海上燈浮標(biāo)晃動(dòng)發(fā)電裝置設(shè)計(jì)試驗(yàn)分析

北海航海保障中心大連航標(biāo)處 崔玉亮

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海上燈浮標(biāo)晃動(dòng)發(fā)電裝置設(shè)計(jì)試驗(yàn)分析

北海航海保障中心大連航標(biāo)處 崔玉亮

摘要：波浪能是一種分布廣泛、技術(shù)環(huán)境友好的可再生環(huán)保能源，利用波浪能發(fā)電為海上燈浮標(biāo)提供能源補(bǔ)給具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。介紹將波浪能發(fā)電應(yīng)用于燈浮標(biāo)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合航標(biāo)工作實(shí)際設(shè)計(jì)一種新型的燈浮標(biāo)晃動(dòng)發(fā)電裝置并進(jìn)行定性試驗(yàn)分析，最后對裝置的進(jìn)一步改進(jìn)提出建議。

關(guān)鍵詞：波浪能；燈浮標(biāo)；晃動(dòng)發(fā)電

目前，海上燈浮標(biāo)發(fā)光所需能源主要是太陽能。太陽能供電系統(tǒng)一般由太陽能電池板、蓄電池、控制系統(tǒng)三部分組成。電池板吸收太陽能給蓄電池充電，蓄電池為浮標(biāo)燈發(fā)光提供電力保障，控制系統(tǒng)則主要控制蓄電池避免充電過載或者電力不足。太陽能海上浮標(biāo)供電系統(tǒng)主要的問題是設(shè)備成本高，太陽能利用率低，天氣因素（如刮風(fēng)下雨、日照不足、鳥糞遮蔽）的影響大，同時(shí)，現(xiàn)在使用的太陽能蓄電池體積和重量都很大，給航標(biāo)工作人員海上維護(hù)造成了很多的安全問題。

海洋波浪是在風(fēng)的壓力和海平面摩擦力作用下形成的，在風(fēng)的持續(xù)作用下，波浪逐漸生長，形成巨大的涌浪。世界上最豐富的波浪能資源出現(xiàn)在南北緯30°～60°的大洋東面，年平均能流密度可以達(dá)到20～100 kW/m2。［1］我國沿海的波浪能資源非常豐富。根據(jù)觀測到的波浪資料統(tǒng)計(jì)計(jì)算表明，我國沿岸波浪能資源理論量為1.29×107kW，以臺灣省沿岸最豐富，其次是浙江、廣東、福建和山東沿岸。全國沿岸波浪能流密度分布，以浙江中部、臺灣省、福建省海壇島以北、渤海海峽為最高，達(dá)到了5.11～7.73 kW/m2；其次是西沙、廣東東部、浙江北部和南部等地區(qū)。利用海洋中波浪起伏、海流擾動(dòng)、潮汐等海洋動(dòng)能，通過晃動(dòng)的慣性作用將其轉(zhuǎn)化成電能，為燈浮標(biāo)上的燈器提供能源補(bǔ)給，一直以來都是廣大航標(biāo)工作人員的心愿。

一、燈浮標(biāo)波浪能發(fā)電裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

燈浮標(biāo)漂浮在海平面上，錨鏈系統(tǒng)牽引著浮標(biāo)在一定的半徑內(nèi)隨著波浪耦合運(yùn)動(dòng)，利用波浪動(dòng)力為海上燈浮標(biāo)發(fā)光提供能源不僅成本較低不受天氣因素影響，而且可以大大降低航標(biāo)工人的維護(hù)保養(yǎng)次數(shù)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。針對這一設(shè)想，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)做了大量的探索嘗試，1965年，波浪能發(fā)電的浮標(biāo)燈由日本最先研究制成并應(yīng)用，1986年韓國首爾工業(yè)大學(xué)院設(shè)計(jì)出了利用空氣透平式的浮標(biāo)燈用的波浪能發(fā)電裝置，通過幾十年的研究，已有20～1 000 W的多種型號浮標(biāo)用發(fā)電裝置，到目前為止該系列產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)1 000多臺，在日本、美國等國使用。國內(nèi)最早研究燈浮標(biāo)發(fā)電裝置的是中國科學(xué)院廣州能源研究所于1985年至1987年期間研發(fā)的10 W的航標(biāo)燈用波浪發(fā)電裝置，之后又陸續(xù)研發(fā)了60 W、100 W航標(biāo)燈（船）。到2003年，他們成功開發(fā)利用對稱翼透平的航標(biāo)燈用波浪發(fā)電裝置，在0.3 m浪高、周期3 s浪況下可以滿足航標(biāo)燈浮標(biāo)用電。該裝置在廣東沿海珠江口、湛江、泉州、上海等地使用，并出口日本、英國。此外，大連海事大學(xué)、北海航海保障中心大連航標(biāo)處等院校和單位也進(jìn)行了積極探索嘗試。

二、燈浮標(biāo)晃動(dòng)發(fā)電裝置方案設(shè)計(jì)

燈浮標(biāo)海上晃動(dòng)發(fā)電裝置設(shè)計(jì)思路由經(jīng)典的波浪能三級能量轉(zhuǎn)換組成：第一級是波浪能的俘獲裝置，第二級是將俘獲的波浪能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，第三級是在發(fā)電機(jī)的作用下將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能并輸出裝置。即在波浪的晃動(dòng)作用下浮標(biāo)產(chǎn)生上、下、左、右、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，浮標(biāo)的晃動(dòng)帶動(dòng)能量俘獲裝置，獲取波浪能；波浪能通過一系列的機(jī)械元件產(chǎn)生往復(fù)的機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作產(chǎn)生電能。

根據(jù)北方海區(qū)常用的燈浮標(biāo)尺寸，結(jié)合發(fā)光燈器的功率要求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的海上燈浮標(biāo)晃動(dòng)發(fā)電裝置。裝置由三大部分組成：由擺錘輪、擺桿、中心轉(zhuǎn)軸組成的波浪能的俘獲裝置，由增速齒輪、上條齒輪、定力矩離合器、上弦飛輪、止回飛輪、發(fā)條盒、發(fā)電齒輪、調(diào)速器組成的機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置，由發(fā)電機(jī)組成的電能輸出裝置。

圖1 海上燈浮標(biāo)晃動(dòng)發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖

燈浮標(biāo)晃動(dòng)發(fā)電裝置水平固定安裝在浮標(biāo)的浮鼓上，具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)簡單，無須改變浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)形式；二是沒有水下部件，很好地將外部海洋環(huán)境和裝置隔離，避免了海水腐蝕、海洋生物附著等影響；三是生存能力顯著，裝置雖然安裝在浮鼓上，但是不影響燈浮標(biāo)正常工作，這就增強(qiáng)了在惡劣氣候條件下裝置的生存能力，確保輸出電能的連續(xù)性。

三、燈浮標(biāo)晃動(dòng)發(fā)電裝置的工作方式

根據(jù)計(jì)算，當(dāng)燈浮標(biāo)與海平面之間的偏角≥15°時(shí)，擺錘輪在浮標(biāo)晃動(dòng)力的作用下開始轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)擺錘輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過擺桿帶動(dòng)中心轉(zhuǎn)軸作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，中心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)增速齒輪作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，增速齒輪經(jīng)過三級增速后帶動(dòng)上條齒輪作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)上條齒輪軸所釋放出來的力矩值低于定力矩離合器所設(shè)定的值1.95 N·m時(shí)，定力矩離合器處于接合工作狀態(tài)，當(dāng)上條齒輪軸所釋放出來的力矩值高于定力矩離合器所設(shè)定的值1.95 N·m時(shí)，定力矩離合器處于空轉(zhuǎn)打滑工作狀態(tài)。上條齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)所釋放的力帶動(dòng)上弦飛輪旋轉(zhuǎn)，此時(shí)上弦飛輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)條盒中的發(fā)條逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)上弦，同時(shí)上弦飛輪在止回飛輪的制動(dòng)下只做軸空轉(zhuǎn)，不帶動(dòng)發(fā)條上弦工作。順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)同理。

當(dāng)兩個(gè)發(fā)條盒中的發(fā)條儲(chǔ)存的總力矩值大于發(fā)電機(jī)靜態(tài)啟動(dòng)力矩T靜時(shí)，兩個(gè)發(fā)條盒的發(fā)條推動(dòng)發(fā)電齒輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)低速永磁直流發(fā)電機(jī)發(fā)電，過渡齒輪的作用主要是調(diào)節(jié)發(fā)電齒輪旋轉(zhuǎn)方向，確保軸旋轉(zhuǎn)方向一致。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，當(dāng)發(fā)電軸的軸轉(zhuǎn)速R≥85 r/min時(shí)，調(diào)速器開始啟動(dòng)工作，降低發(fā)電軸的轉(zhuǎn)速直至不大于85 r/min。當(dāng)兩個(gè)發(fā)條盒中發(fā)條釋放的總力矩值T≤0.97 N·m時(shí)，發(fā)電機(jī)停止工作。

四、燈浮標(biāo)晃動(dòng)發(fā)電裝置試驗(yàn)分析

燈浮標(biāo)晃動(dòng)發(fā)電裝置安裝在浮標(biāo)浮鼓上，通過與浮標(biāo)的耦合運(yùn)動(dòng)形式主要有三種，即垂蕩、橫蕩和橫搖。因?yàn)檠b置波浪能俘獲裝置擺錘垂直于水平面，在理論上垂蕩對擺錘旋轉(zhuǎn)沒有影響。本文通過一系列的試驗(yàn)定性分析了不同海況、波浪幅度、波浪周期、擺錘擺長、擺錘質(zhì)量等因素對發(fā)電性能的影響。

通過加工裝置樣機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，裝置樣機(jī)如圖3所示，由于直接測量擺錘的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)比較困難，裝置發(fā)電實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性導(dǎo)致難以操控，模擬實(shí)驗(yàn)是在穩(wěn)定的陸地環(huán)境下進(jìn)行的，箱體的晃動(dòng)周期、傾角等均是在穩(wěn)定輸出狀態(tài)下進(jìn)行的，同時(shí)受模擬波浪裝置的實(shí)驗(yàn)條件限制，因此我們只對裝置進(jìn)行了定性分析，結(jié)果如下：在其他條件一定時(shí)，橫蕩幅度越大，平均發(fā)電功率越大，橫蕩周期越小，平均發(fā)電功率越大；在其他條件一定時(shí)，波浪級別的增加對平均發(fā)電功率影響有限，不能單純認(rèn)為波浪級別越高，平均發(fā)電功率越大；在其他條件一定時(shí)，擺錘質(zhì)量越大，平均發(fā)電功率越大，擺錘擺長越長，平均發(fā)電功率越大。

圖2 燈浮標(biāo)晃動(dòng)發(fā)電裝置樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 燈浮標(biāo)晃動(dòng)發(fā)電裝置樣機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)

通過試驗(yàn)分析和實(shí)際運(yùn)行對燈浮標(biāo)晃動(dòng)裝置提出了如下改進(jìn)措施:

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)的定性分析可知，增大擺錘質(zhì)量、增長擺長均可以提高平均發(fā)電功率，考慮到浮標(biāo)浮鼓的表面積、形狀和浮標(biāo)晃動(dòng)的幅度，增長擺長是更為可行的方法，所以在對裝置的改進(jìn)中，適當(dāng)增加擺長的長度，降低擺錘的質(zhì)量，對平均發(fā)電功率有著顯著的提升。

（2）燈浮標(biāo)晃動(dòng)發(fā)電裝置全部構(gòu)件為機(jī)械元件，在實(shí)際運(yùn)行過程中，機(jī)械齒輪長時(shí)間的咬合增大了磨損，降低了整個(gè)裝置的發(fā)電效率。在今后的改進(jìn)中，可以考慮適當(dāng)減少機(jī)械元件，適當(dāng)使用液壓元件，這樣不僅提升了裝置的發(fā)電效率，而且可以提高裝置的可靠性和穩(wěn)定性。

（3）燈浮標(biāo)晃動(dòng)發(fā)電裝置在設(shè)計(jì)時(shí)沒有儲(chǔ)電裝置，如遇到長時(shí)間的風(fēng)平浪靜等極端天氣時(shí)，對燈浮標(biāo)的連續(xù)正常發(fā)光將產(chǎn)生影響。在今后的改進(jìn)中，應(yīng)當(dāng)增加蓄電池和控制器，確保輸出電流的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

參考文獻(xiàn)：

［1］游亞戈，盛松偉，吳必軍.海洋波浪能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀與前景［M］//第十五屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.2012:9-16.

DOI:10.16176/j.cnki.21-1284.2016.07.006

作者簡介：崔玉亮（1983—），男，碩士，工程師，E-mail：yuliangcui1983@163.com