雙腔振蕩式水輪發(fā)電機的探索與實驗研究

楊成英

【摘 要】雙腔振蕩式水輪發(fā)電機的探索與實驗研究作為一項設計性、研究性實驗，這有利于培養(yǎng)學生的開拓精神和創(chuàng)新能力。本文提出一種雙腔振蕩式定槳水輪機裝置的研究性實驗，進行原理探究，該裝置的工作原理是將波浪轉變?yōu)轵寗铀啓C發(fā)電機的連續(xù)水流，從而實現(xiàn)波浪能轉換為電能。其次，闡述裝置相關理論，根據(jù)設計參數(shù)選取相關計算模型和公式，并從波浪平面高度、波峰高度、水位差的高度等幾個方面進行研究，進而得出提高發(fā)電機發(fā)電效率的方法。通過對裝置的初步驗證，該裝置有發(fā)電效率較高，能產生穩(wěn)定有效電力，可行性高的優(yōu)點。

【關鍵詞】波浪能;雙腔振蕩式;定槳水輪機;連續(xù)水流

中圖分類號： TV136 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）02-0033-003

0 引言

波浪能是海洋能中最不穩(wěn)定的一種能源，但其分布最廣且能流密度大。波浪在風、氣壓和水的重力等多種自然因素的綜合作用下起伏運動，具有一定的動能和勢能。所謂波浪能發(fā)電，即把海浪中的波浪能轉換成電能的一種方式。如果能有效的開發(fā)利用海洋可再生資源，必將緩解能源供給不足帶來的壓力，有助于社會的持續(xù)發(fā)展。

波浪發(fā)電裝置主要由兩部分組成：第一部分是采集裝置，負責波浪的獲取;第二部分是轉換裝置，負責將捕獲的波浪能轉化成機械能或電能?；趯＠税l(fā)電機的了解，同時參考國內外優(yōu)秀的浪流發(fā)電轉置設計[1-3]，本文提出了一種雙腔振蕩式水輪機發(fā)電裝置，該裝置是一種雙腔振蕩水柱時的波能發(fā)電裝置，將波能轉換為機械能驅動水輪機，水輪機帶動發(fā)電機切割磁感線轉化為電能。該裝置結構設計簡潔，能量轉換過程簡單以及波能轉電能的轉化率高，可行性大。雙腔振蕩式水輪發(fā)電機的設計性實驗作為一項設計性、研究性實驗，這有利于培養(yǎng)學生的開拓精神和創(chuàng)新能力[4]。

1 雙腔振蕩式水輪發(fā)電機的實驗研究

1.1 實驗原理

水輪海浪發(fā)電機作為一種雙腔振蕩水柱發(fā)電系統(tǒng)，其工作原理是將海浪轉變?yōu)檫B續(xù)的水流驅動水輪發(fā)電機發(fā)電。發(fā)電過程有兩個階段。階段一：當外在的水面向上從波谷升到波峰，入射海浪將外在的水推入進水艙，使得進水艙的水位升高，同時，進水艙的水又通過進水艙和出水艙之間的水渦輪機進入出水艙。實現(xiàn)波浪運動驅動設備運動的過程。階段二：當外在的水面向下從波峰跌到波谷，出水艙的水位將跟著進水艙的水位同時下降，而引起另一輪來自進水艙到出水艙的水流。在這兩階段中，振蕩水柱不斷的在波浪運動中循環(huán)發(fā)生。在此過程中，通過兩組單向流動閥門控制水流的流動方向，從而產生穩(wěn)定、單向的水流推動水渦輪機順利的運轉，并產生穩(wěn)定有效的電力。

1.2 實驗器材

雙腔水箱、高壓無刷發(fā)電機、明槽軸流式定漿水渦輪機、 三相整流橋

1.3 實驗方案的實現(xiàn)

本方案設計的發(fā)電裝置利用的是波浪從波峰到波谷的水位差，實驗裝置的主體構造如圖1a所示，主要由雙腔水箱、水渦輪機和高壓無刷發(fā)電機三大部分組成。雙腔水箱作為采集裝置，分為進水艙和出水艙，進水艙負責波浪的獲取，出水艙則負責波浪的回流，水箱側面進出水艙處均設有單向流動棋盤閥門，在閥門處都貼有油紙以便實現(xiàn)上艙進水、下艙出水的效果。明槽軸流式水渦輪機作為能量轉換裝置，負責將捕獲的波浪能轉化成機械能，水渦輪機再通過同心傳動軸帶動放置在進水艙上方的高壓無刷發(fā)電機發(fā)電。由于發(fā)電機發(fā)出來的是交流電，所以需要將發(fā)電機接線連接三相整流橋進行整理，接著連接穩(wěn)壓模塊進行穩(wěn)壓，此時輸出的電流是比較穩(wěn)定有效的，最后再接入萬用表中顯示出數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)進行發(fā)電效率和輸出總電能的計算和實驗分析。該裝置具有以下特點：

（1）雙腔水箱：雙腔水箱作為采集裝置，分為進水艙和出水艙，進水艙負責波浪的獲取，出水艙則負責波浪的回流，其優(yōu)點是可以有效穩(wěn)定地獲取波能并減少放射波。

（2）單向流動棋盤閥門：水箱側面設有上閥門和下閥門，兩種閥門的尺寸一致并分別有60個方孔，在閥門處都貼有油紙以便實現(xiàn)上艙進水、下艙出水的效果。其優(yōu)點是可以調節(jié)水流量，在不同波浪情況下能發(fā)出有效穩(wěn)定的電力。

為了提高單向流動棋盤閥門的密封性，我們選擇了貼合性好的油性紙，閥門貼紙方向至下而上來貼，迎合波浪方向，我們還在上閥門的貼紙上加了釘子來增加油紙重力，如圖1b所示，閥門能夠貼合緊密及運作規(guī)律;為了提高水輪機的轉速，我們通過切割進水口的環(huán)蓋和提高水輪機的擺放高度來增加了經(jīng)過水輪機管道的進水量，通過把出水口擴大增加出水量，如圖1c所示，實驗證明水輪機轉速和發(fā)電效率有了很大的提高。

1.4 實驗數(shù)據(jù)分析與記錄

由文獻可知[3]：發(fā)電效率η=發(fā)電機輸出功率P出/輸入機械功率P入，本裝置選用的是三相發(fā)電機，則輸出功率P出=1.732UI（I=0.02A），輸出機械功率實際等于水輪機的出力，因此 P入=9.81QHηt（ηt≈0.9）。由于水流量 Q= V*（3.14D^2/4）? 已知圓管內徑D=0.06m，設裝置水位高度為h1，波峰高度為h2，根據(jù)本裝置研究可知水頭H=h1-0.12m， 流速V=2（h2-h1）/T，發(fā)電機一段時間的輸出總電能為Q=P出t=UIt，由以上公式可知，發(fā)電效率與水位高度、波峰高度和波浪周期都有關系。

首先，我們選擇了水位高度為28cm、31cm、33cm作為水位高度對本裝置發(fā)電效率的影響的探究實驗。在記錄實驗數(shù)據(jù)時，為了減少實驗誤差，我們分別記錄每次實驗下的最高電壓、出現(xiàn)頻率最高的電壓及最低電壓，再探究其中的規(guī)律，實驗數(shù)據(jù)如表1所示（注：表格中電壓值從左到右分別為最高電壓、出現(xiàn)頻率最高電壓、最低電壓）：

根據(jù)所記錄的實驗數(shù)據(jù)，我們可以看到三個表格數(shù)據(jù)的共同點都是隨著水位差的升高，發(fā)電機輸出的最高電壓值、出現(xiàn)頻率最多電壓值和最低電壓值都有所增加，且不同周期情況下的電壓值相差范圍較小。并且，當水位高度在28cm時，本裝置輸出的電壓值相對較高。

為了對實驗數(shù)據(jù)進行進一步分析，我們多次進行實驗并記錄數(shù)據(jù)，并選用了實驗中出現(xiàn)頻率最高的電壓值進行如圖2所示的折線圖分析，同一水位高度和同一波浪周期條件下，隨著水位差的升高，輸出電壓也有所升高。且可以看出本裝置的水位為28cm時輸出電壓相對較高，水位為33cm時輸出電壓相對較低。綜上，根據(jù)理論公式計算可得，本發(fā)電裝置的效率基本在80%以上。

2 拓展性實驗

因為該實驗裝置運用到水位差的原理，所以我們大膽的提出了一個猜想，是否能夠通過減少進水腔的長度從而提高進水腔內的水位高度，與出水艙形成更加明顯的水位差，以此提高水輪機的轉速，增加發(fā)電裝置的發(fā)電效率。

由前面實驗的基礎下，我們選擇了輸出電壓較大的兩種狀態(tài)下的水位和波峰進行改變出水艙體積的實驗，分別為水位28cm波峰36cm時和水位31cm波峰39cm時。我們利用泡沫板改變實驗裝置初步得到的實驗數(shù)據(jù)如表2和表3所示：

圖中的數(shù)據(jù)可以初步判斷我們的猜想擁有一定的可研究性，出水艙減小體積后的實驗數(shù)據(jù)相對于之前的實驗數(shù)據(jù)都高，說明出水艙的體積對水位差的值有影響的，因此，這將成為本實驗裝置的下一個研究方向。

3 實驗結論

通過實驗數(shù)據(jù)記錄分析，本文提出的雙腔振蕩式水輪發(fā)電機具有以下優(yōu)點：

（1）結構簡單：裝置為模塊化結構設計，相對其他類型的發(fā)電裝置制作過程更加簡便，完成可能性大。

（2）性價比高：裝置需要的零件較少，購買零件的費用不算高，且容易購買。

（3）可靠性大：需要水下運動部件數(shù)量少且易于維修，可靠性高。

（4）利用率高：設計閉合的雙腔室和明槽軸流定漿作為轉換裝置，能量轉換過程簡單且能量利用率高。

（5）穩(wěn)定性大：裝置設有單向流動棋盤閥門調節(jié)水流量，水流幾乎可以恒定并且單向驅動水輪機平穩(wěn)旋轉，可以有效地產生穩(wěn)定的電力。

（6）設計閉合的雙腔室和明槽軸流式水輪機作為轉換裝置，發(fā)電機直接與軸流式水輪機連接，機械結構簡單，能量轉換過程簡單，大大減少了轉換過程中能量的損耗，能量利用率高，發(fā)電效率能穩(wěn)定在80%以上。

（7）本裝置采用的能量轉換裝置時軸流式定槳水輪機，相比于轉換效率能達到90%，但機械結構復雜，價格更昂貴的軸流式轉槳水輪機，在應用于小型發(fā)電裝置上性價比更高。

4 總結

本文闡述了雙腔振蕩式水輪發(fā)電機裝置的相關理論，根據(jù)設計參數(shù)選取了相關計算模型和公式，并從波浪平面高度、波峰高度、水位差的高度等幾個方面進行研究，進而得出提高發(fā)電機發(fā)電效率的方法。通過對裝置的初步驗證，該裝置有發(fā)電效率較高，能產生穩(wěn)定有效電力，可行性高的優(yōu)點。雙腔振蕩式水輪發(fā)電機的設計性實驗作為一項設計性、研究性實驗，對實現(xiàn)有效的開發(fā)利用海洋可再生資源，緩解能源供給不足帶來的壓力，保證社會的持續(xù)發(fā)展具有一定的理論參考價值。

【參考文獻】

[1]趙飛.一種新型波流耦合發(fā)電裝置及葉片結構優(yōu)化[J].船舶工程，2015（9）：99-103.

[2]鄭源，陳德新.水輪機[M].北京：中國水利水電出版社，2011：1-352.

[3]張三慧.大學基礎物理學[M].北京：清華大學出版社，2010：155-161.

[4]沈元華.設計性、研究性物理實驗介紹[J].物理實驗，2004，24（2）：33-37.