詹映柔，潘永馨，王英如，劉朕廷，馬 穎

（1.廣州大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.中國科學(xué)院大學(xué)國家天文臺(tái)，北京 100101）

海浪是一種凌亂的波動(dòng)現(xiàn)象，浪高和波形都會(huì)發(fā)生變化且同調(diào)性很差[1]。因?yàn)楹＠司哂辛鑱y、反復(fù)無常的特性，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再用于發(fā)電具有較大困難，所以至今為止，仍然沒有任何一項(xiàng)海浪發(fā)電裝置能夠?qū)崿F(xiàn)真正的商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 現(xiàn)有海浪發(fā)電裝置分析

目前國內(nèi)外已有的海浪發(fā)電裝置主要可分為衰減式、點(diǎn)吸收式、擺蕩式、越頂式、水柱振蕩式、沉潛壓差式六大類型，外加不易歸納的其他類型。

1.1 衰減式

“海蛇號(hào)”為此類裝置的代表。工作時(shí)裝置沿海浪傳播方向漂浮于水面上。取能浮體在海浪作用下做上下起伏運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)各節(jié)鉸接處相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而推動(dòng)內(nèi)部的液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)將流體壓入儲(chǔ)能器中，液壓馬達(dá)在高壓流體作用下旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)電機(jī)以輸出電能。但是該類裝置取能浮體質(zhì)量較大難以適應(yīng)海浪的快速變化。裝置較為精密難以維修且只能攔截有限范圍內(nèi)的海浪[2]。

1.2 點(diǎn)吸收式

該類裝置的取能浮體漂浮海面，在海浪作用下帶動(dòng)水下管內(nèi)部的活塞上下運(yùn)動(dòng)，一般也取用活塞推動(dòng)液壓缸壓縮流體使液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的方式帶動(dòng)電機(jī)工作。但此類裝置只能利用海水上下運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，且裝置的成本較高。較為著名的有PowerBuby 裝置。

1.3 擺蕩式

這種類型以O(shè)yster 裝置為代表。裝置的浮力擺被浸泡在水中，在海浪的作用下做來回?cái)[動(dòng)運(yùn)動(dòng)。浮力擺驅(qū)動(dòng)水壓活塞產(chǎn)生高壓流體，再通過在海底用長管路將高壓流體輸送到陸地的蓄能裝置并驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電。但是擺動(dòng)時(shí)裝置背后會(huì)激起波浪導(dǎo)致能量耗散。

1.4 越頂式

此類裝置先讓海浪越過蓄水裝置邊緣進(jìn)入蓄水系統(tǒng)，利用積蓄的海水的勢能推動(dòng)葉輪機(jī)帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電。這類裝置沒有直接利用海水的動(dòng)能，效率較低。

1.5 水柱振蕩式

該類裝置空腔中的水柱在海浪的作用下被推動(dòng)，做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。水柱的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)空腔中的氣體。在共振情況下，空腔中的氣體將會(huì)在裝置通道中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)渦流機(jī)發(fā)電。但該裝置對(duì)工作水深與岸線長度有較高的要求[3]，且海面升降的速度相對(duì)較快，能量轉(zhuǎn)換效率不高。

1.6 沉潛壓差式

查閱相關(guān)資料，該類海浪發(fā)電裝置至今未有實(shí)際完成的海浪發(fā)電裝置模型。

以上幾種類型的海浪發(fā)電裝置存在不少局限：能量轉(zhuǎn)化的次數(shù)較多，轉(zhuǎn)化效率不高；采用的取能浮體和機(jī)械較為笨重，對(duì)海浪的迅速變化不能及時(shí)響應(yīng)；還有部分裝置設(shè)計(jì)較精密，維護(hù)成本高；還有的裝置施工和加工困難[4]。

2 創(chuàng)新海浪發(fā)電裝置設(shè)計(jì)的提出

現(xiàn)有海浪發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)思路大多是先將混亂的海浪能轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的機(jī)械能，再將穩(wěn)定的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能，如圖1所示。這種設(shè)計(jì)思路的局限在于，將混亂的海浪能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的機(jī)械能的過程中能量損耗較多，造成浪費(fèi)。

圖1 現(xiàn)有海浪發(fā)電裝置設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)針對(duì)性地提出一種創(chuàng)新的海浪發(fā)電裝置設(shè)計(jì)思路，如圖2所示。方案思路創(chuàng)新之處在于將混亂的海浪能直接轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的電能，從而避免了使用精密的笨重機(jī)械將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的機(jī)械能的過程。且現(xiàn)有的技術(shù)能便捷地實(shí)現(xiàn)將不穩(wěn)定的電能高效地轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的電能輸出。

圖2 自制海浪發(fā)電裝置設(shè)計(jì)思路

裝置設(shè)計(jì)方案：構(gòu)建一個(gè)海上平臺(tái)將發(fā)電機(jī)芯懸浮于海面上，取能浮體直接隨海水?dāng)[動(dòng)從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)芯中的強(qiáng)磁體切割磁感線感應(yīng)發(fā)電，將凌亂的海浪能直接轉(zhuǎn)化成不穩(wěn)定的電能，再通過成熟的整流技術(shù)將不穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)化成較穩(wěn)定的電能。

3 海浪發(fā)電裝置制作

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)所制作的直驅(qū)式海浪發(fā)電裝置主要由海上平臺(tái)、浮筒、直驅(qū)式發(fā)電裝置、取能浮體和發(fā)電顯示裝置構(gòu)成。

海上平臺(tái)如圖3所示，用于掛載取能浮體和直驅(qū)式發(fā)電裝置，可視實(shí)際需要延長其橫梁長度以掛載多組裝置和抵御風(fēng)浪。且隨著海上平臺(tái)的延長，海上平臺(tái)的穩(wěn)定性也越高。

圖3 海上平臺(tái)

制作了如圖4所示的浮筒，可以托起海上平臺(tái)，且浮筒下部安裝阻滯板，使裝置整體能在海中保持相對(duì)固定的位置。

圖4 浮筒

自行制作的直驅(qū)式發(fā)電機(jī)芯，如圖5所示，與取能浮體連接的線經(jīng)滑輪調(diào)整方向后牽引強(qiáng)磁體在線圈管中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，磁體切割磁感線感應(yīng)發(fā)電。

圖5 直驅(qū)式發(fā)電機(jī)芯

采用高密度泡沫材料制作了取能浮體，如圖6所示，其質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都較小，能及時(shí)響應(yīng)海浪的波動(dòng)。工作時(shí)取能浮體隨海水?dāng)[動(dòng)，因設(shè)計(jì)形狀獨(dú)特，當(dāng)其向下擺動(dòng)時(shí)，后部不易激起浪花，避免了由此造成的能量浪費(fèi)且能利用各個(gè)方向的海浪能。

圖6 取能浮體

直驅(qū)式海浪發(fā)電裝置如圖7所示。選取發(fā)光二極管焊接的廣州塔模型作效果展示用，如圖8所示，發(fā)電裝置工作時(shí)可以同時(shí)供廣州塔模型上的64 盞LED燈發(fā)光。

圖7 直驅(qū)式海浪發(fā)電裝置

圖8 裝置發(fā)電效果

4 海浪做功與發(fā)電的功率計(jì)算

設(shè)取能浮體所受重力和海浪作用力的合力為F（t），在足夠長的時(shí)間內(nèi)，浮體上下擺動(dòng)高度變化可視為零，故此合力對(duì)浮體做的功等于海水對(duì)浮體做的功。忽略海水對(duì)取能浮體的黏滯力，設(shè)發(fā)電裝置負(fù)載時(shí)磁阻力Fmd與取能浮體速度成正比，且β為比例系數(shù)，有：

則取能浮體的運(yùn)動(dòng)方程為：

方程的解為：

其中：

由式（1）可求得海浪對(duì)取能浮體做功功率為：

功轉(zhuǎn)化為電能的功率為：

而取能浮體動(dòng)能的變化率為：

可得：

式（2）（3）中：K為浮體動(dòng)能。

在較長時(shí)間間隔T中轉(zhuǎn)化為電能的功為：

在時(shí)間足夠長的情況下，發(fā)電裝置發(fā)電的功率可視作等于海浪對(duì)取能浮體做功的功率。

5 裝置試驗(yàn)

試驗(yàn)過程采用一個(gè)大型水箱來模擬海浪環(huán)境。將一組發(fā)電裝置放置在水面上，并在設(shè)置水位尺記錄模擬浪高，將海浪發(fā)電裝置的輸出端接于電流表上。用大塊泡沫以手動(dòng)方式按一定頻率推動(dòng)箱中的水，并觀察發(fā)電裝置附近浪高的變化以及海浪發(fā)電裝置輸出端的電流峰值變化。當(dāng)浪高峰值在15 s 內(nèi)不發(fā)生明顯變化時(shí)，記錄下浪高峰值與輸出端電流峰值。多次重復(fù)操作試驗(yàn)，并記錄多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

6 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)過程的原始數(shù)據(jù)記錄如表1所示。其中，“浪高”是指模擬海浪水面與靜止水面的高度差。圖9 中I表示輸出端電流峰值，h表示浪高峰值。通過試驗(yàn)可知當(dāng)浪高峰值達(dá)到6.5 cm 時(shí)，裝置輸出端的電流峰值可達(dá)到119 mA。

表1 浪高峰值與輸出端電流峰值試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

圖9 浪高峰值與輸出端電流峰值關(guān)系圖

將試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，通過python 軟件直接分析的方法[5]，計(jì)算出浪高峰值與輸出端電流峰值之間的相關(guān)系數(shù)全部大于0.93，如表2所示，即浪高峰值與輸出端電流峰值之間的相關(guān)系數(shù)較高，說明二者之間具有較強(qiáng)相關(guān)性。

表2 浪高峰值與輸出端電流峰值的相關(guān)性

海浪發(fā)電裝置輸出端電流峰值隨著浪高峰值升高而升高，但是升高速度越來越慢，最終趨于穩(wěn)定，表明裝置發(fā)電量是有限的。相對(duì)于該裝置的較小體積，其發(fā)電量已是較為可觀的[6]。

7 總結(jié)與討論

利用python 軟件對(duì)“浪高峰值與輸出端電流峰值平均值關(guān)系曲線”進(jìn)行擬合，如圖10所示，得到多項(xiàng)式擬合曲線為0.042 26x5－0.108 2x4－6.243x3+52.28x2－127x+153.7，且得到了較好的擬合優(yōu)度：R2=0.995 1。通過圖10 的擬合曲線可以預(yù)測得到當(dāng)海浪高度達(dá)到0.1 m 時(shí)，輸出端電流可達(dá)到1 012.199 mA。

圖10 浪高峰值與輸出端電流峰值平均值關(guān)系圖

英國物理學(xué)會(huì)主辦的第三屆綠色能源及可持續(xù)發(fā)展國際會(huì)議于2020-11-14 發(fā)表的一個(gè)往復(fù)波發(fā)電裝置，最大電流僅為9.66 mA，最大電壓僅為7 V[7]。目前我們的裝置在較低的浪高情況下得到的電壓可達(dá)到10 V 以上，電流可達(dá)到119 mA，是其他同類裝置的10 倍以上。

根據(jù)國家海洋預(yù)報(bào)臺(tái)對(duì)中國海岸線某一天的24 h海浪預(yù)報(bào)，風(fēng)平浪靜的天氣，靠近海岸的位置海浪高度一般超過80 cm。從發(fā)電效率來看，目前我們的裝置已經(jīng)能夠滿足日常照明需要，且在原理和技術(shù)上都具有可行性，值得進(jìn)行下一階段的研究和試驗(yàn)。