沈昕

摘 要：文章設(shè)計了一種利用水面波浪作為動力源的微型水波能發(fā)電裝置，水面波浪經(jīng)過本裝置內(nèi)部的一系列組成部件的處理后，最終實現(xiàn)水波能到電能的轉(zhuǎn)換。本微型水波能發(fā)電裝置體積微小，實現(xiàn)簡單，且成本低，可以有效滿足特定場合的應(yīng)用需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微型；發(fā)電裝置；水波能；電能

1 前言

水力發(fā)電是我國電力工業(yè)一個重要的門類，建國以來，我國的水電事業(yè)有了長足的發(fā)展，取得了令人矚目的成績[1]。能取得這樣的成績歸結(jié)為如下幾點：①我國水能資源豐富，不論是水能資源蘊藏量，還是可能開發(fā)的水能資源，在世界各國中均居首位，水力發(fā)電前景廣闊[1]。②常規(guī)發(fā)電方式，煤的燃燒過程中會排放出大量的有害物質(zhì)使大氣環(huán)境受到嚴重污染，引發(fā)酸雨和溫室效應(yīng)等多方面的環(huán)境問題。而核能發(fā)電又有很大的潛在危險性，一旦泄露將造成嚴重污染，對環(huán)境的破壞作用是不可估量的。水力發(fā)電不排放有害的氣體、煙塵和灰渣，又沒有核輻射污染，是一種情結(jié)的電力生產(chǎn)，具有明顯的優(yōu)勢[1]。③水力發(fā)電經(jīng)過一個多世紀的發(fā)展，其工程建設(shè)技術(shù)、水輪發(fā)電機組制造技術(shù)和輸電技術(shù)趨于完善，單機容量也不斷增大。并且水力發(fā)電成本低廉，運行的可靠性高，故其發(fā)展極為迅速[1]。

目前，水力發(fā)電的基本原理是利用水位落差，配合水輪發(fā)電機產(chǎn)生電力，也就是利用水的位能轉(zhuǎn)為水輪的機械能，再以機械能推動發(fā)電機，從而得到電力。以這種傳統(tǒng)方式產(chǎn)生的電能電壓都較高，多用于市電及工農(nóng)業(yè)用電，且受制于地形限制，需要修建專門的水利設(shè)施和購置專門的發(fā)電設(shè)備。

隨著水利水電應(yīng)用的發(fā)展，出現(xiàn)了以水面波浪為動力的發(fā)電裝置。

2 波浪能發(fā)電技術(shù)概況

2.1 波浪能簡介

波浪能主要是由海面上風(fēng)吹動以及大氣壓力變化引起的海水有規(guī)則的周期性動，具有一定的動能和勢能，動能是指波動的水質(zhì)點以一定速度運動具有的能量，勢能是指水質(zhì)點運動與海平面發(fā)生位移所具有的能量。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[2]。

波浪能主要用于發(fā)電，可為海上孤島、沿海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)及其它設(shè)施等提供優(yōu)質(zhì)電能。此外，波浪能還可以用于供熱、抽水、制氫以及海水淡化等[2]。

2.2 波浪發(fā)電的原理

波浪發(fā)電的原理主要是利用波浪運動的往復(fù)力、浮力產(chǎn)生動力或位能差。利用水面波浪發(fā)電的方法大致有3種：①是利用水面波浪的上下運動所產(chǎn)生水流或空氣流，使水（氣）輪機轉(zhuǎn)動，從而帶動發(fā)電機發(fā)電；②利用水面波浪裝置的前后轉(zhuǎn)動或擺動產(chǎn)生水流或氣流，使水（氣）輪機轉(zhuǎn)動，從而帶動發(fā)電機工作，產(chǎn)生電；③將低壓大波浪變?yōu)樾◇w積的高壓水，然后把水引入高位水池積蓄起來，使它形成了水位的高度差，再來沖動水輪發(fā)電機發(fā)電[2]。

波浪能具有儲量大、分布廣、獲取方式多樣等優(yōu)勢，因而成為最有發(fā)展前景的能源之一。但是現(xiàn)有的水波能發(fā)電多采用液壓發(fā)電技術(shù)，通過水波能壓縮空氣振動渦輪帶動發(fā)電機運轉(zhuǎn)以產(chǎn)生電能，但這種水波能發(fā)電裝置設(shè)備龐大，技術(shù)復(fù)雜，而且成本高。通常在一些環(huán)境監(jiān)測設(shè)備節(jié)點以及其他微電子設(shè)備供能方面，只需功率很小的發(fā)電裝置即可，采用現(xiàn)有的水波能發(fā)電設(shè)備并不能應(yīng)用在這種場合。因此，針對這些應(yīng)用場合，文章設(shè)計了一種比較小的水波能發(fā)電裝置——微型水波能發(fā)電裝置。

3 微型水波能發(fā)電裝置技術(shù)實現(xiàn)

3.1 微型水波能發(fā)電裝置系統(tǒng)組成

主要由漂浮振子、微型電磁感應(yīng)線圈、微型磁缸、整流電路、充電控制模塊、電能儲存裝置組成，如圖1所示。

3.2 微型水波能發(fā)電裝置各部分功能

3.2.1 漂浮振子

漂浮振子將漂浮在水面上，它隨著水波運動而振動，實現(xiàn)了水波能到機械能的轉(zhuǎn)換。

3.2.2 微型電磁感應(yīng)線圈

將微型電磁感應(yīng)線圈與漂浮振子連接在一起，當漂浮振子在水面上隨水波運動時，將帶動微型電磁感應(yīng)線圈在微型磁缸中作切割磁感線運動，從而產(chǎn)生電動勢，進而完成機械能到電能的轉(zhuǎn)換。

3.2.3 微型磁缸

微型磁缸是一個由磁鐵構(gòu)成的圓柱體物體，如圖2所示。微型電磁感應(yīng)線圈通過在其中作切割磁感線運動而產(chǎn)生電動勢。

3.2.4 整流電路

整流電路如圖3所示，由于微型電磁感應(yīng)線圈隨著漂浮振子在微型磁缸中上下往返運動而產(chǎn)生正負交替的交流電壓輸出，這種電壓極性不穩(wěn)定，因此，整流電路的作用就是將正負交替的交流電壓輸出轉(zhuǎn)換成極性穩(wěn)定的直流電壓輸出。

3.2.5 充電控制模塊

充電控制模塊如圖4所示，其核心部件是LTC4425充電控制器，通過充電控制器實現(xiàn)對儲能部件（超級電容，如圖5中6-1）的充電進行控制和保護，它能夠防止對儲能部件的過度充電和過度放電，提高儲能部件的使用壽命和安全性。

3.2.6 電能儲存裝置

電能儲存裝置如圖5所示，主要由超級電容（6-1）通過連接頭（6-2）串并組合而成，它與普通的可充電電池相比，超級電容具有更多的可充放電次數(shù)，實際效率更高，而且具有更低的內(nèi)部電阻，并具有更好的安全余量和熱性能，而且超級電容所要求的低電壓正符合低功耗微電子產(chǎn)品的供能要求。

3.3 微型水波能發(fā)電裝置關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 整流電路的技術(shù)實現(xiàn)

整流電路采用經(jīng)典的全波橋式整流，如圖3所示。整流橋由4個二極管組成，在整流橋的每個工作周期內(nèi)，同一時間只有兩個二極管進行工作，通過二極管的單向?qū)üδ埽呀涣麟娹D(zhuǎn)換成單向的直流脈動電壓。在圖3中電容C1，C2主要起濾波作用，平滑直流電壓輸出，減少紋波成分，C1，C2可以根據(jù)實際應(yīng)用的環(huán)境選取合適大小的電容。

3.3.2 充電控制模塊的技術(shù)實現(xiàn)

充電控制模塊是本設(shè)計的重要部分之一，它是控制系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的神經(jīng)中樞，電路圖如圖4所示，其核心部件是LTC4425充電控制器，該器件采用具有熱量限制的線性恒定電流-恒定電壓（CC-CV）架構(gòu)，從鋰離子/聚合物電池、USB端口或其它2.7V至5.5V的電流受限電源，將兩節(jié)串聯(lián)的超級電容器充電至可編程的輸出電壓，具有智能充電電流曲線限制浪涌電流，自動能量平衡在充電時防止電容器過壓的特點。

3.3.3 電能儲存裝置的技術(shù)實現(xiàn)

電能儲存裝置采用超級電容通過串并組合的方式實現(xiàn)，如圖5所示。由于微電子供電電壓普遍較低，分別選取標稱值為30F/2.5V的超級電容四個，每兩個超級電容串聯(lián)起來使其輸出電壓達到5V，串聯(lián)起來的超級電容兩組再并聯(lián)起來，提高其可輸出電流，以增大其所存儲的電能容量。另外，還可以根據(jù)具體的應(yīng)用情況選取合適的超級電容，并采用靈活的串并組合方式滿足不同的應(yīng)用需求。

4 結(jié)語

文章設(shè)計的微型水波能發(fā)電裝置具有很多優(yōu)點，它克服了常規(guī)大型水波能發(fā)電裝置在微電子供能方面的不足，大大降低了水波能發(fā)電裝置的體積，使其實現(xiàn)簡單，成本低廉，能夠有效的滿足微電子低功耗設(shè)備的供能需求，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

[參考文獻]

[1]馬一太，邢英麗.我國水力發(fā)電的現(xiàn)狀和前景[J].能源工程，2003（4）：58-60.

[2]陳韋，余順年，詹立，等.波浪能發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].能源與環(huán)境，2014（3）：94-95.