綜合利用波浪勢能與流能的發電裝置

徐丙州，臧天朔，王澤豪，張文博

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢430070）

波浪能是海洋能中最主要的能源之一，其波能能量密度高，是風能的4～30 倍，且其受天氣影響較小。中國沿海波浪能平均理論功率高，約是中國電力常量一半。但是現有的波浪能發電設備往往只能對波浪能的某一種形式進行收集，且多是早期的設計，結構笨重，轉換效率低，約為10%～35%。基于以上背景，設計了一款綜合利用波浪勢能與流能的發電裝置。

1 設計方案

本項目主要通過文丘里管對垂直方向低速高能的波浪進行加速，實現波能轉換；利用自動開合葉片對海平面附近的流能進行收集，不同方向的波浪能經過齒輪調速模塊調整方向之后傳遞到輸出軸，同軸的兩個輸出模塊的能量經過逆向差速器之后傳遞到發電機組，從而實現波浪能發電。整體裝置如圖1 所示。

圖1 整體裝置簡圖

本裝置主要由勢能收集模塊、流能收集模塊、齒輪調速模塊、差速整合模塊組成。

1.1 勢能收集模塊

勢能收集模塊由浮子、文丘里管兩部分組成。文丘里管隨浮子上下浮動，實現勢能的收集，其內部為渦輪機與齒輪調速模塊結合的裝置。

1.1.1 浮子

本作品的浮子選擇圓錐形浮體，浮子受到海浪的沖擊，帶動文丘里管上下浮動。

在海洋中，浮子會隨著波浪進行上下起伏運動，主要利用的是垂直方向波浪能，因此在計算浮體的波浪力時只考慮垂直波浪力。

由振蕩浮體吸收的波浪能一部分轉化為浮體在不同位置的勢能，一部分轉化為浮體垂蕩運動的動能，且兩者可以相互轉化。所以，浮體吸收的波浪能可以用浮體的機械能表示為：

式（1）中：M 為浮體的質量；A0為浮體垂蕩運動的振幅。

從AQWA 軟件的仿真實驗中得到，在質量、體積、平衡位置截面積、入射波相同的情況下，圓錐形浮體吸收的波浪能最多[2]，因此，本作品選擇圓錐形浮體。

1.1.2 文丘里管提速模塊

本裝置文丘里管與喉道處內置渦輪葉片可以產生相對轉動。

該部分將安放于海平面以下30～40 m 處[2]，上方浮子浮在水面。由于垂直方向波浪流速較小，具有低速高能的特點[1]，所以采用文丘里管提速模塊。當波浪發生起伏時，浮子帶動文丘里管上下浮動，此時由于深處的海水較為穩定，會有水流通過文丘里管裝置內部，帶動渦輪葉片旋轉。

長徑比和面積比是影響文丘里管內渦輪機轉速的兩大因素，L 為文丘里管收縮段長度，d 為文丘里管喉部直徑。實驗表明，渦輪機轉速約在長徑比L/d=1.5 處取得極大值，渦輪機轉速增加約40%[3]；面積比A1/A2=8.27 時，可使渦輪機轉速增加50%左右。收縮管錐度以α表示，喉段收縮比為小圓半徑與大圓半徑之比[3]。由試驗結果分析可以看出，當收縮管錐度為50°、喉段收縮比為5/12 時進水量達到最大值，因此，收縮比與錐度設計為5/12 和50°。

1.1.3 齒輪調速模塊

由于文丘里管會上下浮動，所以渦輪機對軸的動力輸出方向不能確定，而流能收集模塊對軸的動力輸出方向是始終保持不變的，所以對其旋轉方向進行調整。該模塊利用棘輪與齒輪相互配合，當渦輪順時針旋轉時棘輪A 嚙合，B 空轉，反之亦然。此模塊可使軸的轉向在任何時候都保持不變，與自動開合葉片動力輸入方向保持一致，可以使動力輸出更平穩，提高發電效率。整套齒輪結構將置于渦輪機葉片與軸的連接處。

1.2 流能收集模塊

流能收集模塊利用海水在水平方向的流動趨勢，通過自動開合葉片，提高對海水能量的利用效率，其由自動開合葉片和輸出動力軸系組成。自動開合葉片裝置如圖2 所示。

圖2 自動開合葉片裝置圖

本作品的自動開合葉片為被動式，利用波浪的阻力實現開合。如圖2 所示，A 側為迎浪側，當受到波浪的沖擊時，兩塊合頁會被撐開，使受力面積變大；B 側為背浪側，在波浪的沖擊下趨向于閉合。

由于此處流速比深處的海水流速大，所以水平捕能裝置將放置在浮子下方靠近海平面處。

1.3 差速整合模塊

差速整合模塊由兩個不同動力輸入軸和中間行星輪組成。利用差速器的逆向運行，整合兩動力輸入軸的扭矩，輸出到電機主軸上。差速器如圖3 所示。

圖3 差速器

該裝置放于電機軸與動力軸的連接處。C 動力輸入軸為渦輪機動力軸，D 動力輸入軸為自動開合葉片動力軸，兩軸旋轉方向相同但是轉速不同。D 軸中空，內徑略大于C 軸，C 軸穿過D 軸傳輸動力，通過中間的行星輪E 實現差速整合。

差速器是一種傳動機構，用于兩輸出軸間分配扭矩，并保證兩輸出軸可以以不同的角速度轉動，保證各半軸的動力傳遞。本作品設計了新的差速器結構，利用差速器的逆向運行，實現了扭矩的整合，將兩輸入軸的不同角速度整合到單個輸出軸上。

當裝置工作時，流能和勢能兩收集裝置產生的動力軸角速度不同，產生的扭矩不同。逆向差速器通過行星輪的自轉消除差速，通過公轉將動力輸出，實現動力的整合。

2 理論分析

海洋表面存在浪高差異，會帶動浮子和文丘里管加速模塊上下浮動，進而推動渦輪機旋轉。由于該模塊上下兩側入口處的橫截面積較大，而喉管處的橫截面積較小，所以當流量一定時，低速高能的水流通過喉管會被加速，從而實現波浪勢能的高效利用。

據計算，在波高H=1.5 m，波長λ=56.178 m，波峰長度B=3 m 時，該裝置垂直方向的效率為：

水平方向海浪沖擊自動開合葉片，使得葉片旋轉。使用多組并聯式結構可以在提高發電功率的同時提高其穩定性，實現波浪流能的收集。該裝置水平方向的效率為：

勢能收集模塊與流能收集模塊通過逆向差速器整合扭矩，總動力軸輸出動力，實現波浪能發電。

3 結語

本作品采用新型逆向差速器結構，綜合利用了海洋中的波浪勢能與流能，解決了傳統海上發電裝置工作方式單一、能量利用率較低的問題，提高了海上發電設備的工作效率。整體結構較為簡單，制造成本與維修費用低，兼具安裝位置受限小、海上適應能力強、發電效率高等優點，安裝的規模不受限制，在近海和深海都可以使用。在海上作業供電、海岸居民用電等方面具有較為廣闊的開發前景。