一種小型海浪發電裝置的研究實踐＊

詹映柔，潘永馨，王英如，劉朕廷，馬 穎

（1.廣州大學物理與材料科學學院，廣東 廣州 510006；2.中國科學院大學國家天文臺，北京 100101）

海浪是一種凌亂的波動現象，浪高和波形都會發生變化且同調性很差[1]。因為海浪具有凌亂、反復無常的特性，將其轉化為機械能再用于發電具有較大困難，所以至今為止，仍然沒有任何一項海浪發電裝置能夠實現真正的商業運轉。

1 現有海浪發電裝置分析

目前國內外已有的海浪發電裝置主要可分為衰減式、點吸收式、擺蕩式、越頂式、水柱振蕩式、沉潛壓差式六大類型，外加不易歸納的其他類型。

1.1 衰減式

“海蛇號”為此類裝置的代表。工作時裝置沿海浪傳播方向漂浮于水面上。取能浮體在海浪作用下做上下起伏運動帶動各節鉸接處相對轉動，從而推動內部的液壓缸往復運動將流體壓入儲能器中，液壓馬達在高壓流體作用下旋轉帶動電機以輸出電能。但是該類裝置取能浮體質量較大難以適應海浪的快速變化。裝置較為精密難以維修且只能攔截有限范圍內的海浪[2]。

1.2 點吸收式

該類裝置的取能浮體漂浮海面，在海浪作用下帶動水下管內部的活塞上下運動，一般也取用活塞推動液壓缸壓縮流體使液壓馬達旋轉的方式帶動電機工作。但此類裝置只能利用海水上下運動的動能，且裝置的成本較高。較為著名的有PowerBuby 裝置。

1.3 擺蕩式

這種類型以Oyster 裝置為代表。裝置的浮力擺被浸泡在水中，在海浪的作用下做來回擺動運動。浮力擺驅動水壓活塞產生高壓流體，再通過在海底用長管路將高壓流體輸送到陸地的蓄能裝置并驅動渦輪發電。但是擺動時裝置背后會激起波浪導致能量耗散。

1.4 越頂式

此類裝置先讓海浪越過蓄水裝置邊緣進入蓄水系統，利用積蓄的海水的勢能推動葉輪機帶動電機發電。這類裝置沒有直接利用海水的動能，效率較低。

1.5 水柱振蕩式

該類裝置空腔中的水柱在海浪的作用下被推動，做上下往復運動。水柱的運動驅動空腔中的氣體。在共振情況下，空腔中的氣體將會在裝置通道中做往復運動，從而驅動渦流機發電。但該裝置對工作水深與岸線長度有較高的要求[3]，且海面升降的速度相對較快，能量轉換效率不高。

1.6 沉潛壓差式

查閱相關資料，該類海浪發電裝置至今未有實際完成的海浪發電裝置模型。

以上幾種類型的海浪發電裝置存在不少局限：能量轉化的次數較多，轉化效率不高；采用的取能浮體和機械較為笨重，對海浪的迅速變化不能及時響應；還有部分裝置設計較精密，維護成本高；還有的裝置施工和加工困難[4]。

2 創新海浪發電裝置設計的提出

現有海浪發電裝置的設計思路大多是先將混亂的海浪能轉化成穩定的機械能，再將穩定的機械能轉化為穩定的電能，如圖1所示。這種設計思路的局限在于，將混亂的海浪能轉化為穩定的機械能的過程中能量損耗較多，造成浪費。

圖1 現有海浪發電裝置設計思路

設計團隊針對性地提出一種創新的海浪發電裝置設計思路，如圖2所示。方案思路創新之處在于將混亂的海浪能直接轉化為不穩定的電能，從而避免了使用精密的笨重機械將其轉化為穩定的機械能的過程。且現有的技術能便捷地實現將不穩定的電能高效地轉化成穩定的電能輸出。

圖2 自制海浪發電裝置設計思路

裝置設計方案：構建一個海上平臺將發電機芯懸浮于海面上，取能浮體直接隨海水擺動從而驅動發電機芯中的強磁體切割磁感線感應發電，將凌亂的海浪能直接轉化成不穩定的電能，再通過成熟的整流技術將不穩定的電能轉化成較穩定的電能。

3 海浪發電裝置制作

設計團隊所制作的直驅式海浪發電裝置主要由海上平臺、浮筒、直驅式發電裝置、取能浮體和發電顯示裝置構成。

海上平臺如圖3所示，用于掛載取能浮體和直驅式發電裝置，可視實際需要延長其橫梁長度以掛載多組裝置和抵御風浪。且隨著海上平臺的延長，海上平臺的穩定性也越高。

圖3 海上平臺

制作了如圖4所示的浮筒，可以托起海上平臺，且浮筒下部安裝阻滯板，使裝置整體能在海中保持相對固定的位置。

圖4 浮筒

自行制作的直驅式發電機芯，如圖5所示，與取能浮體連接的線經滑輪調整方向后牽引強磁體在線圈管中往復運動，磁體切割磁感線感應發電。

圖5 直驅式發電機芯

采用高密度泡沫材料制作了取能浮體，如圖6所示，其質量與轉動慣量都較小，能及時響應海浪的波動。工作時取能浮體隨海水擺動，因設計形狀獨特，當其向下擺動時，后部不易激起浪花，避免了由此造成的能量浪費且能利用各個方向的海浪能。

圖6 取能浮體

直驅式海浪發電裝置如圖7所示。選取發光二極管焊接的廣州塔模型作效果展示用，如圖8所示，發電裝置工作時可以同時供廣州塔模型上的64 盞LED燈發光。

圖7 直驅式海浪發電裝置

圖8 裝置發電效果

4 海浪做功與發電的功率計算

設取能浮體所受重力和海浪作用力的合力為F（t），在足夠長的時間內，浮體上下擺動高度變化可視為零，故此合力對浮體做的功等于海水對浮體做的功。忽略海水對取能浮體的黏滯力，設發電裝置負載時磁阻力Fmd與取能浮體速度成正比，且β為比例系數，有：

則取能浮體的運動方程為：

方程的解為：

其中：

由式（1）可求得海浪對取能浮體做功功率為：

功轉化為電能的功率為：

而取能浮體動能的變化率為：

可得：

式（2）（3）中：K為浮體動能。

在較長時間間隔T中轉化為電能的功為：

在時間足夠長的情況下，發電裝置發電的功率可視作等于海浪對取能浮體做功的功率。

5 裝置試驗

試驗過程采用一個大型水箱來模擬海浪環境。將一組發電裝置放置在水面上，并在設置水位尺記錄模擬浪高，將海浪發電裝置的輸出端接于電流表上。用大塊泡沫以手動方式按一定頻率推動箱中的水，并觀察發電裝置附近浪高的變化以及海浪發電裝置輸出端的電流峰值變化。當浪高峰值在15 s 內不發生明顯變化時，記錄下浪高峰值與輸出端電流峰值。多次重復操作試驗，并記錄多組試驗數據。

6 數據分析

試驗過程的原始數據記錄如表1所示。其中，“浪高”是指模擬海浪水面與靜止水面的高度差。圖9 中I表示輸出端電流峰值，h表示浪高峰值。通過試驗可知當浪高峰值達到6.5 cm 時，裝置輸出端的電流峰值可達到119 mA。

表1 浪高峰值與輸出端電流峰值試驗數據記錄表

圖9 浪高峰值與輸出端電流峰值關系圖

將試驗采集的數據，通過python 軟件直接分析的方法[5]，計算出浪高峰值與輸出端電流峰值之間的相關系數全部大于0.93，如表2所示，即浪高峰值與輸出端電流峰值之間的相關系數較高，說明二者之間具有較強相關性。

表2 浪高峰值與輸出端電流峰值的相關性

海浪發電裝置輸出端電流峰值隨著浪高峰值升高而升高，但是升高速度越來越慢，最終趨于穩定，表明裝置發電量是有限的。相對于該裝置的較小體積，其發電量已是較為可觀的[6]。

7 總結與討論

利用python 軟件對“浪高峰值與輸出端電流峰值平均值關系曲線”進行擬合，如圖10所示，得到多項式擬合曲線為0.042 26x5－0.108 2x4－6.243x3+52.28x2－127x+153.7，且得到了較好的擬合優度：R2=0.995 1。通過圖10 的擬合曲線可以預測得到當海浪高度達到0.1 m 時，輸出端電流可達到1 012.199 mA。

圖10 浪高峰值與輸出端電流峰值平均值關系圖

英國物理學會主辦的第三屆綠色能源及可持續發展國際會議于2020-11-14 發表的一個往復波發電裝置，最大電流僅為9.66 mA，最大電壓僅為7 V[7]。目前我們的裝置在較低的浪高情況下得到的電壓可達到10 V 以上，電流可達到119 mA，是其他同類裝置的10 倍以上。

根據國家海洋預報臺對中國海岸線某一天的24 h海浪預報，風平浪靜的天氣，靠近海岸的位置海浪高度一般超過80 cm。從發電效率來看，目前我們的裝置已經能夠滿足日常照明需要，且在原理和技術上都具有可行性，值得進行下一階段的研究和試驗。