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)計一種新型浮子式海浪發(fā)電機，將海浪發(fā)電與創(chuàng)新結(jié)構(gòu)框架相結(jié)合，使其運動結(jié)構(gòu)簡單，在滿足電能產(chǎn)生的同時降低成本，實現(xiàn)對海浪能的高效利用。

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

【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)計一款創(chuàng)新型海浪發(fā)電裝置及相關(guān)系統(tǒng)，在保證達到預(yù)期效果的基礎(chǔ)上嘗試探索低成本、可持續(xù)性的設(shè)計方案，具有積極的現(xiàn)實意義。

2 創(chuàng)新型海浪發(fā)電裝置的設(shè)計

2.1總體設(shè)計

本文通過對海浪發(fā)電現(xiàn)狀分析、海浪發(fā)電機的發(fā)電方式、結(jié)構(gòu)進行研究與設(shè)計，以海洋發(fā)電要求為目標，在調(diào)研現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，研制一個新型海浪發(fā)電機，采用類似浮子式發(fā)電方式[1]，由浮拍擺動傳遞能量的海浪發(fā)電機設(shè)計方案。模擬空間擺動運動方式，以齒條為紐帶驅(qū)動電機動子往返運動，和波浪的垂蕩運動特點相結(jié)合簡化了波浪能的轉(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)計的海浪發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，適用于不同類型的海域。

2.2自由度的設(shè)計

本裝置的發(fā)電原理由其運動特性決定，當(dāng)浮體受海浪作用時，會進行六個自由度的運動，其中包括沿三個坐標軸的平動模式和三個繞坐標軸的轉(zhuǎn)動模式，運動特性極為復(fù)雜且不易實現(xiàn)。而本裝置當(dāng)浮體在垂直方向上做平行運動時，由于發(fā)電機動子在豎直方向上進行固定，發(fā)電機的動子在其驅(qū)動下與定子發(fā)生相對運動并在線圈內(nèi)形成感應(yīng)電動勢，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吸收波浪能，在設(shè)計過程中，浮子的選擇要保證最大程度吸收波浪能，提高電機的工作效率，這也是本設(shè)計的關(guān)鍵之處。采用弗汝德·克雷洛夫假定法計算作用在浮體上的波浪力，假定入射波動場原來的波壓強分布不因潛體的存在而改變，先計算出未受擾動的入射波壓強對浮體的作用力，再乘以反映質(zhì)量效應(yīng)的繞射系數(shù)C進行修正。

采用F-K假定，作用在浮體上的波浪力一般表達式為：

px：浮體表面任一點上未擾動入射波的波壓強在水平方向上的分量;

pz：浮體表面任一點上未擾動入射波的波壓強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·克雷洛夫假定法計算大尺度浮體上的波浪力理論，結(jié)合上式進行面積分，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。對于浮體來說應(yīng)波面的力做功相對垂直面很小，忽略不計，通過計算，最終得到類水滴型浮體的方案，較球體、長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

傳統(tǒng)浮拍設(shè)計為閥式波力發(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動不斷改變，推動閥上的雙向油壓活塞和發(fā)電機進行發(fā)電。該裝置發(fā)電效率低下，僅可達到50%。

本文設(shè)計的裝置按照水淺處波浪沖擊力大的原理進行設(shè)計，根據(jù)具體實際波浪運動情況選擇相應(yīng)設(shè)計參數(shù)以達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動軸正交，波高決定轉(zhuǎn)動幅度。經(jīng)過實際實驗測量得到，當(dāng)圓筒部分的直徑是波長的1/8時，吸收效率最大，可達到80%以上，根據(jù)實際情況的需求可以進行大規(guī)模發(fā)電。

2.5浮體臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

浮體臂鏈接浮體和齒輪，長度較長，彎矩較大，因此應(yīng)選用抗彎性較好的材料，同時，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。另外，由于各個側(cè)面都會受到海水沖擊，也要要求各個側(cè)面結(jié)構(gòu)盡量相同從而抵消部分海水沖擊。初步設(shè)計示意圖如下：

3 發(fā)電效率的計算

3.1 浮體在海浪中的受力分析

在實際工作中，發(fā)電機動子被固定在垂直方向上，分析時僅需分析浮體在垂直方向上的直線運動，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運動部件的總質(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;fg為電機的電磁力。

3.2 裝置的動力學(xué)方程建立

設(shè)浮體在水面靜止時的位置為平衡位置，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。

在浮體振動幅度較小的情況下，根據(jù)波浪理論，在規(guī)則海浪激勵下，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)則海浪激勵下發(fā)電裝置的動力學(xué)方程為：

3.3 發(fā)電機吸收功率

在近海中，多數(shù)情況海浪的變化較小，往往在幾個小時內(nèi)可以近似處理為規(guī)則波具有較好的預(yù)測性，當(dāng)有一些極端條件發(fā)生時，極端氣象條件改變必然會引起海浪沖擊強度變化，此時海浪發(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)電機吸收有功功率的能力;Kg為彈性系數(shù)，反映了發(fā)電機吸收無功功率的能力。

海浪發(fā)電輸出功率并不恒定，在大時間尺度上變化較大，在分析系統(tǒng)的瞬時功率的基礎(chǔ)上，研究一段時間內(nèi)海浪發(fā)電輸出的平均功率，對分析海浪發(fā)電的特性更具有價值。假設(shè)海浪周期已知并可測，在一個完整周期內(nèi)的理想條件下，為了提高精度，盡可能多次等間隔測量功率以求取平均值即可得到一個周期的有效功率值，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，進而為裝置的改進設(shè)計提供有效依據(jù)。

4 結(jié)語

為了提高對波浪能的利用效率，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，以對海浪能高效利用為目標，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)計了一款結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的創(chuàng)新型海浪發(fā)電裝置，并對其結(jié)構(gòu)及工作原理進行了介紹。該新型海浪發(fā)電機可適用于不同海域，針對不同地點可更換不同大小浮拍，波浪越大，產(chǎn)生電能越多，實際使用時可將該裝置通過電氣焊與深海油氣平臺焊接一起為其提供電能，生活用電時則可以組成發(fā)電陣列，提高電力以供儲備或使用，從而提供一種新的波浪能轉(zhuǎn)化為電能的途徑。

【參考文獻】

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