一种基于波浪能的海浪发电装置——矩阵式相对运动海浪发电单元机构.pdf

现代 耥 l M e r n q 一 种基 于波浪能的海 浪发 电装 置 矩 阵式相对运动海浪发 电单元机构 王琨 ， 申荣华 ， 文辉安 ( 1 贵州大学 机械 工程学院， 贵州 贵阳5 5 0 0 2 5； 2 贵阳市黔兴科技有限公 司， 贵9 -J I 贵 阳5 5 0 0 0 0 ) 摘要： 海浪能是一种重要的可再生资源， 全国范围内蕴含量 巨大。矩阵式相对运动海浪发电单元由船形浮体、 锚 泊系统、 拉绳一万向托辊 一 棘轮 一 反转驱动器拉盘系统、 控制系统、 传动系统、 增速 系统、 发电系统等构成， 此机构 能够将海浪能广适、 高效地转换成电能， 并取得 了良好的模拟实验效果。 关键词 ： 矩阵式海浪运动波浪能机构发 电 中图分类号 ： T K 7 9 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 6 8 8 6 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 4 0 0 3 A wa v e p o we r in s t al la t io n s ba s e d o n wa v e e ne r g y M a t r i x o f r e la t iv e mo t i on o f wa v e po we r unit me ch a nis m de s ig n W ANG Kun，S HEN Ro ng h ua，W EN Hni a n Ab s t r a ct ：W a v e e n e r g y is a n imp o r t a n t r e n e wa b le r e s o u r ce a n d co n t a in s a h u g e a mo u n t o f n a t io n w id e Ma t ri x o f r e la t iv e mo t io n o f w a v e p o we r u n it co n s is t s o f B o a t fl o a t in g b o d y 、 Mo o ri n g s y s t e m、 r o p e Un iv e r s a l Ro lle r R a t ch e t R e v e r s e Dri v e pu ll d is c s y s t e m 、 co n t r o l s y s t e m、 t r a n s mis s io n s y s t e m ， g r o wt h s y s t e ms， p o we r g e n e r a t io n s y s t e ms a n d o t he r ， t h is a g en cy will b e a b le t o w a v e e n e r g y e u r y t r o p ic a n d e f f icie n t ly co n v e rt e d in t o e le ct ri cit y a n d a ch ie v e d g o o d e x p e ri me n t al r e s u lt s Ke y wo r d s：ma t ri x ；s u r f s p o r t s ； w a v e p o we r ； me ch a n is m 0 引言 海浪发电装置即海 浪能量转换装置 ， 可 以把海 浪能中的波浪能转换成电能 ， 属于可再生能源利用 ， 不但有利于解决我国常规 能源 的匮乏不足 ， 而且可 以解决化石能源的开发利用带来 的一系列问题 ， 如 环境污染 、 温室效应等 。 在 国外 ， 早在 1 0 0年前 ， 法国人波拉岁奎在就利 用特制的装 置从海浪 中获得 了 电能l1 J 。6 0年代 日 本绿星社研制成用于海上导航灯浮标带 冲动式透平 的波力发电装置_ 2 J ， 从 此 ， 许 多海洋 国家 积极开展 了海浪能开发 利用 的研究 ， 并取得 了重大进展 ， 例 如 ： 1 9 7 9年在夏威夷岛西部建立了一座称为 MI N I O T C E的温差发电装置 ， 1 9 8 5年 ， 挪威分别建成了一 座装机容量为 5 0 0 k W 的带前港振荡水柱岸式波力 电站和一座装机容量为 3 5 0 k W 的喇叭 口收缩波道 式聚波水库波力 电站等 J 。 40 我 国海浪发 电研究起步较晚 ， 但发展较快 ， 微型 波浪发 电技术已经成熟 ， 发电装置 已经商品化 ， 小型 岸式波浪发电技术也 已进人世界先进行列 ， 如 ： 1 9 8 6 年开始在珠江 口大万 山岛建成 3 k W 波浪发 电站 ， 随后几年在该电站的基础上改造成 2 0 k W 发电站。 总体来看 ， 目前研究开发 比较成熟的海 浪发 电 装置基本上有三种类型 ： 1 ) 振荡水注型。用一个容积固定 的、 与海水相 通的容器装置 ， 通过波浪产生 的水面位置变化引起 容器 内的空气容积发生变化 ， 压缩容器内的空气 ， 压 缩空气驱动叶轮 ， 带动发电装置发 电 4 j 。其优点是 能够充分利用海浪上下振动方 向上的能量 ， 缺点是 不能利用前后振动方向上的能量 ， 转化效率低 。 2 ) 机械型。利用 波浪的运动推 动装置 的活动 部分鸭体 、 筏体 、 浮子等 ， 活动部分压缩 ( 驱动 ) 油、 水等中间介质 ， 通过 中间介质推动转换发 电装置 发 电 3 ) 水流 型。利用收缩水道将 波浪引入高位 水 库形成水头， 利用水头驱动水轮发电机组发 电。其 缺点是 对 岸 边 地 形 依 赖 严 重 ， 适 合 的地 形 并 不 多 。 这三种类型各有优 缺点 ， 但有一个共 同的问题 是海浪能转换成 电能的中间环节多、 效率低 、 电力输 出波动性大、 对恶劣的海域环境适应性差 、 造价高、 实施难度大， 这也是影响波浪发电大规模开发利用 的主要原因之一， 所以如何降低发电装置成本 ， 提高 转换效率非常关键。 1 构 建海浪发 电单元 海浪发电单元由船形浮体 、 锚泊 系统 、 拉绳 一万 向托辊 一棘轮 一反转驱动器 一拉盘系统 、 控制系统 、 传动系统 、 增速系统 、 发电系统等构成。船形浮体既 是海浪能吸收设备， 也是海浪能转化平台。拉绳 一 万 向托辊 一棘轮 一反转驱 动器 一拉盘系统 、 传动系 统 、 增速系统 、 发电系统安装在船形浮体上。拉盘 以 棘轮为轴承安装在传 动轴上。同一传动轴上 ， 安装 有 四只棘轮 、 四只拉盘。四只棘轮共轴并排 同向安 装在传动轴上。万向托辊两两对称分布在系统顶部 四侧。每只拉盘上按 同一绕向缠绕有一条拉绳。拉 绳穿过万向托辊引l 叶 J 。反转驱动器驱动棘轮与传动 轴相反的方向旋转。增速系统 、 发电系统连接在传 动轴上。海浪发电能量转换前端设备见图 1所示。 图 l 海浪发 电能量转换前端设备 2 构建海浪发 电矩 阵 海浪发电矩阵由多个海浪发电单元构成。相邻 设计 S h e j、 i研Ya n 究 iiu 、 F 分 en x 析 i I I 2 口 J 耳 第2期 。 - 的海浪发电单元之间由穿过万向托辊的引出拉绳两 两连接。海浪能发电矩 阵浮置于海浪之中， 矩阵周 边的海浪发电单元用拉绳锚 固在锚同点上， 整个海 浪能发电矩阵被固定在某个海域上。海浪发电矩阵 将海浪的海浪能转化电能。海浪发电矩阵布置图见 图 2 。 图 2 海浪发电矩阵布置图 3 构建输 变电 系统 输变电系统 由架空在船形 浮体上 的电缆 、 陆地 变电站 、 输电线路等构成。海浪发电系统 发m的电 力 ， 经过架空电缆， 输送到陆地 变电站变 电后 ， 经输 电线路输入骨干 电网中， 实现海浪发电功能。 4 样机模 拟测试 4 1 测试环境 ： 陆地 海况测试费用巨大 ， 样机选择在陆地模拟测试。 样机装备深圳 E f f s u n科技有限公 司生产的 1 0 0 0 W 5 0 H z低启动扭 矩三相交流风力发 电机 ， 外接 3只 2 0 0 W 白炽灯泡 ， 设备总重 8 6 k g 。 4 2 测 试 工具 2 0 A 电流表 、 7 0 0 V 电压 表 、 2 k H z频率 表 、 5 O帧 s 、 s o n y摄像机 、 3 m高 吊架 、 手 动葫芦 、 2 5 m直 尺。 4 3 测 试方 式 将从样机引出的 4根 高强度芳纶拉绳连 接在 吊架 4角 ， 用手动 葫芦将样 机吊起到一定高度 ， 释 放样机 ， 样机 自由坠落 ， 模拟样机从海浪波 峰 向波 谷坠落的过程。 4 4 模拟海浪高度 0 1 i n 2 m， 1 0 0 m l n一个间距 共测试 2 ( 】 组数据。 观 弋 磁 M o d e r n mM a c h r 4 5实验 结果 l 竹 【 7 乜 f 蜒 拟 设 爷 I 图 3 矩 阵式海 浪发 电模 拟测试 效率 曲线图 发电效率测试表明， 浪高在 0 1 1 1 1 高时， 发 电效 率即达 3 9 5 ， 浪高 0 3 m， 发电效率近 4 5 ， 浪高 1 7 m， 效率超过 5 0 。矩阵式相对运动海浪发 电 效率是光伏发 电效率 1 2 的 2 5倍 。是 日本海 明 号总效率 6 5 的 4 8倍。 阵 式 i 发 屯 ； l拟 删 试 助 钲曲 线 图 4矩阵式海浪发电模拟测试功率 曲线 图 功率测试结果表明， 8 6 k g的发电设备， 在浪高 0 3 n l时， 发电功率即超过 1 0 0 W， l I n时， 接近 4 0 0 W， 1 8 m时， 超过 1 0 0 0 W。与 日本“ 海明” 号相比， 海明号船 体长 8 0 I l l， 宽 1 2 n 1 总重 7 8 8 t ， 只能发电 1 5 0 k W 。 图 5 矩阵式海浪发 电模拟测试重量 功率曲线图 单位重量 发 电功率 测试 ， 浪 高 0 2 ff l即超 过 0 8 W k g ， 浪高 0 6 m以上超过 2 W k g ， 浪高 1 I n 以上超 过 3 W k g ， 浪高 1 8 13 1 以上超过 6 W k g 。 4 2 而 日本海 明号发 电船单 位重量 最大发 电功率 只有 0 1 9 W k g 。是 日本海 明号的 4 3 0倍 。 5 结束语 本文提出了一种低成本 、 高效率的海浪发电装 置设计 ， 给出了海浪发电单元设计及矩阵式布局 ， 成 功实现海浪发电功能 ， 在海浪发 电领域具有一定的 实用价值 。该海浪发电装置具有以下优点 ： 1 ) 海浪能吸收效率高 ； 2 ) 复杂运动转化为直线运动效率高 ； 3 ) 船型浮体矩阵协同工作效率更高 ； 4 ) 对海岸 、 地形无依赖。 由于海浪运动复杂 ， 多风 ， 灾害性天气 多， 海盐 腐蚀性强等问题 ， 还需要研究制作者 的学习和探索 ， 体现在以下几个方面 ： a ) 海水腐蚀性强 ， 船形浮体 如何避免海水进入 海浪发电单元 ， 从而造成海浪 发电能量转换前端设 备的腐蚀 ； b ) 海浪波动性大 ， 电力输出不稳定 ； c) 结合模拟测试 ， 进 行海浪能量采 集 、 转 化系 统的优化设计 ； 优化系统试制 、 海况测试 、 再优化 ； 发 电、 变电、 输配电系统的设计及测试 ； 完备系统 的测 试 、 优化 、 商业化等。 参考文献 1 高峰 海浪发电船前景广阔 J 阳光能源， 2 0 1 1 0 5 2 梁贤光， 高祥帆， 蒋念东， 冯满打