新型双向冲击发电装置在波浪能发电中应用

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摘 要：在对海洋的开发利用中，海洋波浪能的开发方法太过复杂、单一。针对沿海海浪方向调查分析，设计出一种双向海洋波浪能发电装置，并对其具体结构和工作原理作了详细描述，该装置巧妙的工程设计，可以连续不断产生电能，由于海浪冲击和退去均会带动叶轮旋转产生机械能，可以将此转化为电能，在该发电装置得到推广应用的前提下，其有极大的提升空间和广阔的应用前景。

关键词：海洋 波浪能 双向 冲击 发电

中图分类号：TK73 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（a）-0005-02

在这个星球上最广阔的是海洋，并蕴藏着广泛，巨大能量，与此同时，而有限的化石燃料已远远满足不了人类对于能源的需求。现在，海洋波浪转换电能具有相对成本低廉的优点，吸引着世界上的能工巧匠，知名学者们，想尽各种办法，企图驾驭海洋为人所用。海洋波浪能的研究在过去几十年的时间里取得了显著的进步，世界各国对其进行了大量的研究，研制出多种波能转换装置，有些已经商业化生产。而现在急需解决的问题就是如何充分利用波浪能，使其真正为可持续发展做贡献，尤其在沿海居民供电的使用上[1]。

1 背景技术

海洋波浪能能流密度高、储量巨大且分布广泛，是未来海洋能利用的主要发展方向。

波浪能发电装置的根据国际上最新的分类方式，波浪能技术分为：振荡水柱技术、振荡浮子技术和越浪技术（图1）[2]。

目前，海洋波浪能发电技术已取得了长足的进步，海浪发电装置种类繁多，绝大多数波浪能发电装置都是先将波浪能转换成某个载体的机械能，再将得到的能量转换成旋转机械（如水力透平、空气透平、液压电动机、齿轮增速机构等）的机械能，最后利用发电机将旋转机械的机械能转换成电能。大量研究表明，进一步提高波浪能装置的能量转换效率以及可靠性，是波浪能利用技术发展的关键。但由于波浪运动的多向性和往复性，使得人们至今也未能设计出合理的能量俘获系统和动力摄取系统，因此现有的海浪发电装置普遍存在结构复杂、能量转换效率低、可靠性差的问题，大大影响了该项技术的进一步发展。

2 概述及工作原理

本文提供了一个新型波浪能发电装置。（如图2所示）一种双向波浪能发电装置，构成中包括发电机、变速器、海水引导槽、叶轮和四个翻板阀，所述海水引导槽水平放置并与海浪的冲击方向平行；所述叶轮位于海水引导槽内，其竖直中心轴的下端通过轴承与海水引导槽的底板中部连接，上端经变速器驱动发电机；所述四个翻板阀分成两组，每组的两个翻板阀分别安装在海水引导槽的两个内侧壁上，二者相互对应且开启方向相反；位于海水引导槽的同一侧壁上的两个翻板阀开启方向相同。

在近海由于受到海岸线阻挡，海浪会来回冲击，海浪冲击和退去均会带动叶轮旋转产生机械能，可以将此转化为电能。当海水迅速灌入时，海浪冲击叶轮旋转，当海浪退去时海水继续冲击叶轮，使叶轮保持同一方向旋转叶轮继续为发电机提供动力，继而转换成电能造福沿海居民。

2.1 波浪能采集装置

1、2、3、4号门均为装有弹簧合页的弹簧门，海浪会来回冲击，当波浪从左边方向冲过来时，1号弹簧门受冲击打开，同时4号门由于固定挡板的阻挡以及海浪的冲击紧紧关闭，海水从左下方的开口迅速灌入，海浪冲击叶轮旋转。与1号门同样的原理，2号弹簧门同时受力打开，叶轮在巨大的海水冲力下快速旋转；叶轮轴与变速装置连接，经变速装置变速后带动带动直流发电机高速旋转，持续发出直流电，储存到蓄电池中，经电路输出装置为负载供电。同理，当海浪退去时，2号门和1号门在海水的反向冲击下以及弹簧门的弹力作用下关闭，海水只能从右上方的开口涌入流道，冲开门3，海水继续冲击叶轮，使叶轮保持同一方向旋转，4号门同时受海浪冲力打开，叶轮继续为发电机提供动力。这样，叶轮便能够保持同一方向旋转，使发电机持续发出直流电，即所谓的双向海浪发电。这样在海浪持续不断的冲击下，发电机源源不断的向外输出电能。在本波浪能发电装置中[3～5]，单个发电机的设计输入功率都比较小，因此可采用多个波浪发电机以某种阵列的方式联结来得到较大的电能输出。同时由于波浪运动的不规则性，在同一海域的波浪发电机会产生不同的电压频率，因此，发电机发出的电能需要经过一个整流环节，最后电能输送至电网供沿海居民使用[6]。

3 性能分析

波浪能发电装置在生产安装调试上及长期条件下的维修维护能力决定了其生命力与竞争力。本项目的波浪能采集装置采用简化结构和模块化可拆卸结构的设计，实现装置的快捷建造与低成本维护，并充分利用了海浪的往复流动特性，在海浪的浪涌过程中都可以发电，大大提高了能量转换效率。同传统海浪发电装置相比，还具有工作安全可靠、运行寿命长、适用范围广等优点。

4 结语

本文结合该波浪能发电装置的特点对工作原理及性能进行分析，该装置符合我国建设节约型社会的方针希望在未来可以投入长期使用，希望可以在短期内解决我国偏远海岛居民及驻军的用电问题。

同时波浪能发电的关键技术研究包括相位控制技术、生存技术、稳定发电技术、波能装置施工技术、新原理的波能装置研发等。相位控制技术研究较多，该技术对于提高波浪能的效率有重要意义。波浪能转换总体效率比较低，提高波能发电装置一级转换和中间转换的效率成为解决问题的关键装置尚有转换效率低等劣势，等待进一步改进[7]。

参考文献

[1] 高祥帆.海洋波浪能量的估算[J].广州：广州能源研究所，1980.

[2] 肖惠民，于波，蔡维由.世界海洋波浪能发电技术的发展现状与前景[J].水电与新能源，2011（1）：67-69.

[3] 刘鹤守，高祥帆.海洋波浪能与波能转换[J].自然杂志，1982（5）：24-26.

[4] 吴必军，游亚戈，马玉久，等.波浪能独立稳定发电自动控制系统[J]，2007，12（26）：35-38.

[5] Arlitt R C H，Tease K，Starzman n R，et a1.Dynamic system modeling of an oscillating water column wave power plant based on eharacteristic curves obtained by computational fluid dynamics to enhance engi— neared reliability.Wave Motion，2010（9）：201-203.

[6] 张丽珍，羊晓晨，王世明，等.海洋波浪能发电装置的研究现状与发展现状[J].湖北农业科学，2011，50（1）：161-164.Zhang Lizhen，Yang Xiaochen，Wang Shiming，et a1.Research status and developing prospect of ocean wavepower generation device[J].Hubei Agricultural Sciences，2011，50（1）：161-164.

[7] 韩冰峰，金奎，熊叶胜，等.海洋波浪能发电研究进展[J].电网与清洁能源，2012：1671—1815.