微型水波能發電裝置的設計

沈昕

摘 要：文章設計了一種利用水面波浪作為動力源的微型水波能發電裝置，水面波浪經過本裝置內部的一系列組成部件的處理后，最終實現水波能到電能的轉換。本微型水波能發電裝置體積微小，實現簡單，且成本低，可以有效滿足特定場合的應用需求，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：微型；發電裝置；水波能；電能

1 前言

水力發電是我國電力工業一個重要的門類，建國以來，我國的水電事業有了長足的發展，取得了令人矚目的成績[1]。能取得這樣的成績歸結為如下幾點：①我國水能資源豐富，不論是水能資源蘊藏量，還是可能開發的水能資源，在世界各國中均居首位，水力發電前景廣闊[1]。②常規發電方式，煤的燃燒過程中會排放出大量的有害物質使大氣環境受到嚴重污染，引發酸雨和溫室效應等多方面的環境問題。而核能發電又有很大的潛在危險性，一旦泄露將造成嚴重污染，對環境的破壞作用是不可估量的。水力發電不排放有害的氣體、煙塵和灰渣，又沒有核輻射污染，是一種情結的電力生產，具有明顯的優勢[1]。③水力發電經過一個多世紀的發展，其工程建設技術、水輪發電機組制造技術和輸電技術趨于完善，單機容量也不斷增大。并且水力發電成本低廉，運行的可靠性高，故其發展極為迅速[1]。

目前，水力發電的基本原理是利用水位落差，配合水輪發電機產生電力，也就是利用水的位能轉為水輪的機械能，再以機械能推動發電機，從而得到電力。以這種傳統方式產生的電能電壓都較高，多用于市電及工農業用電，且受制于地形限制，需要修建專門的水利設施和購置專門的發電設備。

隨著水利水電應用的發展，出現了以水面波浪為動力的發電裝置。

2 波浪能發電技術概況

2.1 波浪能簡介

波浪能主要是由海面上風吹動以及大氣壓力變化引起的海水有規則的周期性動，具有一定的動能和勢能，動能是指波動的水質點以一定速度運動具有的能量，勢能是指水質點運動與海平面發生位移所具有的能量。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面的寬度成正比[2]。

波浪能主要用于發電，可為海上孤島、沿海經濟開發區及其它設施等提供優質電能。此外，波浪能還可以用于供熱、抽水、制氫以及海水淡化等[2]。

2.2 波浪發電的原理

波浪發電的原理主要是利用波浪運動的往復力、浮力產生動力或位能差。利用水面波浪發電的方法大致有3種：①是利用水面波浪的上下運動所產生水流或空氣流，使水（氣）輪機轉動，從而帶動發電機發電；②利用水面波浪裝置的前后轉動或擺動產生水流或氣流，使水（氣）輪機轉動，從而帶動發電機工作，產生電；③將低壓大波浪變為小體積的高壓水，然后把水引入高位水池積蓄起來，使它形成了水位的高度差，再來沖動水輪發電機發電[2]。

波浪能具有儲量大、分布廣、獲取方式多樣等優勢，因而成為最有發展前景的能源之一。但是現有的水波能發電多采用液壓發電技術，通過水波能壓縮空氣振動渦輪帶動發電機運轉以產生電能，但這種水波能發電裝置設備龐大，技術復雜，而且成本高。通常在一些環境監測設備節點以及其他微電子設備供能方面，只需功率很小的發電裝置即可，采用現有的水波能發電設備并不能應用在這種場合。因此，針對這些應用場合，文章設計了一種比較小的水波能發電裝置——微型水波能發電裝置。

3 微型水波能發電裝置技術實現

3.1 微型水波能發電裝置系統組成

主要由漂浮振子、微型電磁感應線圈、微型磁缸、整流電路、充電控制模塊、電能儲存裝置組成，如圖1所示。

3.2 微型水波能發電裝置各部分功能

3.2.1 漂浮振子

漂浮振子將漂浮在水面上，它隨著水波運動而振動，實現了水波能到機械能的轉換。

3.2.2 微型電磁感應線圈

將微型電磁感應線圈與漂浮振子連接在一起，當漂浮振子在水面上隨水波運動時，將帶動微型電磁感應線圈在微型磁缸中作切割磁感線運動，從而產生電動勢，進而完成機械能到電能的轉換。

3.2.3 微型磁缸

微型磁缸是一個由磁鐵構成的圓柱體物體，如圖2所示。微型電磁感應線圈通過在其中作切割磁感線運動而產生電動勢。

3.2.4 整流電路

整流電路如圖3所示，由于微型電磁感應線圈隨著漂浮振子在微型磁缸中上下往返運動而產生正負交替的交流電壓輸出，這種電壓極性不穩定，因此，整流電路的作用就是將正負交替的交流電壓輸出轉換成極性穩定的直流電壓輸出。

3.2.5 充電控制模塊

充電控制模塊如圖4所示，其核心部件是LTC4425充電控制器，通過充電控制器實現對儲能部件（超級電容，如圖5中6-1）的充電進行控制和保護，它能夠防止對儲能部件的過度充電和過度放電，提高儲能部件的使用壽命和安全性。

3.2.6 電能儲存裝置

電能儲存裝置如圖5所示，主要由超級電容（6-1）通過連接頭（6-2）串并組合而成，它與普通的可充電電池相比，超級電容具有更多的可充放電次數，實際效率更高，而且具有更低的內部電阻，并具有更好的安全余量和熱性能，而且超級電容所要求的低電壓正符合低功耗微電子產品的供能要求。

3.3 微型水波能發電裝置關鍵技術

3.3.1 整流電路的技術實現

整流電路采用經典的全波橋式整流，如圖3所示。整流橋由4個二極管組成，在整流橋的每個工作周期內，同一時間只有兩個二極管進行工作，通過二極管的單向導通功能，把交流電轉換成單向的直流脈動電壓。在圖3中電容C1，C2主要起濾波作用，平滑直流電壓輸出，減少紋波成分，C1，C2可以根據實際應用的環境選取合適大小的電容。

3.3.2 充電控制模塊的技術實現

充電控制模塊是本設計的重要部分之一，它是控制系統正常運轉的神經中樞，電路圖如圖4所示，其核心部件是LTC4425充電控制器，該器件采用具有熱量限制的線性恒定電流-恒定電壓（CC-CV）架構，從鋰離子/聚合物電池、USB端口或其它2.7V至5.5V的電流受限電源，將兩節串聯的超級電容器充電至可編程的輸出電壓，具有智能充電電流曲線限制浪涌電流，自動能量平衡在充電時防止電容器過壓的特點。

3.3.3 電能儲存裝置的技術實現

電能儲存裝置采用超級電容通過串并組合的方式實現，如圖5所示。由于微電子供電電壓普遍較低，分別選取標稱值為30F/2.5V的超級電容四個，每兩個超級電容串聯起來使其輸出電壓達到5V，串聯起來的超級電容兩組再并聯起來，提高其可輸出電流，以增大其所存儲的電能容量。另外，還可以根據具體的應用情況選取合適的超級電容，并采用靈活的串并組合方式滿足不同的應用需求。

4 結語

文章設計的微型水波能發電裝置具有很多優點，它克服了常規大型水波能發電裝置在微電子供能方面的不足，大大降低了水波能發電裝置的體積，使其實現簡單，成本低廉，能夠有效的滿足微電子低功耗設備的供能需求，具有廣闊的市場應用前景。

[參考文獻]

[1]馬一太，邢英麗.我國水力發電的現狀和前景[J].能源工程，2003（4）：58-60.

[2]陳韋，余順年，詹立，等.波浪能發電技術研究現狀與發展趨勢[J].能源與環境，2014（3）：94-95.