀，如圖1所示。

圖1　葡萄牙制造的“紅色海蛇”海洋能發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 The“Red Sea Snakes”O(jiān)cean energy power generation system made by Portugal

英國(guó)、挪威、日本、美國(guó)等海洋大國(guó)對(duì)波浪能都比較重視，均開(kāi)發(fā)出了波浪能發(fā)電裝置的試驗(yàn)與示范工作。反觀我國(guó)，我國(guó)對(duì)于波浪能發(fā)電的研究起步比較晚，開(kāi)始于20世紀(jì)70年代末，近年來(lái)獲得較快發(fā)展，取得了突出的進(jìn)步，目前已經(jīng)掌握了世界領(lǐng)先的小型岸式波力發(fā)電技術(shù)。雖然該項(xiàng)技術(shù)研究起步較晚，但在國(guó)家多項(xiàng)科技政策的支持下發(fā)展速度比較快。

2　波浪能發(fā)電原理

波浪能發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是，通過(guò)波浪運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)將波浪蘊(yùn)藏的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)變成電能。

波浪能發(fā)電裝系統(tǒng)按照功能，大體可分為以下3個(gè)部分:

1)波浪能收集系統(tǒng)，主要功能是是捕捉海洋中波浪的動(dòng)能和勢(shì)能，獲取能量;

2)機(jī)械能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主要功能是將波浪能收集系統(tǒng)捕獲到的波浪能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的機(jī)械能;

3)發(fā)電系統(tǒng)，主要功能是通過(guò)發(fā)電設(shè)備，將

波浪能轉(zhuǎn)換的機(jī)械能發(fā)電，將其轉(zhuǎn)化為電能。

波浪能的根本來(lái)源是海風(fēng)，海風(fēng)吹動(dòng)海水帶動(dòng)海水運(yùn)動(dòng)，形成波浪，將能量傳遞給海洋表面，因此波浪能的來(lái)源是空氣流動(dòng)的動(dòng)能。所以波浪能能量的大小，能量的傳遞速率都和風(fēng)速相關(guān)，同時(shí)也與風(fēng)與水兩者相互作用有關(guān)。由于風(fēng)和波浪的運(yùn)動(dòng)不規(guī)則，所以波浪能沒(méi)有一個(gè)非常精準(zhǔn)的計(jì)算公式，只能采用統(tǒng)計(jì)學(xué)來(lái)進(jìn)行計(jì)算和處理。

3　浮動(dòng)式波浪能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

自古以來(lái)，人們對(duì)開(kāi)發(fā)海洋波浪能的設(shè)想非常豐富，波浪能轉(zhuǎn)換方法從古到今層出不窮，波浪能轉(zhuǎn)換專利也數(shù)量巨大，并且目前仍有大量的波浪能轉(zhuǎn)換裝置和設(shè)想不斷涌現(xiàn)，從研究人員到普通民眾對(duì)海洋中蘊(yùn)藏的巨大能量開(kāi)發(fā)都有極高的熱情。目前，波浪能的利用研究主要集中在波能轉(zhuǎn)換裝置上，現(xiàn)有的波浪能裝置按照系統(tǒng)按照方式的不同分為固定式和漂浮式。

基于上述研究，本文提出一種新型的波浪發(fā)電系統(tǒng)，可裝載于船舶上，置于海中發(fā)電，因此具有重要實(shí)際意義［2］。本文設(shè)計(jì)的波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要是為了利用波浪能轉(zhuǎn)換的電能，為船舶提供電能。

因此，開(kāi)發(fā)一種能夠裝載在船舶上，并且在海底固定的波浪能發(fā)電裝置，是一種較為理想的解決此類裝置能量供給的方式。一方面，減少了長(zhǎng)距離布線的成本。另一方面，利用自身發(fā)電大大減少了設(shè)備的工作和維護(hù)費(fèi)用。

因此，船載的系泊于海底的漂浮式波浪能發(fā)電裝置比較適合這種情況。船舶駛到合適的地方，一般是遠(yuǎn)離海岸的海區(qū)，因?yàn)椴ɡ艘话愣驾^大并且持續(xù)存在，系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間的依靠環(huán)境中的自然能量做功發(fā)電。然后船舶拋錨，系泊于海底，固定錨起到固定整個(gè)系統(tǒng)的作用。船只將通過(guò)附著于船只邊緣的漂浮體來(lái)捕獲能量，漂浮體在波浪能作用下上下運(yùn)動(dòng)，將波浪能傳遞到其他能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，因此波浪與漂浮體的關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)是波浪能轉(zhuǎn)換的第一步［3］。

與傳統(tǒng)波浪能發(fā)電設(shè)備不同的是，該發(fā)電機(jī)制不必應(yīng)對(duì)狂風(fēng)暴雨，在天氣情況不好時(shí)，可以將船泊在港口。傳統(tǒng)的固定的波浪發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)必須能應(yīng)對(duì)狂風(fēng)暴雨，這會(huì)大大增加成本。本裝置中的船只可通過(guò)對(duì)現(xiàn)有船舶翻新改進(jìn)而成，因此可進(jìn)一步削減成本。

圖2　浮動(dòng)式波浪能發(fā)電系統(tǒng)組成Fig.2　The consistent of the floating type wave power generation system

如圖2所示，漂浮于海面的漂浮體是波浪能的吸收體，在波浪力的作用下，漂浮體進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng);漂浮體下端鏈接可活動(dòng)的鋼索;鋼索下端鏈接一個(gè)液壓缸，液壓缸內(nèi)置回復(fù)彈簧;液壓缸活塞桿頂端鏈接錨鏈;錨鏈的作用為將整個(gè)系統(tǒng)固定在海底。另外，液壓缸鏈接壓軟管，將液壓油吸入缸內(nèi)或者排出缸外，油路中安裝有三通、單向閥、壓力表等儀表設(shè)備。油路的末端鏈接系統(tǒng)內(nèi)的儲(chǔ)能器，同時(shí)鏈接油路開(kāi)關(guān)、調(diào)速閥和液壓馬達(dá)等。

本系統(tǒng)中發(fā)電原理是，利用船舶上放置的漂浮體來(lái)吸收波浪能，然后與漂浮體連接的液壓結(jié)構(gòu)將漂浮體的上下運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的液體壓力，然后液體壓力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，從而產(chǎn)生我們所需的電能，實(shí)現(xiàn)波浪能的發(fā)電。

系統(tǒng)中液壓缸為系統(tǒng)產(chǎn)生液壓能的裝置，為了讓系統(tǒng)能夠順利進(jìn)行執(zhí)行吸油和排油動(dòng)作的循環(huán)，在液壓缸的上級(jí)上采用彈簧回復(fù)液壓缸，目的是在液壓內(nèi)活塞走到行程盡頭時(shí)，依靠液壓缸內(nèi)置的回復(fù)彈簧將活塞桿拉回，同時(shí)從油箱內(nèi)吸油，為下次來(lái)浪時(shí)漂浮體牽引液壓缸運(yùn)行產(chǎn)生高壓油做準(zhǔn)備。液壓缸的下端油路鏈接蓄能器和液壓馬達(dá)。蓄能器起緩沖壓力和蓄能的作用，液壓馬達(dá)可以將液壓轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，進(jìn)而再鏈接發(fā)電機(jī)

將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

本系統(tǒng)中的液壓傳動(dòng)主要由以下4個(gè)部分組成:

1)動(dòng)力元件:液壓泵。它負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力能，給系統(tǒng)提供液壓油。

2)執(zhí)行元件:液壓缸或液壓馬達(dá)。它負(fù)責(zé)將壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，推動(dòng)負(fù)載做功。

3)控制元件:液壓閥(流量、壓力、方向控制閥等)。這部分元件負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)中的油液壓力、流量和方向進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

4)輔助元件:系統(tǒng)中除了上述三部分外的元件，例如油箱、管路、過(guò)濾器、蓄能器、管接頭、壓力表、開(kāi)關(guān)等。由這些元件把系統(tǒng)連接起來(lái)，以支持系統(tǒng)的正常運(yùn)作。

之所以選擇液壓傳動(dòng)來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，是由于液壓傳動(dòng)有著以下一些優(yōu)點(diǎn):

1)能夠方便的實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大。

2)體積較小，重量較輕，更適合應(yīng)用于海上漂浮式發(fā)電裝置。

3)工作相對(duì)平穩(wěn)，換向沖擊較小，便于實(shí)現(xiàn)頻繁換向。

4)工作油液可以使傳動(dòng)零件進(jìn)行自潤(rùn)滑，裝置損傷較小，因此可以保障較長(zhǎng)的工作壽命。

5)操作簡(jiǎn)單方便，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化，特別是與電器控制聯(lián)合使用時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)［5］。

6)液壓系統(tǒng)具有一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)通用，便于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和推廣［4］。

圖3　浮動(dòng)式波浪能發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)形式Fig.3 The form of floating type wave power generation system movement

液壓系統(tǒng)各個(gè)組成部分及主要運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖3所示。系統(tǒng)各個(gè)組成機(jī)構(gòu)的連接次序如下:浮體下端通過(guò)鋼索與回復(fù)液壓缸底部連接，在受到漂浮體下行的壓力時(shí)，液壓缸內(nèi)的活塞桿伸向下端，并通過(guò)錨鏈系泊于海底。由系統(tǒng)的組成以及其各部件的連接情況，可明顯的看出系統(tǒng)各組成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)次序。

基本的工作過(guò)程是，當(dāng)海浪到來(lái)時(shí)，漂浮體受到浮力的作用，受到向上的作用力。由于漂浮體與鋼索是連在一起的，而鋼索與液壓缸連載一起，因此漂浮體向上的作用力會(huì)牽引與鋼索連接的液壓缸向上運(yùn)動(dòng)。而液壓缸內(nèi)的活塞是通過(guò)錨鏈系泊于海底的，錨鏈重量很大，所以活塞沒(méi)有辦法跟隨液壓缸體向上運(yùn)動(dòng)，只能相對(duì)靜止的牢牢的沉在海洋底部。這樣液壓缸與活塞之間變形成了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該相對(duì)運(yùn)動(dòng)就會(huì)對(duì)腔體內(nèi)的液壓油做工，排擠腔體內(nèi)的液壓油。由于液壓與蓄能器相連接，被排擠的液壓油于是向蓄能器內(nèi)壓油，蓄能器逐步的積累壓能量，當(dāng)蓄能器壓力達(dá)到一定值時(shí)，油路開(kāi)關(guān)被打開(kāi)，蓄能器內(nèi)液壓油沖擊液壓馬達(dá)，對(duì)液壓馬達(dá)做功，將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，之后通過(guò)液壓馬達(dá)，將轉(zhuǎn)換的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為最終所需要的電能。

該液壓系統(tǒng)的做功形式除了發(fā)電，還可以用來(lái)存儲(chǔ)能量、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置等。在波浪力的帶動(dòng)下，系統(tǒng)中的各組成機(jī)構(gòu)，按照順序依次運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)周期內(nèi)其整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程按先后順序是，波浪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)漂浮體的運(yùn)動(dòng)，飄浮體的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鋼索和液壓缸運(yùn)動(dòng)，液壓缸與活塞形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，液壓缸與活塞之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)擠壓液壓油運(yùn)動(dòng)，液壓油積累壓力帶動(dòng)液壓馬達(dá)運(yùn)動(dòng)，液壓馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，最后發(fā)電機(jī)完成發(fā)電。

圖4　浮動(dòng)式波浪能發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換原理Fig.4　The energy conversion principle of floating type wave power generation

從波浪能到電能的轉(zhuǎn)換途徑多種多樣，系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換方式和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程與我們采取什么

樣的能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)密切相關(guān)，并且各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式又直接影響能量的轉(zhuǎn)換方式。在本系統(tǒng)中，能量轉(zhuǎn)換主要經(jīng)由海上漂浮體、液壓缸、蓄能器和液壓馬達(dá)。它們的運(yùn)動(dòng)形式在上一節(jié)中已經(jīng)進(jìn)行了介紹，即由波浪運(yùn)動(dòng)到浮體運(yùn)動(dòng)，由浮體運(yùn)動(dòng)到液壓缸運(yùn)動(dòng)，最后到高壓液壓油驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)運(yùn)動(dòng)。

波浪能發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖4所示。由裝置的組成和各機(jī)構(gòu)的依次運(yùn)動(dòng)可知，系統(tǒng)工作時(shí)，能量在系統(tǒng)各組成單元間傳遞:浮體在波浪的作用下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)液壓缸與活塞桿作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換為液壓能:作為液壓能的載體的液壓油經(jīng)過(guò)蓄能器后平穩(wěn)地驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，將液壓能轉(zhuǎn)換為液壓馬達(dá)的機(jī)械能，最后液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將液壓馬達(dá)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，最終實(shí)現(xiàn)由波浪能到電能的轉(zhuǎn)換。

4　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，該裝置可以裝置在船舶上，通過(guò)拋錨來(lái)固定船體，通過(guò)船上的漂浮體捕捉波浪能進(jìn)行發(fā)電，為船舶提供電力。在上述環(huán)境中依靠海洋自身蘊(yùn)藏的波浪能作為能量供給源是易實(shí)現(xiàn)且廉價(jià)的，海洋中無(wú)固定平臺(tái)，所以本文確定采用漂浮式系泊結(jié)構(gòu)來(lái)解決裝置的存在方式問(wèn)題。在能量的轉(zhuǎn)換關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，因?yàn)橐簤簷C(jī)構(gòu)有諸多其他機(jī)構(gòu)不具有的優(yōu)點(diǎn)，如由于液壓系統(tǒng)在同等功率情況下，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、方便靈布置等優(yōu)點(diǎn)，確定主要采用液壓機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)波浪能發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換。本文設(shè)計(jì)的波浪能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、系統(tǒng)穩(wěn)定，在海洋能發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介:周廣鈺(1970－)，男，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樗姽こ屉姎?、自?dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及水利工程信息化。

收稿日期:2014－09－18;修回日期: 2014－12－27

文章編號(hào):1672－7649(2015) 07－0216－05doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.051

中圖分類號(hào):P943．2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A