振蕩水柱式波浪能發電技術在航標中的應用

■ 洪茂枝

（1.福建省交通科學技術研究所;2.福建省公路水運工程重點實驗室，福州 350004）

1 引言

隨著世界經濟的發展、人口的激增、社會的進步，人們對能源的需求日益增長。占地球表面積70%的廣闊海洋，集中了97%的水量，蘊藏著大量的能源，其中包括波浪能、潮汐能、海流能、溫差能、鹽差能等。其中，波浪能由于開發過程中對環境影響最小且以機械能的形式存在，是品位最高的海洋能。據估算，全世界波浪能是現在世界發電量的數百倍，有著廣闊的商用前景，因而也是各國海洋能研究開發的重點。自20世紀70年代世界石油危機以來，各國不斷投入大量資金人力開展波浪能開發利用的研究，并取得了較大的進展。日、英、美、澳等國家都研制出應用波浪發電的裝置，并應用于波浪發電中。我國對波浪能的研究、利用起步較晚，目前我國東南沿海浙江、廣東等地區已在試驗一些波浪發電裝置。

波浪發電是波浪能利用的主要方式，波浪能利用裝置的種類繁多，關于波能轉換裝置的發明專利超過千項。這些裝置主要基于以下幾種基本機理：利用物體在波浪作用下的振蕩和搖擺運動；利用波浪壓力的變化；利用波浪的沿岸爬升將波浪能轉換成水的勢能等。經過20世紀70年代對多種波能裝置進行的實驗室研究和80年代進行的海況試驗及應用示范研究，波浪發電技術己逐步接近實用化水平，研究的重點也集中于4種被認為是有商品化價值的裝置，包括振蕩水柱式裝置、擺式裝置、振蕩浮子式波能轉換裝置和收縮波道式波能轉換裝置。本文研究討論基于振蕩水柱式波浪發電技術，將其應用于航標中，供燈浮發電。

2 振蕩水柱式波浪能發電技術原理

振蕩水柱式波浪能發電技術也稱為空氣透平式波浪能發電技術，是目前應用最廣泛的波浪能發電技術，在國內也有較多振蕩水柱式波浪能試驗電站在運行。

振蕩水柱型裝置主要有一個氣室，由一個空箱構成，在它淹沒于水面以下部分有一個開口，在氣室上部有氣流通道（空氣出入口）。波浪向著空箱移動，當波峰接近空箱前壁時，水進入空箱，推動箱內水位上升，上升的水位使箱內氣壓增加，氣室內空氣通過出入孔排出，由于氣孔狹小，氣體高流速噴出，見圖1左圖。在波谷接近空箱前壁時，水從空箱抽出，箱內水位下降，下降的水位使箱內氣壓降低，外面空氣通過出入孔高速進入氣室，見圖1右圖，流出流進的氣體將推動渦輪機旋轉，這就把波浪能轉換為機械能。

圖1 振蕩水柱式波浪能采集基本原理

氣室內水面有一個固定的波動頻率，沖入氣室的水碰到氣室后壁反射回來，如能和下降水面同向，將會與波浪共振，選擇合適的氣室尺寸可以使室內水面振蕩與外面波浪頻率相近，共振的水面波動幅度會遠高出波浪的幅度，大大提高氣體的流量從而提高系統效率。

在氣流通道內安裝氣動渦輪機，進出的氣流就會推動渦輪機旋轉，渦輪機帶動發電機發出電來，這就是振蕩水柱式波浪能發電的原理。

上面介紹的振蕩水柱式波浪能發電裝置是靠岸邊安裝，稱為固定式（靠岸式）安裝。本文研究振蕩水柱式波浪能發電裝置在航標中的應用，結構漂浮在海面上，稱為漂浮式（離岸式、近岸式）發電裝置。圖2是下面進水的漂浮式振蕩水柱式波浪能發電裝置，為振蕩水柱式波浪能發電在航標中應用的原理圖。

圖2 漂浮式振蕩水柱波浪能發電裝置

3 波浪發電航標燈系統改造

基于振蕩水柱式波浪能發電技術，本文研制的航標燈波浪能發電系統如圖3所示。

圖3 航標燈發電原理方框圖

波浪能發電裝置的結構由五部分組成：（1）保護帽、（2）整流器和控制器、（3）交流永磁發電機、（4）對稱翼型空氣透平、（5）轉輪室。圖4為波浪能發電裝置外觀圖。該裝置采用抗海水腐蝕、耐候性好的全玻璃鋼外殼，全塑料轉輪，耐海水腐蝕鋁合金電機殼體，不銹鋼緊固件等。裝置外形美觀，呈大紅色，重量輕，便于海上安裝。外型尺寸：Φ285×180mm；重量 7kg；法蘭口徑：Φ202mm；螺栓中心因：Φ260mm；螺栓孔徑：Φ12mm；螺栓孔數：6 個；連接螺栓：M10×45mm。

圖4 波浪能發電裝置外觀圖

將波浪能發電裝置安裝于航標上，經改造后波浪能發電燈浮標主要由浮標、波浪能發電裝置、蓄電池組和航標燈器四部分組成，見圖5。波浪能發電裝置垂直安裝在帶中心管的浮標上，在波浪作用下，浮標隨波浪升沉，而中心管內水柱幾乎不動，因而水柱象活塞一樣排出和吸入空氣，產生往復氣流進而推動空氣透平帶動發電機旋轉發電，產生的交流電經整流后輸入蓄電池，向航標燈供電。

圖5 波浪能發電浮標總圖

4 航標的投放與測試

4.1 航標的投放

為了對波浪能發電與太陽能發電效果進行對比，該航標上同時安裝有波浪能發電裝置和太陽能板，航標投放前應再次檢查各處接線是否正確，接線點是否牢固，并用萬用表檢測蓄電池的端電壓。航標投放后，當浮標升沉時，靠近浮標可以用耳察聽裝置發出的氣流聲和透平的旋轉聲響來判斷裝置是否已正常投入工作。投放時，航標應盡可能直立如水，不能橫臥入水，以防海水浸入發電機。

本次航標的投放委托福州航標處進行，選定閩江口D6 燈浮位置 （地理坐標為 26°05′20.94″N、 119°43′45.41″E），于2017年9月4日投放至指定地點，現場投放照片如圖6所示。

圖6 現場投放照片

4.2 航標的測試

航標的測試采用基于AIS的航標無線監控系統，詳見圖7。AIS基站實時采集其覆蓋范圍內所有AIS航標的位置信息和運行狀況信息，并將信息發送給AIS區域中心，AIS區域中心通過信息通信采集AIS航標信息將其存儲在數據庫中，并向其它系統提供數據庫資源。

航標AIS的信息內容主要包括：（1）航標位置信息如航標類型、航標名稱和位置等信息；（2）航標運行狀況信息如電源電壓、燈器電流、燈開關狀態等運行信息。

圖7 基于AIS的航標無線監控系統框圖

本次基于AIS的航標無線監控系統分別對該航標波浪能發電效果和太陽能板發電效果進行了實時監測，波浪能發電監測時間為2017年9月4日至2017年11月28日，太陽能板發電監測時間為2017年11月30日至2018年1月21日。圖8、圖9分別給出了波浪能發電的航標遙測日報數據和太陽能電池板發電的航標遙測日報數據，對兩者數據進行對比分析，波浪能提供的蓄電池電壓為11.9V～13.0V，太陽能提供的蓄電池電壓為11.0V～13.5V，兩者提供的發電電壓相當，此外，波浪能發電航標系統位置未發現明顯偏離，航標燈工作狀態正常，未出現故障，表明該振蕩水柱式波浪能航標系統能滿足日常工作要求。

考慮到波浪能作為新能源之一，其分布廣總量大，可就地取能，波能發電裝置的性能受環境和氣候的影響較低，在夜間和惡劣環境下仍可正常工作、性能穩定，填補了太陽能夜間及惡劣環境下不能發電的缺點，此外，波浪能相比太陽能更充足，如將波浪能與太陽能同時安裝在航標上，可以相互補充，維持航標日夜正常工作，保證航運安全。

圖8 航標遙測日報數據截圖（波浪能供電）

圖9 航標遙測日報數據截圖（太能能供電）

5 結論

本文基于振蕩水柱式波浪能發電技術，將其應用于航標上，經航標改造、現場投放和測試，并對比分析了波浪能發電與太陽能發電的效果。結果表明該航標未發現離位狀態，航標燈工作狀態正常，未出現故障，波浪能提供的蓄電池電壓為11.9V～13.0V，與太陽能電池板提供的電壓相當，該振蕩水柱式波浪能航標系統能滿足日常工作要求。該波浪能航標系統的性能受環境和氣候的影響較低，在夜間和惡劣環境下仍可正常工作、性能穩定，填補了太陽能夜間及惡劣環境下不能發電的缺點，波浪能相比太陽能更充足，如將波浪能與太陽能同時安裝在航標上，可以相互補充，維持航標日夜正常工作，保證航運安全，具有廣闊的應用前景。

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