海浪發(fā)電裝置的創(chuàng)新型研究

馬德柱 王龍旭 劉佶巖 張龍旭 于鴻宇

【摘? 要】論文圍繞海浪發(fā)電開展創(chuàng)新型研究，設(shè)計(jì)一種新型浮子式海浪發(fā)電機(jī)，將海浪發(fā)電與創(chuàng)新結(jié)構(gòu)框架相結(jié)合，使其運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在滿足電能產(chǎn)生的同時(shí)降低成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)海浪能的高效利用。

【關(guān)鍵詞】海浪發(fā)電;波浪能;水動(dòng)力學(xué)分析;優(yōu)化設(shè)計(jì)

【Abstract】Focusing on the innovative research of wave power generation， the paper designs a new type of float wave generator， which combines wave power generation with innovative structure framework， makes its motion structure simple， meets the demand of power generation and reduces the cost， so as to realize the efficient use of wave energy.

【Keywords】wave power generation; wave energy; hydrodynamic analysis; optimal design

1 引言

為了更為高效地利用波浪能，本文圍繞海浪發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)問題開展創(chuàng)新型研究，設(shè)計(jì)一款創(chuàng)新型海浪發(fā)電裝置及相關(guān)系統(tǒng)，在保證達(dá)到預(yù)期效果的基礎(chǔ)上嘗試探索低成本、可持續(xù)性的設(shè)計(jì)方案，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

2 創(chuàng)新型海浪發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)

本文通過對(duì)海浪發(fā)電現(xiàn)狀分析、海浪發(fā)電機(jī)的發(fā)電方式、結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，以海洋發(fā)電要求為目標(biāo)，在調(diào)研現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，研制一個(gè)新型海浪發(fā)電機(jī)，采用類似浮子式發(fā)電方式[1]，由浮拍擺動(dòng)傳遞能量的海浪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方案。模擬空間擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式，以齒條為紐帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)子往返運(yùn)動(dòng)，和波浪的垂蕩運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)相結(jié)合簡(jiǎn)化了波浪能的轉(zhuǎn)化過程，提高了能量的轉(zhuǎn)化效率。從前期分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，新設(shè)計(jì)的海浪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，適用于不同類型的海域。

2.2自由度的設(shè)計(jì)

本裝置的發(fā)電原理由其運(yùn)動(dòng)特性決定，當(dāng)浮體受海浪作用時(shí)，會(huì)進(jìn)行六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，其中包括沿三個(gè)坐標(biāo)軸的平動(dòng)模式和三個(gè)繞坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)模式，運(yùn)動(dòng)特性極為復(fù)雜且不易實(shí)現(xiàn)。而本裝置當(dāng)浮體在垂直方向上做平行運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于發(fā)電機(jī)動(dòng)子在豎直方向上進(jìn)行固定，發(fā)電機(jī)的動(dòng)子在其驅(qū)動(dòng)下與定子發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并在線圈內(nèi)形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，完成發(fā)電過程。

2.3 浮子形狀的選擇

本裝置利用浮子的上下振動(dòng)吸收波浪能，在設(shè)計(jì)過程中，浮子的選擇要保證最大程度吸收波浪能，提高電機(jī)的工作效率，這也是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處。采用弗汝德·克雷洛夫假定法計(jì)算作用在浮體上的波浪力，假定入射波動(dòng)場(chǎng)原來的波壓強(qiáng)分布不因潛體的存在而改變，先計(jì)算出未受擾動(dòng)的入射波壓強(qiáng)對(duì)浮體的作用力，再乘以反映質(zhì)量效應(yīng)的繞射系數(shù)C進(jìn)行修正。

采用F-K假定，作用在浮體上的波浪力一般表達(dá)式為：

px：浮體表面任一點(diǎn)上未擾動(dòng)入射波的波壓強(qiáng)在水平方向上的分量;

pz：浮體表面任一點(diǎn)上未擾動(dòng)入射波的波壓強(qiáng)在垂直方向上的分量;

S：浮體浸沒在海水中的總表面積;

Ch：水平繞射系數(shù);

Cv：垂直繞射系數(shù)。

利用弗汝德·克雷洛夫假定法計(jì)算大尺度浮體上的波浪力理論，結(jié)合上式進(jìn)行面積分，再選定適度的繞射系數(shù)C，作用在浮體上的波浪力便可得到。對(duì)于浮體來說應(yīng)波面的力做功相對(duì)垂直面很小，忽略不計(jì)，通過計(jì)算，最終得到類水滴型浮體的方案，較球體、長(zhǎng)方體等其他方案最能吸收波浪能。

2.4 浮拍創(chuàng)新型設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)浮拍設(shè)計(jì)為閥式波力發(fā)電裝置，本裝置的三節(jié)閥采用鉸鏈鏈接，閥塊間的夾角隨波浪的運(yùn)動(dòng)不斷改變，推動(dòng)閥上的雙向油壓活塞和發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。該裝置發(fā)電效率低下，僅可達(dá)到50%。

本文設(shè)計(jì)的裝置按照水淺處波浪沖擊力大的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)具體實(shí)際波浪運(yùn)動(dòng)情況選擇相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)以達(dá)到最佳吸收波浪能效果。這種裝置采用陀螺蓄能，陀螺旋轉(zhuǎn)依靠本身發(fā)電維持，提取能量的工作軸與水滴體運(yùn)動(dòng)軸正交，波高決定轉(zhuǎn)動(dòng)幅度。經(jīng)過實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到，當(dāng)圓筒部分的直徑是波長(zhǎng)的1/8時(shí)，吸收效率最大，可達(dá)到80%以上，根據(jù)實(shí)際情況的需求可以進(jìn)行大規(guī)模發(fā)電。

2.5浮體臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮體臂鏈接浮體和齒輪，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，彎矩較大，因此應(yīng)選用抗彎性較好的材料，同時(shí)，為了避免裝置過重而降低發(fā)電效率，裝置整體應(yīng)呈現(xiàn)出質(zhì)量較輕的特點(diǎn)。另外，由于各個(gè)側(cè)面都會(huì)受到海水沖擊，也要要求各個(gè)側(cè)面結(jié)構(gòu)盡量相同從而抵消部分海水沖擊。初步設(shè)計(jì)示意圖如下：

3 發(fā)電效率的計(jì)算

3.1 浮體在海浪中的受力分析

在實(shí)際工作中，發(fā)電機(jī)動(dòng)子被固定在垂直方向上，分析時(shí)僅需分析浮體在垂直方向上的直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第二定律得：

其中：m為系統(tǒng)中垂直方向上做振動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量;fe為海浪作用于浮體上產(chǎn)生的力;fr為浮體振動(dòng)和海水相互作用產(chǎn)生的力;fb為浮體的靜浮力;fv、ff 分別為流體黏性和摩擦產(chǎn)生的阻力，一般情況下忽略不計(jì);fg為電機(jī)的電磁力。

3.2 裝置的動(dòng)力學(xué)方程建立

設(shè)浮體在水面靜止時(shí)的位置為平衡位置，則有：

其中K為靜浮力系數(shù);x為浮體偏移平衡位置的位移。

在浮體振動(dòng)幅度較小的情況下，根據(jù)波浪理論，在規(guī)則海浪激勵(lì)下，其中ma、Ra分別為附加質(zhì)量和阻尼，其數(shù)值是關(guān)于海浪頻率的非線性函數(shù)。

采用理想流體模型不考慮粘滯性與摩擦，上式分析最終得到在規(guī)則海浪激勵(lì)下發(fā)電裝置的動(dòng)力學(xué)方程為：

3.3 發(fā)電機(jī)吸收功率

在近海中，多數(shù)情況海浪的變化較小，往往在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)可以近似處理為規(guī)則波具有較好的預(yù)測(cè)性，當(dāng)有一些極端條件發(fā)生時(shí)，極端氣象條件改變必然會(huì)引起海浪沖擊強(qiáng)度變化，此時(shí)海浪發(fā)電裝置的附加質(zhì)量和附加阻尼也隨之改變。在規(guī)則波驅(qū)動(dòng)的海浪發(fā)電系統(tǒng)中，電磁力可以表示為速度和位移的線性組合：

其中Rg為阻尼系數(shù)，反映了發(fā)電機(jī)吸收有功功率的能力;Kg為彈性系數(shù)，反映了發(fā)電機(jī)吸收無功功率的能力。

海浪發(fā)電輸出功率并不恒定，在大時(shí)間尺度上變化較大，在分析系統(tǒng)的瞬時(shí)功率的基礎(chǔ)上，研究一段時(shí)間內(nèi)海浪發(fā)電輸出的平均功率，對(duì)分析海浪發(fā)電的特性更具有價(jià)值。假設(shè)海浪周期已知并可測(cè)，在一個(gè)完整周期內(nèi)的理想條件下，為了提高精度，盡可能多次等間隔測(cè)量功率以求取平均值即可得到一個(gè)周期的有效功率值，海浪發(fā)電裝置的周期平均功率能夠更為系統(tǒng)地反映裝置的能量吸收能力，進(jìn)而為裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供有效依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

為了提高對(duì)波浪能的利用效率，本文圍繞海浪發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)問題開展了創(chuàng)新型研究，以對(duì)海浪能高效利用為目標(biāo)，將海浪發(fā)電與創(chuàng)新結(jié)構(gòu)框架相結(jié)合，采用弗汝德·克雷洛夫假定法設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的創(chuàng)新型海浪發(fā)電裝置，并對(duì)其結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了介紹。該新型海浪發(fā)電機(jī)可適用于不同海域，針對(duì)不同地點(diǎn)可更換不同大小浮拍，波浪越大，產(chǎn)生電能越多，實(shí)際使用時(shí)可將該裝置通過電氣焊與深海油氣平臺(tái)焊接一起為其提供電能，生活用電時(shí)則可以組成發(fā)電陣列，提高電力以供儲(chǔ)備或使用，從而提供一種新的波浪能轉(zhuǎn)化為電能的途徑。

【參考文獻(xiàn)】

【1】焦永芳，劉寅立.海浪發(fā)電的形狀及前景展望[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010，147（12）：113.