王明玉，劉大力，馬文超，趙日偉，汪大明

（東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

能源問題越來越成為制約社會發(fā)展的瓶頸，尤其是上世紀70年代發(fā)生石油危機以來，人們更加認清能源在社會和經(jīng)濟發(fā)展中的重要作用。據(jù)預測，作為世界主要能源的石油和天然氣將會在50～70年內(nèi)被人類消耗殆盡。按目前統(tǒng)計的年均開采量估算, 我國到2040年石油資源枯竭；2060年天然氣耗盡；2300年煤炭存儲量開采完畢。

因此，開發(fā)新型的、可再生的能源是世界各國當前必須解決的問題。然而，目前現(xiàn)有的波浪能發(fā)電技術存在以下的問題： ①建造費用昂貴、施工困難；②裝置總轉(zhuǎn)換效率低下。這兩大缺點，大大限制了裝置的發(fā)展，很難在市場上形成競爭力。浮子發(fā)電方面，如何能讓浮子利用有著更廣范圍波長和周期的波浪能，同時克服多浮子共同工作時的相位差異問題也成為了浮子發(fā)電大規(guī)模利用的焦點。

1 波浪能發(fā)電系統(tǒng)介紹

目前主流的波浪能發(fā)電裝置的設計主要利用兩種基本原理： 利用物體在波浪作用下的升沉和搖擺運動將波浪能轉(zhuǎn)換為機械能；利用波浪能的爬升轉(zhuǎn)換為水的勢能。絕大多數(shù)的波浪能發(fā)電裝置由三級能量轉(zhuǎn)換機構組成。其中，一級能量轉(zhuǎn)換機構將波浪能轉(zhuǎn)換成某個載體的機械能；二級能量轉(zhuǎn)換機構將一級能量轉(zhuǎn)換所得到的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機械的機械能；三級能量轉(zhuǎn)換通過發(fā)電機將旋轉(zhuǎn)機械的機械能轉(zhuǎn)換成電能。

根據(jù)一級轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換原理，可以將目前世界上的波能利用技術大致劃分為： 振蕩水柱技術，擺式技術，閥式技術，收縮波道技術，點吸收（振蕩浮子）技術，鴨式技術，波流轉(zhuǎn)子技術，虎鯨技術，波整流技術，波浪旋流技術。

2 波浪能發(fā)電平臺的總體設計

波浪能發(fā)電平臺主要包括： 波浪能發(fā)電裝置，載體平臺及坐底式桁架。波浪能發(fā)電裝置安裝在載體平臺上，由于坐載體平臺安裝在坐底式桁架上，保證了發(fā)電作業(yè)的環(huán)境較為穩(wěn)定。坐底式平臺的高度可以根據(jù)所在的海域情況進行設計。波浪能發(fā)電裝置主要包括： 振蕩浮子，機械傳動機構，水艙及水流發(fā)電機組成。在非工況條件下，作業(yè)時，振蕩浮子隨著波浪上下振蕩，作簡諧振動。通過機械傳動結構壓載水艙內(nèi)部的水，壓載水通過水流發(fā)電機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。為了提高載體平臺的利用率以及提高整個發(fā)電平臺的發(fā)電效率，將波浪能發(fā)電裝置環(huán)形陣列安裝在載體平臺上，這種安裝效果在達到較好的經(jīng)濟性的同時也提高了整個發(fā)電平臺的穩(wěn)定性。波浪能發(fā)電平臺的總體設計如圖1 所示。其作業(yè)模式見圖2。

圖1 波浪能發(fā)電平臺Fig.1 The wave energy generation platform

圖2 波浪能發(fā)電平臺的發(fā)電模式Fig.2 Wave energy power generaton mode platform

3 波浪能發(fā)電裝置的設計

波浪能發(fā)電平臺中最重要的部分為波浪能發(fā)電裝置的設計，發(fā)電裝置的設計直接決定該發(fā)電平臺的發(fā)電效率。發(fā)電裝置采用振蕩式浮子吸收能量，通過傳動機構將浮子的勢能轉(zhuǎn)化為水流的勢能，再通過水流發(fā)電機將水流的勢能轉(zhuǎn)換成電能。發(fā)電裝置的構造如圖3，圖4所示。

發(fā)電裝置中，振蕩浮子隨著波浪作上下運動，帶到驅(qū)動桿通過鉸支點驅(qū)動活塞板連桿運動，由于驅(qū)動桿與活塞板連桿通過滑槽和可以轉(zhuǎn)動的滑塊連接，使得驅(qū)動桿能夠帶動活塞板連桿垂向上下運動?；钊嗌涎b有單向閥，當振蕩浮子隨著波浪向上運動，活塞板向下運動，此時單向閥屬于關閉狀態(tài)，水艙中活塞板將水壓入導流管中；當振蕩浮子隨著波浪向下運動時，活塞板向上運動，單向閥處于打開狀態(tài)，或塞班上部的水可以順利流入或塞班下部，保證作業(yè)能持續(xù)進行。

圖3 波浪能發(fā)電裝置Fig.3 Wave energy device

圖4 波浪能發(fā)電裝置內(nèi)部結構Fig.4 The wave energy device internal structure

4 波浪能發(fā)電裝置的功率計算

4.1 導流管中水流速度的計算

本文中對波浪能發(fā)電裝置進行功率計算是在非工況條件下進行的。工況條件下對波浪環(huán)境進行的模擬比較復雜，在以后的研究中再作詳細探討。本文設定該發(fā)電平臺所處的海洋環(huán)境，其波速為ν'，波高為h，其波長為λ，且該波為簡諧波?？紤]到整個機構的可行性，我們認為振蕩浮子在垂向的運動距離小于2h。這樣能保證振蕩浮子可以隨著波浪運動到最高位置。根據(jù)波速ν'，波高為h，波長λ，可以得到振蕩浮子的運動方程：

其中： H—以海平面為基準，振蕩浮子的質(zhì)點所在的垂向高度，單位為m。我們設定水艙為圓柱形筒體，其直徑為D，有效載水深度為2h，所以其中水的體積V可以求得：

在作業(yè)過程中，水艙內(nèi)的水的體積變化量為△V，根據(jù)振蕩浮子運動方程可知振蕩浮子的運動速度ν3為H的導數(shù)為：

設定導流管的直徑為d，則可求得導流管中水流的速度ν4：

4.2 導流管中流體能量的計算

水輪機的主要工作目的是將流體動能轉(zhuǎn)換為電能，根據(jù)動能的定義，水流體的動能可以表示為：

其中：m—流體的質(zhì)量（kg）；ν—水流的流速（m/s）。如果單位時間內(nèi)流管水輪機迎流面S 的流體質(zhì)量為m：

m=ρνS

其中： ρ—流體密度（kg/m3）。則流體的能量可以表示為：

由于葉輪不能講水流的勢能全部吸收，所以存在能量利用率，我們用表示Cp，所以葉輪轉(zhuǎn)換的能量為E1：

4.3 求能量利用率Cp

由于本發(fā)電裝置利用水流發(fā)電機來收集水流的勢能，所以我們要考慮水流發(fā)電機的能量利用率。水流發(fā)電機通過利用水流沖擊葉輪驅(qū)動電機進行發(fā)電，簡單可靠。但水流發(fā)電機不能講水流的勢能完全吸收，我們可以通過貝茨理論來計算水流發(fā)電機的效率。該理論假設葉輪是理想的，旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)有無線多葉片，并且流體通過葉輪時沒有能力損失。因此，該假設中葉輪完全是一個能量的轉(zhuǎn)換設備。另外還假設流體通過葉輪盤面時時均勻的，并且垂直于盤面。其示意圖如圖5 所示。

圖5 水流管狀圖Fig.5 Tubular flow chart

假定ν1是葉輪遠方的來流速度，ν 是過盤面的速度，ν2是葉片盤面遠后方的流速。假設流體在遠前方，盤面處和遠后方的流管中流動，那么由于盤面處葉輪吸收能量的作用，使得ν2小于ν1，因此通過流量定理來看s2大于s1，根據(jù)假設在統(tǒng)一的流管中，我們可以得出下列關系：

s1ν1=s2ν2=sν

當流體通過盤面時，由于葉輪的作用，使得葉輪盤面前后的流體動量發(fā)生變化，因此根據(jù)動量定理，以及作用力與反作用力的關系，使得作用在葉輪上的力為：

F=ρsν（ν1-ν2）

其中，ρsν 為單位時間內(nèi)通過盤面的流體質(zhì)量，再乘以（ν1-ν2）即為流管單位時間的流體動量變化。如果不計流體的能量損失，那么葉輪吸收的能量功率則為： P=Fν=ρsν2（ν1-ν2）。在前后盤面處，流體的動能變化量為：根據(jù)能量守恒定律，單位時間內(nèi)流體動能的變化率應該等于單位時間內(nèi)葉輪吸收的能量，因此：△E=P。從而得出即在理想條件下，流體通過葉輪盤面時的速度等于前后遠方的算術平均值。為了討論葉輪吸收能量的功率的極值，將（ν1+ν2）代入功率P 中，得到：

對于開闊流域而言，遠方來流速度ν1一般為給定的實際流速，因此功率P 與尾流速度ν2有關，將P 對ν2求導數(shù)，則有：ρs（ν12-2ν1ν2-3ν22）為0，得出以下的解ν1。解（1）無意義，因此舍掉。第二個解成立，此式葉輪吸收能量的功率最大。

根據(jù)水輪機的能量利用率定義，水輪機吸收的能量與通過葉輪盤面的流體總能量的比值，可得到潮流能水輪機最大能量利用率為：由于在能量轉(zhuǎn)換過程中，存在各種各樣的能量損失，因此水輪機的效率會下降，因此我們選取的能量利用率一般在35%～40%。

4.4 求發(fā)電裝置的發(fā)電功率

5 載體平臺設計

波浪能蘊涵的能量主要是指海洋表面蘊涵的動能和勢能，波浪的能量與波高的平方，波浪的運動周期以及迎波面的寬度成正比。因此波浪能蘊藏量越是豐富的海域波浪的高度，速度以及波面寬度就越大，對海洋平臺的沖擊就越大，對波浪能的穩(wěn)定性影響也越大。波浪能的穩(wěn)定性直接影響到平臺的發(fā)電功率，因此平臺的設計要滿足波浪能發(fā)電作業(yè)時對穩(wěn)定性的要求。

全世界波浪能的理論估值為109KW 量級。利用中國沿海海洋觀測臺站資料可知，中國沿海地區(qū)，尤其在浙江，福建，廣東以及臺灣沿海海域的波浪能儲量相當豐富，且中國沿海除南海海域之外，海水深度大都小于現(xiàn)在坐底式平臺作業(yè)極限深度，因此發(fā)電平臺采用坐底式結構具有很高的可行性。

平臺的選型不單要滿足工程應用的需要，而且要考慮到產(chǎn)業(yè)化后成本控制的實際。新能源的開發(fā)技術水平高，前期投入大，成本控制尤為重要。坐底式平臺中的坐底式桁架設計結構簡單，易于建造，且成本較低。

綜合以上的情況，在進行載體平臺架的設計時，要充分考慮到海洋環(huán)境的惡劣，以及發(fā)電裝置的布置需求。在保證安全性及作業(yè)穩(wěn)定性的同時，最大程度地提高整個發(fā)電平臺的經(jīng)濟性。

本發(fā)電平臺通過坐底式桁架上安裝載體平臺的設計，滿足了波浪發(fā)電裝置的作業(yè)要求。坐底式平臺的設計能夠適用于中國沿海廣大的海域。桁架結構設計簡單，易于建造。

6 結論

本文介紹了一種新型的波浪能發(fā)電平臺，文章從發(fā)電平臺的總體介紹，獲能裝置的設計，載體平臺的設計以及發(fā)電裝置的最大功率估算等幾個方面對此新型的波浪能發(fā)電裝置作了系統(tǒng)的說明。雖然本文提出的這種波浪能發(fā)電方式還處于項目研究的初期階段，其可行性還有待進一步研究，但我們通過估算該發(fā)電裝置的最大功率，已經(jīng)能夠初步地判斷出，這種波浪能發(fā)電裝置具有不錯的發(fā)電前景。伴隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，人類社會對自然資源的需求越來越大，傳統(tǒng)的能源供應已經(jīng)不能滿足人類社會的需求，新興的綠色能源已經(jīng)越來越多地進入人們的視野，風力發(fā)電已經(jīng)太陽能發(fā)電已經(jīng)進行了大規(guī)模的商業(yè)開發(fā)。海洋能的研究及開發(fā)也已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)如火如荼地開展。本文章旨在為波浪能的開發(fā)提供一種新的概念，為以后的工程實踐提供經(jīng)驗和參考。

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