任志宇，王曉杰，張成雷*，曹金霆，韓利慶

（臨沂大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276000）

0 引言

從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，海洋能開發(fā)逐漸形成產(chǎn)業(yè)化，是未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長點(diǎn)。從社會發(fā)展角度出發(fā)，海洋能開發(fā)是我國社會可持續(xù)發(fā)展的需要亦是環(huán)境保護(hù)的需要。我國波浪能、潮流能等能源開發(fā)利用工作尚處于起步階段，未來具有較大的發(fā)展?jié)摿?。波浪能發(fā)電技術(shù)可以替代部分常規(guī)能源，為邊遠(yuǎn)海域的國防、海洋開發(fā)等活動提供能量[1]。開發(fā)穩(wěn)定可靠高效海洋能發(fā)電裝置對我國能源戰(zhàn)略具有重要意義。

對海洋資源包括能源在內(nèi)的開發(fā)，從國家經(jīng)濟(jì)層面來說，正逐步加大產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，這無疑也正成為世界各國將來經(jīng)濟(jì)的新一個爆發(fā)點(diǎn)。我們從國家社會發(fā)展這一角度來看，我國社會可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)迫切需要海洋能源開發(fā)這一不可或缺的環(huán)節(jié)。但是我們也必須看到，我們對海洋中諸如波浪能、潮流能等這些海洋能源的開發(fā)及利用，還在起始時期，但是我們已經(jīng)都看到了它所蘊(yùn)含的巨大潛力。波浪能發(fā)電技術(shù)可以替代部分常規(guī)能源，為邊遠(yuǎn)海域的國防、海洋開發(fā)等活動提供能源[1]。發(fā)展穩(wěn)定、可靠、高效的船舶發(fā)電設(shè)備對我國能源戰(zhàn)略具有重要意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出多種形式發(fā)電裝置，比如振蕩浮子式、擺式、筏式以及鴨式發(fā)電裝置等[2]。

根據(jù)以上我們總結(jié)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有波浪能發(fā)電裝置普遍存在吸收波浪能方向單一，潮位適應(yīng)力差，轉(zhuǎn)化過程能量損耗較多等缺點(diǎn)。因此開展搖蕩式波浪能發(fā)電裝置設(shè)計顯得極為必要。

1 搖蕩式波浪能發(fā)電裝置設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

針對波浪能收集發(fā)電裝置易受惡劣海況和海水的腐蝕，創(chuàng)新提出的搖蕩式波浪能發(fā)電裝置[3]構(gòu)想，從外部殼體設(shè)計，自適應(yīng)系泊系統(tǒng)，波浪能轉(zhuǎn)化整流結(jié)構(gòu)和發(fā)電裝置的設(shè)計等多個方面來解決現(xiàn)今波浪發(fā)電裝置的發(fā)電效率低，建造維護(hù)費(fèi)用高，使用壽命短等問題。通過建立理論結(jié)構(gòu)模型到模型樣機(jī)開發(fā)，再到推廣到實際工程海域這一過程。

設(shè)計出一種搖蕩式波浪能發(fā)電裝置，整套發(fā)電系統(tǒng)分為外部殼體，自適應(yīng)系泊系統(tǒng)，波浪能轉(zhuǎn)化整流結(jié)構(gòu)和發(fā)電裝置，所示圖1（P292）為搖蕩式波浪能發(fā)電裝置設(shè)計流程圖。

圖1 搖蕩式波浪能發(fā)電裝置設(shè)計流程圖

1.2 基于海水特點(diǎn)選擇合適的裝置外殼

表1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

為防止海水對發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)的腐蝕，本裝置封閉在殼體之中。對于圓柱體尺寸以及球形或者橢球形尺寸，需要對其在波浪中運(yùn)動進(jìn)行分析，在同樣的波浪環(huán)境下獲得更劇烈的搖蕩運(yùn)動。殼體最上面的平蓋為圓形塑料制成，在其圓心處加裝有安裝擺軸的軸承以減小摩擦阻力，其下是帶有系繩拉環(huán)和支架的浮筒。在保持強(qiáng)度的情況下減小制作難度及成本。

由于海水具有較強(qiáng)的腐蝕性，對比現(xiàn)有的方法和技術(shù)開發(fā)出搖擺式發(fā)電裝置為本團(tuán)隊研究目標(biāo)。利用軟件建立三維殼體模型并采用OpenFOAM[4]開源代碼庫對不同形狀殼體在波浪中運(yùn)動進(jìn)行仿真。通過計算對殼體進(jìn)行初步分析，綜合考慮殼體恢復(fù)力和力矩，阻尼，附加質(zhì)量以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空間布局，選取外殼形狀為半球形。以下是半球形外殼在規(guī)則波中響應(yīng)曲線（見圖2）。

圖2 半球形外殼在規(guī)則波中響應(yīng)曲線

1.3 機(jī)械儲能裝置

針對波浪功率隨季節(jié)和時間影響的問題進(jìn)行機(jī)械儲能裝置的研究。該系統(tǒng)采用ETA28921自動上鏈裝置和大儲能發(fā)條，其換向部件主要包括兩個換向爪及兩個換向片。

在海洋中波浪的周期性運(yùn)動過程中，根據(jù)重錘的重心和其本身的回轉(zhuǎn)中心不在同一位置，在諸如地球引力及慣性的影響下，重錘的組件尅圍繞其凸臺的兩個不同方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，進(jìn)而使得自動錘輪一起轉(zhuǎn)動。在自動錘部件推動錘輪進(jìn)行順時針旋轉(zhuǎn)時，此時此刻自動二輪的部件便會相應(yīng)的進(jìn)行逆時針轉(zhuǎn)動，自動二齒軸與此同時驅(qū)動換向輪的上片進(jìn)行順時針轉(zhuǎn)動，換向輪上片凸臺頂住上片換向爪順時針方向旋轉(zhuǎn)，由于換向爪的驅(qū)動下，傳動片會向順時針方向旋轉(zhuǎn)。此外，基于傳動片與換向輪軸緊緊地配合，因此換向齒軸也會發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而換向齒軸帶動自動四輪部件發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)，并且自動四齒軸也會驅(qū)動自動五輪片進(jìn)而使其順時針轉(zhuǎn)動，在此過程中，其本身還會帶動自動六輪進(jìn)行逆時針旋轉(zhuǎn)，與此同時自動六齒軸會驅(qū)動上條棘輪展開順時針運(yùn)動，況且上條棘輪方孔還和條軸銑方交融，因此條軸在進(jìn)行順時針旋轉(zhuǎn)的時候，會上緊發(fā)條。

當(dāng)重錘組件帶動錘輪逆時針轉(zhuǎn)動時，自動二輪部件順時針轉(zhuǎn)動，自動三輪部件逆時針轉(zhuǎn)動，帶動換向輪下片順時針轉(zhuǎn)動，換向輪下片凸臺頂住下片換向爪順時針方向旋轉(zhuǎn)，在換向爪的帶動下傳動片順時針方向旋轉(zhuǎn)，換向輪軸順時針轉(zhuǎn)動上條，原理同上所述，上條棘輪順時針轉(zhuǎn)動，帶動條軸順時針旋轉(zhuǎn)上緊發(fā)條。在此工作過程中，換向輪上片在自動二輪部件的帶動下逆時針旋轉(zhuǎn)，上片換向爪在其中打滑，不能帶動傳動片工作，所以上片換向爪這時不起作用。

重錘上的力矩傳遞到條軸上時，要經(jīng)過一組減速齒輪完成，減速齒輪的傳動比通常在1/150左右。2892采用的是埋入式自動機(jī)構(gòu)，空間尺寸比較小所以減速機(jī)構(gòu)的齒輪比較小，采用了6級減速傳動自動二輪部件、自動四輪部件和自動六輪部件采用了類似于跨輪的結(jié)構(gòu)形式，即夾板上有細(xì)而長的位釘作為這種齒輪的回轉(zhuǎn)軸，換向輪的傳動片采用青銅材料加工，增強(qiáng)耐磨損性能（見圖3）。

圖3 機(jī)械儲能裝置示意圖

1.4 恒定力矩輸出設(shè)計

由于發(fā)條在實際釋放力矩時也存在類似力矩輸出不穩(wěn)定的問題，為了解決這個問題，利用杠桿作用來抵消發(fā)條的扭力下降，設(shè)計了ST8700型號中的恒動力系統(tǒng)。這個系統(tǒng)在設(shè)置之初，便與雙條盒驅(qū)動的傳動系和杠桿式擒縱調(diào)速系統(tǒng)具有較強(qiáng)的聯(lián)系。其本質(zhì)仍是會把再次之前不斷降低的主傳動鏈力矩存在于恒動游絲里，這樣的游絲能夠帶動擒縱機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)大約十秒，因此也可以稱之為微型的發(fā)條。據(jù)此原因，其中的力矩便可以具有較大的活動空間，并表現(xiàn)出一定的周期性，譬如十秒的鋸齒形波。但是我們也發(fā)現(xiàn)它的力矩平均値是極其穩(wěn)定的，進(jìn)而能夠保證在較長儲備能量的過程中，擒縱機(jī)構(gòu)所能接收到的力矩不致過大且穩(wěn)定，進(jìn)而實現(xiàn)對當(dāng)發(fā)條盒在輸出周期性變化的扭矩時，能夠引起像走時誤差這樣的誤差。在滿條時，可以避免激擺；在發(fā)條松弛狀態(tài)時，仍保持?jǐn)[輪擺幅恒定。

此設(shè)計的工況如下：條盒輪會在發(fā)條所產(chǎn)生的力矩驅(qū)動下進(jìn)而轉(zhuǎn)動，并且會慢慢變緊，此時此刻我們的設(shè)計是恒動游絲的其中某一頭會被緊固在下層秒輪的部件上，此外我們又將游絲的另一自由端與上層秒輪部件相緊密結(jié)合，我們會發(fā)現(xiàn)，恒動游絲會帶動上層秒輪部件旋轉(zhuǎn)，究其原因仍是卷緊儲存的彈性勢能在起作用。并且三角凸輪將旋轉(zhuǎn)六十度角，在這個過程中擒縱叉杠桿部件會擺動使得入瓦將鎖定的單齒輪釋放，單齒輪順時針旋轉(zhuǎn)180度直到遇到另一顆鎖定叉瓦一出瓦并被再次鎖定為止，此過程歷經(jīng)10秒鐘，需要注意的是：發(fā)條動力帶動下層秒輪部件旋轉(zhuǎn)，因為下層秒輪片與固定在單齒輪上的秒過齒軸嚙合，所以單齒輪旋轉(zhuǎn)的動力來源于下層秒輪部件。在單齒輪被釋放開始到再次被鎖定這10秒鐘的時間里，下層秒輪軸會將動力傳輸給擒縱輪，從而驅(qū)動擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時擺輪兼顧恒定動力擒縱系統(tǒng)的循環(huán)上鏈機(jī)制。并且這將會一直反復(fù)，直到條盒的發(fā)條力矩下降到不能再次驅(qū)動恒定動力擒縱系統(tǒng)為止。

1.5 自適應(yīng)系泊[5]系統(tǒng)設(shè)計

近海區(qū)域海水會產(chǎn)生潮漲與潮落，為了使裝置能夠在不同水位始終處于最佳的浮態(tài)，本裝置采用可調(diào)節(jié)式系泊與錨系統(tǒng)進(jìn)行定位。關(guān)于系泊系統(tǒng)的選擇需要根據(jù)不同海域波浪環(huán)境以及裝置在波浪中受力確定。

通過計算分析整個裝置受力以及布置海域海況，選取合適的系泊方式以及系泊材料。采用直接打入海底的樁基用繩索與桶體相連。其特點(diǎn)是操作簡單，結(jié)構(gòu)牢靠。

2 結(jié)語

海洋蘊(yùn)含著豐富的各種資源，海洋能的開發(fā)利用越來越吸引全球各國的科研投入，對波浪能、潮流能等能源開發(fā)利用具有較大的發(fā)展?jié)摿?。本文設(shè)計了搖蕩式波浪能發(fā)電裝置，其可以利用各個方向波浪能，通過內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)將裝置搖蕩運(yùn)動轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動，從而帶動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。此外，本設(shè)計基于自適應(yīng)系泊系統(tǒng)，保證裝置潮位適應(yīng)能力。通過采用簡化傳動設(shè)計，提高了裝置能量轉(zhuǎn)化效率。