新型波浪能發電機的機構設想與設計

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變經濟發展方式是我國經濟社會領域的一場深刻變革，關系改革開放和社會主義現代化建設全局。當前，我國發展的外部環境更趨復雜，保持經濟可持續發展、破解資源環境制約以及全面建設小康社會等目標要求，都對推進經濟結構調整提出了新的更高的要求。能源緊缺是當今世界面臨的一個重要的難題，因此能源領域的結構調整與創新對國家整體性的經濟結構戰略性調整起到了至關重要的作用。而電能是能源領域重要組成部分，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利用，如風力發電、海洋發電等。針對國情，加大力度和投入發展波浪能發電更為有利，可以聯站并網，發揮密集型特點，實現群體化，可操作性很強。

2 波浪能發電的特點

2.1 現有海浪發電機的分類及工作原理

至今為止，全球申請波力發電專利已超過千項，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電不同），無法直接帶動旋轉的發電機發電，必須進行能量轉換。而把波浪能轉換為空氣能是最為廣泛應用的一種，即波浪沖擊擠壓空氣室中的空氣，壓縮空氣驅動氣力渦輪機，在帶動發電機發電。

②機械能——將波浪能轉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，油壓驅動馬達旋轉，并帶動發電機發電。

③水位能——將內盛海水的水斗通過連桿機構固定在岸基上，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海水越過堤壩倒入水庫，多次反復作用，就如同潮汐發電那樣利用水庫和海面之間的水位差來傳動低水頭發電機發電。

2.2 波浪能發電的發展趨勢

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

3 新型波浪能發電機的機構設想與設計

本次設計采用簡單的漂浮體的上下往復運動進行波浪能量的采集，通過放大器轉化成磁鐵的高速上下往復運動，進而帶動一臺小型發電機發電。將利用這種波浪能帶動漂浮體運動時的機械能轉變為電能。

3.1 源動件的設計構想

海水會因波浪能不間斷的做上下往復運動，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運動。磁體切割磁感線會產生電能，為此，我們只需通過設計某種機械傳動機構使漂浮體推動磁體快速的切割磁感線，這樣就會產出電能。進而實現一種波浪能發電機的設計。

3.2 傳動機構的設計

考慮到磁體需要有一傳動比較大、傳動效率高、噪音低等優點的傳動機構，所以在這里選擇了菱形連桿放大傳動機構。總傳動比為24/1=24，根據這個數值，可以分三級增速傳動，為使系統簡化，三級均采用同比菱形連桿傳動機構，以便于直接高速平穩的推動磁體上下往復運動。

3.3 潤滑劑的選擇

考慮波浪能發電機工作環境及傳動機理，其潤滑劑的選擇應從防銹、減振、密封、傳遞動力等方面進行考慮。由于該產品工作環境均在海浪中運行，因此其潤滑劑應對其整個機構形成密封起到特殊作用，以防止水濕或其他灰塵、雜質浸入磨擦副，同時考慮其連桿機構特點，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，因此該機構的潤滑狀態是介于流體潤滑和邊界潤滑之間的一種混合潤滑狀態或稱為部分彈性流體動壓潤滑。為此該機構的潤滑劑應采用以基礎油和稠化劑組成的塑性潤滑脂，同時根據需要加入各種添加劑的半固體潤滑劑。

3.4 發電機的功率研究

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的波浪能資源貯量大概也超過2TW。據估計全世界可開發利用的波浪能達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。

結語

本次設計采用簡單的漂浮體進行波浪能量的采集，通過放大機構轉化成磁鐵的高速往復運動，并進而帶動一臺小型發電機發電，發出的電能經過整流和穩壓后送到蓄電池中儲存，該直流電源經逆變后，也可供使用交流電源的設備使用。

該設計綜合采用了機械傳動技術、電機技術、和電力半導體技術等，結構簡單，可靠性高，不與海水接觸，壽命長。設計產品所用零部件及電子器件工作可靠穩定、成本較低。可廣泛用于小型漁船、燈塔、近海養殖場等常規供電不方便的場合，具有較好的推廣應用前景。

[1]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]吳宗澤.機械零件設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

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