波浪能发电装置

波浪能发电装置（共7篇）

波浪能发电装置 篇1

1 波浪能概述

波浪所蕴涵的能量主要是是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的,它实质上是吸收了风能而形成的。能量传递速率和风速有关,也和风与水相互作用的距离有关。台风导致的巨浪,其功率密度可达每米迎波面数千k W,而波浪能丰富的欧洲北海地区,其年平均波浪功率也仅为20-40k W/m中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为2-7k W/m。全世界波浪能的理论估算值也为109k W量级。利用中国沿海海洋观测台站资料估算得到,中国沿海理论波浪年平均功率约为1.3107k W。但由于不少海洋台站的观测地点处于内湾或风浪较小位置,故实际的沿海波浪功率要大于此值,其中浙江、福建、广东和台湾沿海为波能丰富的地区。

波浪能发电一般是利用波浪的推动力,使波浪能转化为推动空气流动的压力(原理与风箱相同,只是用波浪做动力,水面代替活塞),利用海面波浪的垂直运动、水平运动和海浪中水的压力变化产生的能量推动空气涡轮机叶片旋转而带动发电机发电。波浪能发电系统一般包括能量采集系统和能量转换系统,能量吸收装置吸收波浪能并将其转换成规则运动形态(如直线运动、圆周运动)的机械能,再通过能量转换装置将规则运动形态的机械能转换成电能输出。

2 波浪能开发意义

海洋占地球表面积70%,集中了97%的水量,蕴藏着大量的能源,包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等。其中,波浪能由于开发过程中对环境影响小且以机械能形式存在,是品位最高的海洋能。利用波浪能发电可为边远海岛和海上设施等提供清洁能源,还可利用波浪能提供的动力进行海水淡化,从深海提取低温海水进行空调制冷以及制氢等。因为太阳辐射的不均匀加热与地壳冷却及地球自转造成风,风吹过海面又形成波浪,因此海洋波浪是由太阳能源转换而成的,波浪所产生的能量与风速成一定的比例。波浪能是近期在海洋能源利用中研究最多的能源形式,因为其是海洋能蕴藏最为丰富的能源之一,随着人类不断的研究与试验,波浪能的利用也慢慢走向了商业化的道路。

波浪能比较其他能源有如下优点:(1)分布最广;(2)可再生,只要有太阳能的存在,即会产生风能,从而会不断地产生波浪能;(3)波能流密度最大,最高在某些地方可达到100k W/m,可利用程度非常高;(4)洁净无污染;(5)有按周期性变化的规律可循,从而为其标准化利用打下基础;(6)以机械能形式出现,是海洋能中品位最高的能量。波浪能的这些优点意味着:波浪能相对其他海洋能源,利用更加方便,装置可以更加小巧廉价,可以为沿海地区、海洋平台和远海领域的提供能源。

3 波浪能发电技术原理及波能转化装置分类

波浪能发电系统有很多种形式,总体上可以分为三级,第一级与波浪直接接触捕获波浪能,将波浪能转换成发电系统所能接受的实体能量,通常表现为在波浪运动下的起伏机械能,如浮子、摆板等装置;第二级为中间转化和传输系统,把起伏的机械能传输到第三极进行发电;第三级即发电系统和输出电力系统,通常为发电机。这三级是相互联系,相互作用的。最重要的是第一级的波浪能捕获系统,波浪能捕获的多少直接影响到后面二、三级系统的转化效率和发电量。第二级主要起稳向、增速、稳速的作用。第一级与第二级之间很多时候具有一定的距离,必须有第二级在两者之间起到连接和能量传递作用。

第一级转化是:捕捉波浪的垂荡运动或水平运动的能量转化为发点装置所持有的能量。这样,波浪能发电系统必须有一对实体去接触波浪能,即接触波能体(受能体)和定体,受能体直接接触波浪运动,捕捉波浪传来的能量,定体相对于受能体是固定的,运动与受能体一致或滞后一个相位差。一般而言,受能体以定体是多种做样、各种形式的,通过这个组合来实现第一级能量转换。

第二级中间转化是:可以认为它是一、三级之间的“桥梁”,把第一级和第三极能量转换连接起来。第一级转换的波浪能一般是不稳定的,达不到最终转换的动力机械的要求。中间转换系统主要起着稳向、增速和稳速的关键作用,另外有的波能发电装置如离岸式波能发电装置第一级与第三极之间有一段距离,此时,中间转换还起着能量储存和运输作用。中间转换装置按照不同的实体可以分为:机械式、水力式、气动式等。

第三极转换装置即终极转化是:把机械能转换成电能,基本上采用常规技术发电,最新的发电技术有液态金属磁流体发电技术等,应为发电机是在工况变化大的环境下工作,发电效率会受到一定影响,不会很高。最终转换也可以不发电,直接把机械能输送到工作装置,这样可以省去机械能—电能—机械能环节,能够简化结构,提高效率。

长期以来,世界各地出现了形形色色的海洋波能转换装置,其种类是各种海洋开发装置中最多的,因此对它们进行分类的标准也很多。按照工作的场所,可以分为海岸式波浪能转换装置和海洋式波浪能装换装置;按照波浪能转换装置吸收波浪能的方式来分的话,大略可以分为垂直摆荡式、空腔共振式、压力式等。

(1)浮体

用于安装发电设备,使装置能浮于海面,为漂浮式的波浪能发电装置所必须。浮体必须具有一定的容积与浮力,结构要坚固,能耐海水腐蚀,外形能适应波浪环境;还要能承载全部发电设备,使整个装置浮动于海面之上。

(2)波浪能接收器

用于接收或吸收波浪的能量。由于波浪能是一种散布在海面的低密度能量,故该部件尺寸要足够大,或组成阵列,以吸收较多的波浪能。波浪能接收器吸收波浪能力的效率低是衡量整个装置性能优劣的主要指标。

(3)波力放大器

这是由波浪能接收器所吸收的分散波浪能变成集中能量的设备,其作用是把波浪能接收器接收的分散的波浪能变成集中地能量。通常用气筒、油压泵、水压泵等来完成。例如在气柱振荡式波浪能发电装置中,需要把流经空气涡轮的气流速度加大,最多从lm/s左右提高到l OOm/s,才能驱动空气涡轮高速旋转,带动发电机发电。

(4)原动机一发电机

它们的作用是完成波浪能向电能的装换。原动机可用空气涡轮、液压马达、水轮机等。发电机可用交流发电机,也可用直流发电机。

(5)电器控制与自动控制设备

主要用来保护整个装置,在无人看管的条件下正常运行。例如在恶劣的海况条件下运转、防护海水的侵蚀、在潮湿环境中保持电气设备的良好绝缘性能等。

(6)锚泊系统

漂浮式波浪发电装置必须在海面上定位,才能正常运转发电。这就必须通过缆绳和锚将整个装置系在海底。这就是锚泊系统的作用。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。其中振荡水柱技术利用波浪驱动气室内水柱往复运动,再通过水柱驱动气室内的空气,进而由空气驱动叶轮,得到旋转机械能,进一步驱动发电装置,得到电能。这种技术可靠性较高,但效率低。振荡浮子技术利用波浪的运动推动装置的活动部分产生往复运动,驱动机械系统或油、水等中间介质的液压系统,再推动发电装置发电。越浪技术是利用水道将波浪引入高位水库形成水位差(水头),利用水头直接驱动水轮发电机组发电。

1)振荡水柱式波浪转化装置

振荡水柱技术是利用一个水下开口的气室吸收波能的技术。波浪驱动气室内水柱往复运动,再通过水柱驱动气室内的空气,进而由空气驱动叶轮,得到旋转机械能,或进一步驱动发电装置,得到电能。

随着研究的发展和深海开发的需要,漂浮式振荡水柱的研究也开始出现。对漂浮式波能转换装置的研究成果主要有三类,BBDB,Sloped Buoy和Spar Buoy。日本学者Yoshio Masuda对固定式振荡水柱波能转换装置进行了改进设计,出现了后弯管浮子(BBDB)式漂浮式振荡水柱型波能转换装置。中国、韩国、丹麦和爱尔兰等国家都对这种类型的波能转换装置进行了研究和实验,目前最主要的应用主要是海上航标灯。2006年爱尔兰建成了一座1/4比例的海试模型。Might Whale是日本建造的漂浮振荡水柱式波能转换装置,长50m,宽30m,吃水12m,排水量约4400t,装机功率110KW。于1998年建造成功并开始运行。其工作原理同1976年建造的Kaimei相同,不同的是Kaimei的发电机是纵向布置的,前排的发电量较大,后面的就相对较小。而Might Whale则改变了这一布置方式,采用并排布置,提高了波能的发电效率。Sloped Buoy和Spar Buoy也是基于振荡水柱的概念而设计的波能转换装置,这两种类型的装置研究文献和工程应用相对较少。

我国对振荡水柱波能转换装置的研究主要由中科院广州能源所承担,从20世纪90年代至今已经建成的主要有珠海大万山3KW波力电站,1996年升级至20KW。2001年在广东省汕尾市遮浪镇建成了首台100KW的振荡水柱式波能发电装置。

振荡水柱式装置的最大优点就是:透平机组等相对脆弱的机械部分只与往复流动的空气接触,不与波浪接触,因而比与波浪直接接触的直接式波能装置的抗恶劣气候性能好,故障率低。但其缺点也很明显,(1)建造费用昂贵。固定式装置通常是用钢筋混凝土浇筑而成。由于施工环境恶劣,建造气室等水下结构时风险较高,因此除了材料成本外,还要考虑天气等因素的影响所造成的机械、人工停工等待及返工的费用。而漂浮式装置成本主要体现在材料上。漂浮式装置一般为钢结构的,再加上其系泊系统,造价并不比固定式的便宜。(2)转换效率低。该装置通过压缩空气驱动透平对外做功,由于往复流中空气透平的效率较低,装置将波浪能转换为电能的总效率约为10%-30%。就不同类型的振荡水柱式波能装置而言,固定式装置通常比漂浮式装置的转换效率高些,抗风浪能力强些,且易于管理。但固定式装置通常要现场施工,受天气、海浪、涨落潮等自然因素影响较大,建造的质量难以保障,失败的可能性较大。而漂浮式波能装置可以在船厂建造,施工条件较好,建造质量高,但效率稍低,抗浪能力较差,电能需要通过海底电缆输出或就地使用,不易于管理。

2)振荡浮子式波能转换装置

振荡浮子技术是利用波浪的运动推动装置的活动部分———鸭体、筏体、浮子等产生往复运动,驱动机械系统或油、水等中间介质的液压系统,再推动发电装置发电。振荡浮子技术包括鸭式、筏式、浮子式、摆式、蛙式等诸多技术。在欧洲,振荡浮子式波能装置被称为第三代装置,与固定在岸边的第一代波浪能装置和离岸但转换效率不高的第二代波浪能装置相比,主要有以下优势:

(1)因为与波浪直接接触,能量转换次数少,多利用振动本身转化电能,所以能量转换效率较高;(2)振荡浮子波能发电装置的单体占用面积小,对波浪场的影响小,对海洋水动力环境的影响一般可忽略不计;(3)振荡浮子形式灵活,还可以结合波浪水文条件进行点阵化设计排布,整个组合型装置的总功率与浮子个数的多少有关,结构形式多样。同时受水深条件的限制小,特别是在超过40m的深水区也可以正常工作。但与第一代波能装置相比,振荡浮子式装置结构部件较多,加之锚固系统较复杂,因此近年来才得到较大发展。目前,该类装置的研发主要集中在欧美日等国家。

目前波浪发电的主要问题是能量转换效率低,导致发电成本高。效率包括从波浪能到机械能,以及从机械能到电能的转换过程。由于波浪的变化性以及机械装置的惯性,从运动的波浪中摄取最多的能量是一个复杂的系统控制问题。针对效率问题的研究,已有很多专家提出基于装置的设计和优化的解决方案,但大都是基于浮子的设计和优化的解决方案。

3)越浪式波能转换装置

越浪技术是利用水道将波浪引入高位水库形成水位差(水头),利用水头直接驱动水轮发电机组发电。越浪式波能发电装置较其他形式的波能转换装置有其明显优势,引浪面及蓄水池提供的稳定水头,将不稳定的波浪能转换为平稳而持续输出的电能,可克服波能发电过程中输出功率不稳定的问题。同时,该装置可与防波堤等海工建筑物联合开发,从而大大降低投入成本。越浪型波能发电装置已成为世界各国的研究热点。

4 我国波浪能发展现状及前景

我国波浪能发电技术研究始于20世纪70年代,于1975年研制成1台1k W的波浪能发电浮标,在浙江省嵊山岛进行了试验。80年代以后获得较快发展,1984年广州能源所研制成功6W小型波浪能发电装置,用于导航灯标,随后按不同导航灯标的要求,又开发了系列产品。目前在我国沿海航线已安装了数百台这种小型波浪能发电装置.与日本合作研制的后弯管型浮标发电装置,已向国外出口,该技术属国际领先水平。

中国第一座试验波浪能电站位于南中国海的珠海市大万山岛,1989年试建成功。装机容量为3k W的多振荡水柱型沿岸固定式波浪能电站。1989年,1990年及1991年分别对其做了三次海上运行试验,研究了实海况下气室、透平及电机的性能.试验结果表明,该电站具有很好的实海况性能。波浪能电站的平均“总效率”大都在10%~35%,最大值接近40%.在该电站原有结构基础上,广州能源研究所已将其改建成一座20k W的波浪能电站,并于1996年2月试发电成功,逐步完善后将向岛上提供补充电源。

总而言之,我国波浪能发电虽起步较晚,但发展很快。微型波浪能发电技术已经成熟,小型岸式波浪能发电技术已进入世界先进行列。在波浪能发电规模方面,世界上已从102k W,103k W级发展到104k W级的应用,而我国目前仍停留在10k W,102k W级的水平上,至2020年的远景目标也只是发展到102k W~103k W级的波浪能电站,波浪能开发的规模远小于挪威,英国等,因此小型波浪能发电距实用化尚有一定距离。

海水淡化、波能供给对于解决边远海岛和临海干旱国家的能量供应有重要意义。当前,人类对淡水需求日益增加,海水淡化能够大大缓解人们淡水需求的压力。特别对于偏远岛屿而言,波能发电装置可实现电能供给和淡水供应,可促进岛屿的开发与利用。

参考文献

[1]訚耀保.海洋波浪能综合利用[M].上海科学技术出版社,2013,01:5-30.

[2]肖钢,马强,等.海洋能—日月与大海的结晶[M].武汉大学出版社,2013,07:40-50.

波浪能发电装置的研究 篇2

波浪能发电装置首先用波浪能转换装置把波浪能转换成机械能, 再把机械能转换为电能。波浪能发电装置通常可以分为三部分:第一部分为波浪能采集系统, 作用是捕获波浪的能量;第二部分为机械能转换系统, 作用是把捕获的波浪能转换为某种特定形式的机械能 (一般是将其转换成某种工质如空气或水的压力能, 或者水的重力势能) ;第三部分为发电系统, 用涡轮机 (也叫透平, 可以是空气涡轮机或水轮机) 等设备将机械能传递给旋转发电机转换为电能。

基于上述, 本文提出了一种新型的波浪发电装置, 可以单体置于海中发电, 也可以实现大规模并网发电, 因此具有重要的理论和实际意义。

1 概述

本装置提供了一种漂浮式双浮体波浪能发电装置 (见图1) 。包括一个漂浮于海面的大浮体, 大浮体由均匀分布于大浮体底面边缘的三条锚链系泊于海底, 以确保其稳定性, 大浮体外形为台体, 台体顶部有凹槽, 浮标置于凹槽内, 浮标下端由刚性杆链接液体循环系统和发电系统。

本装置主要是利用大浮体和浮标在波浪的作用下相对运动来提取波浪能, 海水由大浮体表面的斜坡进入台体顶部的凹槽内, 由凹槽底部排入海中, 从而驱动浮标上下浮动, 将波浪能转化为上下运动的机械能。再由活塞推动液体循环系统中的液体循环, 带动水轮机转动做功, 实现发电。

2 波浪能采集系统

波浪能采集系统是波浪发电装置中最重要的部分, 他是将波浪能向波浪能转化为可利用的机械能的关键环节, 因此怎样收集波浪能, 将波浪能转化为什么样的机械能就决定了整套装置的发电效率。下面将对波浪采集系统的各个环节加以分析说明。

2.1 外形结构

由图1、图2可以看出整个发电装置的外形为上下底面均为为圆形的台体, 其中上底面有凹槽, 浮标置于其中。装置的侧面均为斜坡, 当波浪遇到斜坡, 波浪的横向动能将部分转化为纵向的势能, 波浪会沿斜坡而上, 将海水注入台体顶部凹槽, 这样可以避免只利用波浪的纵向能量而忽略了波浪的横向能量, 最大限度的利用波浪能。另外, 由于季节性风浪和天气突变等缘故, 波浪的运动方并不固定, 因此波浪采集装置应该适应这一特点, 本装置的圆形设计可采集来自四面八方的波浪, 而不会受季节和天气变化的影响。

2.2 浮标

海水经斜面注入大浮体顶部的凹槽以后, 会对浮标产生向上的浮力, 推动浮标向上运动, 当浮标上升到一定高度时触发开关凹槽底部阀门打开, 开始排水, 浮标开始下降, 当浮标下至凹槽底部时出发开关, 阀门关闭, 凹槽再次蓄水, 至此, 浮标完成一个运动周期, 将波浪能转化为浮标相对于大浮体的上下相对运动的机械能, 以便带动活塞运动。考虑到海浪周期一般较长, 并且浮标下端链接活塞上下运动挤压液体做功, 浮标自重过重则上升时动力不足, 过轻则下降时动力不足, 故浮标平均密度应在0.7g/cm3-0.9g/cm3之间。

2.3 排水及电子控制装置

本装置在距凹槽上下底面一段距离的位置设有常开常闭触点, 为保证其可靠工作, 每种触点设置3-5个, 分别均匀分布在凹槽内壁上下同一高度处。其具体实现方法为:在凹槽内壁装设触点处加装开关, 在浮标的最下端加装弹性金属片, 浮标在到达开关处时金属片恰好拨动开关, 使控制电路动作, 从而控制凹槽下端电磁阀开合。

排水装置的控制电路如图3所示, 其中L1、L2、L3为常开触点, L4、L5、L6为常闭触点, J0为接触器。当浮标运动到最上端底部金属片同时触发L1、L2、L3时接触器J0工作, J01、J02、J03同时接通, 电磁阀开闸排水。触点L1、L2、L3自动弹回到断开状态, 由于接触器的闭锁功能电磁阀仍然工作。当浮标下降到下端触点处时, 常闭触点L4、L5、L6中任意一个被触发后, 电路断电, 电磁阀停止工作, 断电后L4、L5、L6自动弹回闭合状态。此时水槽重新开始蓄水。一次循环控制结束。

3 液体循环系统

波浪能被采集系统采集并转化为浮标相对于大浮体的相对运动的机械能后, 应设法将其转化成电能。但线性的机械运动直接发电不稳定, 且其做功并不均匀。故应寻找一种方法将能量转换为其他形式, 再简单高效的转化为电能。通常的方法有两类, 一种是用液压系统推动水轮机将能量转化为液体势能再转化为电能, 但液压系统做功不均匀, 还需要加装比较复杂的储能装置, 成本较高。另一种是把机械能转化为风能, 通过风力发电, 但风力发电效率不高。本装置的液体循环系统, 是一种简单高效的能量转化系统, 做功均匀, 且循环系统内部循环液体为淡水对循环系统密封要求不高。

3.1 循环系统工作原理

如图4所示循环系统由主要活塞、管道、单向阀、缓冲槽构成。其中活塞靠浮标的上下运动向整个循环系统提供液体循环的动力。单向阀的主要功能是控制液体流动方向。

本装置与现有液压装置的主要区别就在于缓冲槽, 设置缓冲槽的主要目的是解决液压装置做功不均匀的问题。本装置有上下两个缓冲槽, 两水槽有一定高度差, 水流靠重力自然流下, 经过水轮机带动发电机做功, 将水的势能转化为电能。

注:1、2、3、4为单向阀, 其中1、3为出, 2、4为入;5、6、7、8、9、10为管道;11为与浮标刚性链接的部分。

液体循环系统的具体工作过程如下:当浮标带动活塞向上运动时, 活塞1、活塞2同时向上运动, 其中活塞1向外挤压液体, 活塞2向里抽取液体。此时, 单向阀1、4开通, 2、3关闭, 液体的由活塞1经管道5注入缓冲槽1, 由缓冲槽2经管道8流入活塞2中, 所以此时液体的流动方向为活塞1-缓冲槽1-缓冲槽2-活塞2。

当浮标向下运动时带动活塞向下运动, 活塞2向外挤压液体, 活塞1向里抽取液体。此时, 单向阀2、3开通, 1、4关闭, 液体由活塞2经管道7注入缓冲槽1, 由缓冲槽2经管道6流入活塞1中, 所以此时液体流动的方向为活塞2-缓冲槽1-缓冲槽2-活塞1。

至此, 一次液体循环结束, 有循环过程不难看出, 缓冲槽1、2之间的液体流动方向是固定的, 即由缓冲槽1经水轮机流向缓冲槽2, 因此液体循环系统保证了发电机单项稳定的做功。

3.2 循环系统结构图

如图5所示整套循环系统设置8对活塞, 这样设计既充分的利用了大浮体内的空间又提高了大浮体的稳定性, 同时也充分的利用了浮标的动力。每个活塞的液体出口都连接在同一个环形管路上, 液体汇总以后再流入缓冲槽;同样每个活塞的液体入口也连接到同一个环形管路上, 活塞从环形管路向活塞内抽取液体。

4 发电系统

4.1 水轮机

水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转, 工作过程中水流的压力不变, 主要是动能的转换;反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转, 工作过程中水流的压力能和动能均有改变, 但主要是压力能的转换。

根据液体循环系统的液体流动方式, 本装置的水轮机应选用冲击式水轮机。

4.2 发电机

由于不同地区波浪能的分布不同, 故在选择发电机功率时应因地制宜, 并且应综合本装置的大浮体内部空间选择合适的发电机。

4.3 变速装置

由于大浮体空间的限制, 冲击水轮机的水流落差可能不够, 致使水轮机转数达不到发电机要求, 所以本装置在水轮机与发电机之间加装齿轮变速箱适当的将转数提高, 以保证发电机稳定发电。

5 结束语

海洋中蕴藏着巨大的能量, 只要海水不枯竭, 其能量就生生不息。作为新能源, 海洋能发电的巨大潜力已经吸引了越来越多的人们的兴趣。从发展趋势来看, 海洋能发电必将成为沿海国家, 特别是那些发达的沿海国家的可以选择利用的重要能源之一。

参考文献

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[3]武全萍, 王桂娟.世界海洋发电状况探析[J].浙江电力, 2002.

[4]梁贤光, 王伟, 杜彬, 等.后弯管波力发电浮标模型性能试验研究[J].海洋工程.

[5]张钦芝.澳大利亚的新型海浪发电系统[J].国际电力, 2001.

[6]黄国裸, 冯伯俊, 刘天威.改进波浪发电浮标性能的试验研究[J].海洋工程, 1994.

波浪能发电装置 篇3

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

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国外波浪能发电装置的研究进展 篇4

波浪能是海洋表面波浪所具有的动能和势能, 是由风把能量传递给海洋而产生的, 它实质上是吸收了风能而形成的。波浪能虽然是海洋能源中能量最不稳定的一种能源, 但是波浪能具有能量密度高、分布面广等优点, 即使在能源消耗较大的冬季, 可以利用的波浪能也很大[3]。利用波浪能发电具有巨大的潜力, 世界各国对其投入了广泛的关注, 各式各样的波浪能发电装置也应运而生。

1 波浪能发电技术

1.1 波浪发电的基本构架

波浪能发电装置实际是一种能量转换设备, 是将波浪的动能和势能最终转换成发电机电能的设备。波浪能发电装置的组成一般分为3部分:第一部分为波浪能的采集部分, 是将波浪能通过系统转化为可以利用的机械能、水位能或介质的压能;第二部分是能量传递转换机构, 将第一部分获得的能量转换为旋转机构的机械能;第三部分是发电装置, 将旋转机构的机械能通过发电机转换为电能[4]。其中第二部分的转化效率是目前制约波浪能发电技术推广应用的关键。目前许多科学家正在研制只有二级能量转化的波浪发电装置, 即绕过传统制约波浪发电的第二部分, 如采用电磁技术等[5]。

1.2 波浪能发电装置的分类

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) [6]。

其中振荡水柱技术利用波浪驱动气室内水柱往复运动, 再通过水柱驱动气室内的空气, 进而由空气驱动叶轮, 得到旋转机械能, 进一步驱动发电装置, 得到电能。这种技术可靠性较高, 但效率低。振荡浮子技术利用波浪的运动推动装置的活动部分产生往复运动, 驱动机械系统或油、水等中间介质的液压系统, 再推动发电装置发电。越浪技术是利用水道将波浪引入高位水库形成水位差 (水头) , 利用水头直接驱动水轮发电机组发电。

2 国外波浪能发电装置近年来的研究成果

2.1 浮筒式永磁直线波能发电装置

图2为浮筒式永磁直线波浪能发电装置示意图, 这种发电装置是由美国俄勒冈州立大学波能研究团队开发的, 其发电机理与直线电机运动机理相反, 利用电磁感应原理来进行发电。在这种装置的内部, 用来发电的线圈围绕在一个具有永久磁性的轴的周围, 线圈与装置的外壳固定在一起。磁性轴的下端伸长与海底接触, 起到固定装置的作用。在海浪的作用下, 线圈随外壳相对于轴做上下运动, 线圈因切割磁感线而产生电流。这种发电装置去掉了传统波能发电装置中间的转换环节, 可以有效提高波浪能的转换效率。据估计每个发电装置可以产生250kW的能量, 并且可以根据需要方便地增加或减少装置的安装数量, 以实现资源的优化配置。

如果用大约200个该装置建立一个发电厂就可以满足俄勒冈州波特兰市商务区的电力需求。这种发电装置具有巨大的商业潜力。

2.2“牡蛎”波能发电装置

The Oyster是由Aquamarine波能公司研制的。The Oyster坐落在海床上, 像牡蛎一样。The Oyster是一种浮力装置, 也是推摆式波浪能发电装置。其主体是随着波浪摆动的摆体, 工作的原理与其他摆式装置大同小异:在波浪的作用下, 摆体作左右摆动, 将波浪能转换成摆体的动能。通过与摆体相连的水压装置将摆体的动能转换成水压装置的压能, 再带动发电机发电[7]。

图3为The Oyster的工作系统示意图, The Oyster的摆体安装在水下大约12m深度的海床上, 带有的铰链片状垂悬物的摆体在波浪的推动下, 可来回活动驱动两个水压活塞, 来产生高压流体, 驱使涡轮机发电[8]。

The Oyster的发电量是由装置型号和安置地点情况决定的, 一组The Oyster波能发电装置最大电能输出值可达300~600kW。目前Aquamarine已经完成首台大规模315kW的Oyster波能发电装置的安置, 并且于2009年开始向苏格兰国家电网供电, 实现了商业运作, 而且由于其发电机安置在岸上, 方便技术人员的监控和维护。

2.3“海蛇”波能发电装置[9]

“海蛇” (Pelamis) 波能发电装置是由Pelamis波能公司研制的, 其飘浮在水面上, 就像一条海蛇一样。图4为Pelamis波能发电装置图, 每条“海蛇”长180m, 宽4m, 能产生0.75 MW的电, 足够约500个家庭1年的使用。每条海蛇由4节直径为3.5m的圆柱形浮筒组成, 每两个金属节段之间用铰链连接起来。每条金属“海蛇”的端部要垂直于海浪的方向, 浮筒会像海蛇的身子一样随着波浪上下起伏, 关节处的上下运动与侧向运动会推动圆筒内的液压活塞作往复运动, 把液压油从发动机中间压过去, 驱动发电机发电[10]。Pelamis波能发电装置的关节结构示意图如图5所示。

目前“海蛇”波能发电装置已经在葡萄牙北海海床上安装并投入使用, 这些装置将会产生2.2MW的电能, 足够满足1 500个家庭的用电需求。

2.4“水蟒”波能发电装置

图6“水蟒”波能发电装置示意图, 这种发电装置是由英国科学家弗朗西斯·法利和罗德·雷尼共同发明的, 其外形很像海洋生物水蟒。该装置长约182 m、宽约6 m, 由橡胶制成。其工作原理是:将“水蟒”安装在距离海岸1.6~3.2km远、36~91m深的水下, 并系在海床上, 同时使“水蟒”的橡胶管道内充满海水。当有波浪经过时, 弹性极强的橡胶管就会随之上下摆动, 橡胶管内部就会产生一股水流脉冲。随着波浪幅度的加大, 脉冲也会越来越强, 并汇集在尾部的发电机中, 推动发电机发电, 然后通过海底电缆传输出去。

经过试验获得每条“水蟒”最多可以产生1 MW的电能, 足以满足数百个家庭的日常用电需要。而且这种装置制作材料主要是橡胶, 因此“水蟒”比其他波浪发电装置重量更轻、构造更简单、建造和维修成本更低。

2.5 浮标式波能发电装置

图7为PowerBuoy装置图, 该装置是由美国海洋动力技术公司研制, 目的是为美国海军基地提供电力。该装置是一种大型的圆筒式钢质浮标, 其有两个主要部分:一个直径1.5 m、高1.5m的浮标以及一块高9 m的基座固定浮标。当波浪打来, 浮标上下浮动, 它会拖动基座中的液压装置的活塞一起运动, 通过一个回转马达和发电机, 将波浪能转化为电能并通过海底电缆把这些电输送到岸上的电网中。

该浮标可以妥善地抵御海浪, 并且可以通过一台计算机, 以10次/s的速率调整装置的运行阻力, 大幅度地增加了工作效率, 提高波能的转化效率。目前在夏威夷海岸的每组PowerBuoy装置都拥有0.04 MW的发电能力, 即将在苏格兰安装的同种设备也许能够产生高达0.15 MW的电力。

2.6 多浮子振荡式波能发电装置

图8为Manchester Bobber系统装置示意图, Manchester Bobber是由曼彻斯特大学流体动力学教授Peter Stansby和他的团队研发的。其发电的机理是:一个半自主的半潜式漂浮装置, 当其随波浪上下移动时, 可通过一个滑轮来带动发电机进行发电[11]。用于商业运作的Manchester Bobber部署一系列的平台, 每个平台由25~50浮体组成。每个浮体都可独立地进行发电, 因此该装置的工作效率很高。据估计每个浮体单元可以产生500kW左右的电力, 那么一个平台就可以产生12 MW左右的电力。

2.7 双浮体杠杆式波能发电装置

图9为Rockn Roll wave energy device示意图, 该装置是有两个浮体串联在一起构成的, 放置在海平面上, 需使用锚链系泊来阻止其到处飘移, 并不需要与海床固定在一起。在每个浮标的一侧有一根轴和杆, 两个浮体的杆用一根连杆连接在一起。当受波浪影响时, 两个浮体的位置便不再平衡, 受中间连杆的作用, 浮体两侧的杆便出现了相对运动, 同时带动轴做旋转运动。这样波浪能就被提取为轴旋转的机械能。在浮体内部有一个变流器同轴相连, 将不同转向的旋转转换为同向, 在经过内部的齿轮箱驱动发电机发电。这种装置优点是安置方便, 适应近海和深海使用, 不需要特别的安置基础, 而且工作时不受波浪方向的影响, 内部运动机械被密封在浮标内部, 可以避免海水的腐蚀。

2.8 活塞式波能发电装置

图10为The SEADOG Pump装置图。The SEADOG Pump是一种“点吸式”的波能转换装置。它是由浮力室、浮力块、活塞体、活塞阀、活塞缸、进气管和排气阀等构成的。在海浪的作用下, 当浮力块在浮力室向下运动时, 海水由进气管进入活塞缸中, 当浮力块向上运动时, 活塞缸中的水受到活塞的压力从排气阀中排出, 推动发电机发电。

2.9 双浮标式直线波能转换装置

图11为OWEC Ocean Wave Energy Converter示意图, OWEC Ocean波能转换装置是由浮标和潜标构成的, 浮标和潜标之间有一管连接。由于波浪的运动, 引起了浮标的相对运动, 带动连接管内的直线发电机进行发电。把许多这种波能转换装置连在一起, 可以构建一个很大的能源网。

2.10 文丘里管式水流涡轮机波能发电装置

图12为Spindrift Hydrokinetic Energy Device示意图。该装置利用在海洋表面存在浪高差异, 而相对在深处的水却比较稳定这一情况来实现波能的转换。该装置也是一个点吸式系统, 在海面的浮体内有一个交流发电机, 在系统下方的深水部位安置一个涡轮机。涡轮机与交流发电机之间通过一根轴连接。为了提高效率, 该装置在涡轮机处安装一个文氏管装置, 当低速的水流通过装置的狭窄处, 水流的速度会得到提高, 推动涡轮机转动, 进而带动交流发电机发电[12]。

该装置的优点在于制造成本低, 深海中也可以使用, 安装的规模也可以不受限制, 对海洋生物影响较小, 维护的费用也很低。

2.1 1 活塞式水流涡轮机波能发电装置

图13为The IPS buoy示意图, The IPS buoy是由瑞典的Interproject Service公司研制开发的, 该装置是一种点吸式的波能转换装置。典型的IPS OWEC Buoy装置是由一个直径6~8m的浮标和一个长20m的水下管组成的 (图13) 。其中在下部的管体内有活塞和能量转换系统, 活塞与上部浮标相连。当浮标在海浪的作用下运动时, 带动活塞一起运动, 活塞的运动带动管内的介质一起运动, 能量转化装置实现波浪能的转换[13]。该装置可以安装在深度50~100m的水中。如果建立一个功率120kW的IPS buoy发电装置, 估计1年可以向外输出1GW·h的电力。装置的型号要根据所处的海洋环境、水深、季节变化等因素来确定。装置的优点在于制造成本低, 安装和维护简单, 可以为远离海岸的岛屿供电, 建造电厂的规模容易控制, 而且在近海还可以起到削弱海浪的作用。

2.1 2 垂直轴双浮体液压式波能转换装置

The Wavebob WEC device (图14) 是一种点吸式的波能转换装置, 该装置是由爱尔兰人设计的[14]。装置是由两个共轴的浮标组成, 通过两个浮标沿轴向的相对运动, 驱动一个油压系统来将波浪能转化成电能。其中内部的浮标 (图中的Body 2) 与同轴的潜体相连, 潜体起到固定装置的作用, 同时也可起到平衡海浪频率的作用。该装置的独特性在于可以通过远程调控上部浮体的稳定物来对装置进行控制。当风浪太猛烈时, 可以调控上部浮体的浮力, 使其只转化为设定波浪的能量。

3 波浪能发电技术的展望

海洋波浪能是一种无污染的、清洁的、可再生的新能源, 波浪能能流密度高、储量巨大且分布广泛, 是未来海洋能利用发展的主要方向, 在海洋开发和海防方面将起到关键作用。

波浪能发电 篇5

波浪能源转换成电能的过程, 主要是由波浪的能源转换成力学能 (一次转换) , 之后再将力学能提供发电机发电 (二次转换) , 进而获得电力。波浪发电的类型有震荡水柱型 (Oscillating water column) 、冲击型 (O scillating Wave Surge) 、越波型 (O vertopping device) 、潜没压差式 (Submerged pressure differential) 、点吸收型 (Point absorber) 、减衰型 (Attenuator) 。

波浪能发电网标灯 篇6

对海洋渔业, 随着社会经济的发展, 产业链条的延伸, 海洋渔业迅速发展。渔业成为国民经济的一个重要部门, 为国民提供丰富的蛋白质含量, 还为农业提供优质肥料, 为畜牧业提供精饲料, 为食品、医药、化工工业提供重要原料。而网标灯是渔业中必不可少的一种装置, 其广泛应用于大海、湖泊、池溏等夜间作业、养殖作业, 以显示作业范围, 防止缠绕, 保证安全。同时还可用作陆上路桥修复工程的安全警示、汽车夜间故障的停车指示等。

目前, 国内普遍采用干电池对网标灯进行供电。传统网标灯电池2到3天换一次, 一船网具更换一次需45节电池, 平均每条渔船每年使用电池在2000节以上。我国现有渔船总数达1万艘, 是世界上渔船数量最多的国家, 年渔用电池消耗至少达2千万只。废旧的电池往往被丢弃到海中, 极大地浪费能源, 污染环境。而使用波浪能自发电网标灯, 实现自发电, 不仅极大地节约能源, 同时使得渔业运营成本降低。因此, 本产品的生态效益和经济效益十分明显。

依据法拉第电磁感应定律, 利用波浪能驱动发动装置发电, 将发电装置巧妙地安置在网标灯当中, 产生电能供给网标灯, 代替传统的电池供电方式, 使其达到自行供电效果, 避免传统网标灯使用过程中, 废旧电池投入海中带来的环境污染问题, 清洁环保, 符合现代海洋业发展的要求。

1 目的和基本思路

设计研究小型、离岸的海洋波浪能发电装置, 目的是解决网标灯等小型海洋电子产品对电池的依赖及废旧电池给海洋环境带来的污染等问题, 实现网标灯自身发电、储电、供电。

在现有电池供电网标灯的基础上, 以磁生电原理为基础, 利用波浪上下运动的动能, 使之转化为电能, 供网标灯工作使用, 实现环保节能。研究的主要思路如下:1) 查阅文献比较现有的网标灯装置的优缺点, 最终选定以波浪能发电的网标灯为研究对象。2) 根据网标灯的工作特点和海洋波浪的运动特点以及波浪能发电装置的工作要求, 确定波浪能发电网标灯的设计原则、设计方案。3) 以俘获最大的波浪能为目标, 对波浪能发电装置进行设计计算;根据网标灯的特点确定运动位移和发电装置的结构尺寸。4) 对闪光及控制电路、充电电路、超级电容器储能电路进行分析设计。5) 加工制造出样品, 进行实验测试。

2 设计方案

设计的网标灯如图1所示, 采用一体化结构, 由浮体、控制模块、储能模块、发光二极管组和发电机模块构成。浮体包括中空的壳体和灯罩, 壳体上方设置有灯罩;灯罩前端采用环状网纹花纹;灯罩内设置有依次相连的储能模块、控制模块和发光二极管组;壳体内设置有发电机模块;发电机模块与控制模块相连接。

发电机模块包括线圈组、圆柱形永磁体组、塑料空心管绕架和磁性弹簧, 塑料空心管绕架固定在壳体内, 线圈缠绕在塑料空心管绕架上形成多个线圈, 构成线圈组, 相邻线圈之间采用反向串联连接。相邻的圆柱形永磁体同极相对, 即相邻的一个圆柱形永磁体的N极和另一个永磁体的N极相对, 构成圆柱形永磁体组, 圆柱形永磁体组放置于塑料空心管绕架内, 圆柱形永磁体组的外壁与塑料空心管绕架内壁之间留有狭窄的缝隙, 圆柱形永磁体组能够在圆柱形永磁体组无阻碍地上下运动;单个圆柱形永磁体的长度取单个线圈长度的一半[1]。

1.发光二极管组;2.控制模块;3.储能模块;4.壳体;5.灯罩;6.密封垫圈;7.线圈组;8.圆柱形永磁体组;9.塑料空心管绕架;10.磁性弹簧;11.定位孔;12.支架

塑料空心管绕架下端固定设置有一块圆柱形永磁体, 该圆柱形永磁体朝上的磁极与圆柱形永磁体组的最下端的圆柱形永磁体朝下的磁极同极, 构成一个磁性弹簧, 具有抗疲劳强度高、弹性大、无摩擦、不生热、无噪声、性能稳定和寿命长等优点。

线圈组包括线圈, 线圈缠绕在塑料空心管绕架上;线圈至少设置有2个, 相邻线圈之间采用反向串联连接。

控制模块如图2所示, 包括整流充电电路、稳压保护电路、光敏控制电路、闪光控制电路。线圈组连接整流充电电路, 整流充电电路连接储能模块, 储能模块连接稳压保护电路, 稳压保护电路连接光敏控制电路, 光敏控制电路连接闪光控制电路, 闪光控制电路连接发光二极管组。

圆柱形永磁体组的外壁与塑料空心管绕架内壁设置有缝隙。

圆柱形永磁体组包括至少两个圆柱形永磁体, 圆柱形永磁体通过支架串联连接, 构成圆柱形永磁体组[2]。

灯罩与壳体之间采用螺纹连接, 灯罩与壳体之间的螺纹连接段上设置有密封垫。储能模块采用超级电容器。

当浮体在波浪的作用下作纵向往复运动时, 塑料空心管绕架内的圆柱形永磁体组在磁性弹簧的作用下上下震动, 进而圆柱形永磁体组的磁感线切割线圈组产生电势, 将波浪能转换为交流电, 经过整流充电电路转变为直流电给储能模块进行储能;当储能模块充满电时, 由稳压保护电路进行保护;储能模块提供能量使发光二极管组发光;闪光控制电路控制发光二极管组闪烁;光敏控制电路控制闪光控制电路使发光二极管组白天不工作, 夜晚工作。设计中关键技术是利用波浪能转换为电能, 代替干电池供电, 达到节能减排的目的[3]。

3 结束语

网标灯设计中引入波浪能自发电, 利用超级电容器作为储能元件, 摆脱传统网标灯依赖电池的现状, 清洁环保, 从根本上减少渔用废旧电池对海洋环境的污染。采用一体化结构, 能源传递环节少, 转换效率高, 结构简单可靠, 使用方便, 在水中密封性能好;采用磁性弹簧, 抗机械疲劳;寿命长。为网标灯持续提供电能, 避免了传统网标灯需频繁更换电池的情况, 极大地节约人力, 提高了生产效率, 适应现代海洋业发展的要求。利用波浪能自发电取代太阳能发电, 解决了太阳能发电的间歇性和随机性, 及在晚上或者阴雨天气不能发电的问题和太阳能板形状大小受限制的问题。

摘要：设计了一套波浪能发电网标灯, 采用波浪能转换装置代替传统网标灯中的电池。包括浮体、控制模块、储能模块、发光二极管组和发电机模块, 浮体包括中空的壳体和灯罩, 壳体上方设置有灯罩;灯罩前端采用环状网纹花纹;灯罩内设置有依次相连的控制模块、储能模块和发光二极管组;壳体内设置有发电机模块;发电机模块与控制模块相连接。解决了蓄电池的污染、寿命短, 利用率低, 使用干电池存在污染等问题, 绿色环保, 抗机械疲劳, 寿命长。

关键词：环保节能,波浪发电,网标灯

参考文献

[1]杨晓光, 汪友华, 张波, 等.一种新型振动发电装置及其建模与实验研究[J].电工技术学报, 2013 (1) :113-118.

[2]李永毅, 刘镇瑜, 张飞.一种振动式自充电电池的设计研究[J].中国科技信息, 2013 (10) :165.

波浪能采集装置技术研究综述 篇7

随着世界经济的发展、人口的激增、社会的进步, 能源危机和环境污染成为当今社会最重要的两个发展问题, 促进了海洋能的发展研究。海洋能指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源, 包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能和盐差能等。其中, 波浪能由于开发过程中对环境影响最小且以机械能的形式存在, 是品位最高的海洋能。据估算, 全世界波浪能的理论值约为量级, 是现在世界发电量的数百倍, 有着广阔的商用前景。

人类很早就从事波浪能的开发, 在20世纪60年代以前, 波浪能利用的研究主要集中在波浪能采集装置的发明方面, 有关波浪能技术的专利已超过1 000项[1];经过20世纪70年代对多种波浪能装置进行的实验室研究和80年代进行的海况试验及应用示范研究, 波浪发电技术已逐步接近实用化水平;20世纪90年代以来, 随着波浪能转换装置技术的日趋成熟以及在实用化方面取得的进步, 波浪能利用已朝着多元化和综合利用的方向发展。

2 典型波浪能采集装置

目前关于波浪能利用技术的研究大都源于以下几种基本原理:利用物体在波浪作用下的沉浮和摇摆运动, 将波浪能转换为机械能;利用波浪的爬升将波浪能转换成水的势能等。绝大多数波浪能转换系统由三级能量转换机构组成 (图1) 。其中, 一级能量转换机构 (波浪能采集装置) 将波浪能转换成某个载体的机械能;二级能量转换机构将一级能量转换所得到的能量转换成旋转机械 (如水力透平、空气透平、液压马达、齿轮增速机构等) 的机械能;三级能量转换通过发电机将旋转机械的机械能转换成电能。有些采用某种特殊发电机的波浪能转换系统, 可以实现波浪能俘获装置对发电机的直接驱动, 这些系统没有二级转换环节。

根据一级转换系统的转换原理, 可以将目前世界上的波浪能采集利用技术大致有振荡水柱式、收缩波道式、振荡浮子式 (点吸收式) 、摆式、筏式和鸭式等。下面对这几种波浪能采集技术进行介绍。

2.1 振荡水柱式

目前已建成的振荡水柱波浪能采集装置都利用空气作为转换的介质。其一级能量转换机构为气室, 二级能量转换机构为空气透平。气室的下部开口在水下与海水连通, 气室的上部也开口 (喷嘴) , 与大气连通。在波浪力的作用下, 气室下部的水柱在气室内做强迫振动, 压缩气室内的空气往复通过喷嘴, 将波浪能转换成空气的压能和动能。在喷嘴处安装一个空气透平并将透平转轴与发电机相连, 则可利用压缩气流驱动透平旋转并带动发电机发电, 振荡水柱式波浪能装置的结构如图2所示。

振荡水柱波浪能装置的优点是:转动机构不与海水接触, 防腐性能比较好, 安全可靠, 维护方便。其缺点是:二级能量转换效率比较低, 施工难度很大, 发电成本比较高, 适用于大风浪区域。

近年研建的振荡水柱发电装置有:英国Wavegen公司研建的LIMPET沿岸固定式波浪能电站, 装机容量500kW;葡萄牙在Pico岛建造的沿岸固定式波浪能电站, 装机容量400kW;澳大利亚Energetec公司建造的离岸固定式波浪能电站, 装机容量500kW;英国布里斯维尔大学研制的Sperboy离岸漂浮式振荡水柱发电装置, 1/5尺度装机容量50kW等[2,3,4]。

2.2 收缩波道式

收缩波道式波浪能转换装置是基于波聚理论的一种波浪能转换装置。收缩波道式波浪能转换装置中, 波道与海连通的一面开口较宽, 然后逐渐收缩并流通至贮水库。波浪进入喇叭形的收缩波道时, 由于聚波效应, 波高不断地被放大, 直至波峰溢过边墙, 将波浪能转换成势能贮存在贮水库中。水库与外海间的水头落差可达3~8 m, 利用水轮发电机组可以发电。收缩波道式波浪装置的结构如图3所示。

收缩波道式波浪能转换装置的优点是:一级转换没有活动部件, 可靠性好, 维护费用低, 系统出力稳定。不足之处是:装置建造对地形有要求, 不易推广。

目前比较著名的收缩波道式波浪能转换装置主要有:挪威的350kW收缩波道式电站、丹麦的Wave Dragon波力装置、挪威的SSG槽式装置等。

2.3 振荡浮子式

现阶段比较典型的振荡浮子式波浪能转换装置主要有:瑞典的Aquabuoy、英国AWS Ocean Energy有限公司研制的阿基米德波浪摆装置、美国的OPT (ocean power technologies) 公司研制的装机容量40kW的PowerBuoy波力装置, 丹麦的Wave Star公司的Wavestar装置以及我国开发的50kW岸式振荡浮子式波浪能电站等。

振荡浮子式装置的结构如图4所示, 通过随浮子运动的电磁转换器将浮子吸收的波浪能转换成电能。

振荡浮子式波能采集装置的优点是:建造难度和成本较低, 施工容易;吸收波浪能的效率较高。其缺点是:浮子受过多的波浪冲击, 容易损坏[5,6,7]。振荡浮子式波浪能采集装置由于所占面积较小, 适用于一些为灯塔、浮标等提供电源的场合。

2.4 摆式

摆式波浪能采集装置最早由日本室兰工业大学的度部富治教授提出, 1983年, 日本在北海道建造了首座5kW的推摆式波力电站, 该电站运行了20个月, 最后毁于暴风雨;1987年, 日本在烧尻岛建造了一座20kW的推摆式波浪电站, 用来向渔民公寓提供热水, 但建成3个月后又被恶劣海况损毁;据报道, 日本近期准备在一个100 m长的防波堤上建造一座300~600kW摆式波能装置[8]。

摆式波浪能转换装置的结构如图5所示, 由摆板、液压泵、水室等组成。它利用装置的活动部件包括摆板和液压泵推杆等, 在波浪的推动下, 将其从波浪中吸收的能量转换成装置的机械能:在波浪的作用下, 摆体作前后或上下摆动, 将波浪能转换成摆轴的动能;而与摆轴相连的液压装置又将摆轴的动能转换成液力泵的动能, 并带动发电机发电。

摆式波浪能采集装置适用于建造在防波堤上, 装置的优点是:转换效率高, 可以方便地与相位控制技术相结合, 使波浪能装置能吸收到装置迎波宽度以外的波浪能;缺点是维护较为困难。

2.5 筏式

筏式波能发电装置是通过漂浮在水面、端部铰接的若干浮体 (筏) 俘获波浪能, 再通过液压系统驱动发电机发电, 其采能装置的结构如图6所示。筏通过铰链相互铰接在一起, 能量转换装置置于每一铰链处, 波浪运动引起筏产生沿铰接处 (轴) 的转动, 从而反复压缩液压活塞以输出机械能。筏式技术的优点是:筏体之间仅有角位移, 即使在大浪下, 该位移也不会过大, 故抗风浪性能较好;缺点是:装置顺着波浪方向布置, 单位功率下材料的用量比垂直于波浪方向布置的装置大, 因此装置成本较高。

目前比较知名的利用筏式技术建造的波浪能发电装置有:英国Cork大学和女王大学共同建成的McCabe Wave Pump波力装置;苏格兰Ocean Power Delivery Ltd开发的Pelamis (海蛇) 波力装置 (图7) 等。

2.6 鸭式

鸭式装置是英国Salter教授发明的、具有特殊外形的波浪能装置[9], 其原理如图8所示。在波浪作用下, 鸭体绕支撑轴作往复回转运动, 从而驱动连接鸭体与支撑轴之间的液压转换装置发电。

鸭式装置对于大部分波浪有较高的转换效率, 但抗浪能力有待提高。

丹麦Wave Plane能源公司正在开展WEP-TOS新型波浪能装置研发工作, WEPTOS由两条独立驱动轴的“Salter Ducks”式结构组成 (图9) , 随着波浪条件的变化, 两条链之间的角度可随之改变, 该装置于2011年9月完成了模型试验。

3 提高波能采集系统效率的研究

为了提高装置对波浪能的采集效率, 近年来人们做了很多研究:在理论计算方面, 梁贤光等[10]发现三维波下点吸收装置具有聚波效应, 当其与来波发生共振时, 辐射波和入射波的干涉效应使得装置能够吸收到迎波面之外的波浪能, 具有较高波能采集效率。为使浮体保持较高的转换效率, 应使其达到或接近共振条件;盛松伟等[11]对弹簧—质量—阻尼器系统下的振荡浮子型装置采用边界元法进行了计算, 在给定条件下对阻尼系数进行了优化;苏永玲等[12]对在港内的振荡浮子进行了优化设计, 发现前港长和浮子长对装置性能影响最大, 浮子吃水浓度和港内水深的影响相对较小;CANDIDO等[13]在频域、时域和随机模型下, 分别对浮子运动进行了计算, 主要比较了波浪周期、波长、阻尼系数与弹簧刚度对捕获宽度的影响;张弘弨等[14]研究了不同波浪条件、不同外力作用和不同尺寸对浮子吸收波浪能效率的影响。此外, 研究发现[15], 相位控制、无功负载控制和反馈调节控制等控制策略, 虽然能提高装置在变化频率下的转换效率, 但同时也增加了装置的复杂性, 耗费部分转换的电能。

在装置优化设计方面, 为提高浮子自适应性方面, SALTER[9]设计了一种点头鸭装置, 能减少装置向后兴波, 使得在相当宽的频谱内装置效率均可达到80%以上;梁贤光等[10]进行后弯管波力发电浮体模型试验研究, 发现适当地将后弯管水平段向后延伸, 可以提高峰值效率, 扩宽响应波周期范围;ENGSTRM等[16]发现通过在漂浮体下端悬挂一个悬浮的球体, 可极大地改进装置的吸波特性, 装置的转换效率可提高一倍, 同时带宽增加;苏永玲等[7]通过在不同波浪周期条件下, 改变浮子与发电机之间的中间转换装置参数来确定浮子的最优俘获宽度比;王凌宇[17]利用弗汝德—克雷洛夫假定法分别对长方体、垂直圆柱体、水平圆柱体和球体上的波浪力进行计算, 发现在基本海况、排水体积相同的情况下, 垂直圆柱形浮子所受的浮力最大, 为最佳浮子形状。

4 总结