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        新型波浪能發(fā)電機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)想與設(shè)計(jì)

        2014-08-08 03:23:50叢占柱
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2014年9期
        關(guān)鍵詞:電能發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

        叢占柱

        (本鋼板材股份有限公司能源管理部,遼寧 本溪 117000)

        1 概述

        黨的十八大提出加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式是我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)領(lǐng)域的一場深刻變革,關(guān)系改革開放和社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)全局。當(dāng)前,我國發(fā)展的外部環(huán)境更趨復(fù)雜,保持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、破解資源環(huán)境制約以及全面建設(shè)小康社會(huì)等目標(biāo)要求,都對推進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整提出了新的更高的要求。能源緊缺是當(dāng)今世界面臨的一個(gè)重要的難題,因此能源領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)調(diào)整與創(chuàng)新對國家整體性的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整起到了至關(guān)重要的作用。而電能是能源領(lǐng)域重要組成部分,由于水電周期太長,還存在研磨、移民等問題;而火電燃料有限,且存在溫室效應(yīng)問題;另外核電成本太高,存在安全問題。所以國家非常重視清潔的可再生能源的開發(fā)利用,如風(fēng)力發(fā)電、海洋發(fā)電等。針對國情,加大力度和投入發(fā)展波浪能發(fā)電更為有利,可以聯(lián)站并網(wǎng),發(fā)揮密集型特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)群體化,可操作性很強(qiáng)。

        2 波浪能發(fā)電的特點(diǎn)

        2.1 現(xiàn)有海浪發(fā)電機(jī)的分類及工作原理

        至今為止,全球申請波力發(fā)電專利已超過千項(xiàng),其中有20多種進(jìn)行過海上試驗(yàn),比較多采用的基本上屬于下列3種類型:

        ①空氣能——波浪能量是一種沖擊動(dòng)能(與利用勢能的潮汐發(fā)電不同),無法直接帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)發(fā)電,必須進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。而把波浪能轉(zhuǎn)換為空氣能是最為廣泛應(yīng)用的一種,即波浪沖擊擠壓空氣室中的空氣,壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣力渦輪機(jī),在帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

        ②機(jī)械能——將波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能時(shí)可通過油壓進(jìn)行,即波力沖擊振子,振子泵油形成壓力油,油壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn),并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

        ③水位能——將內(nèi)盛海水的水斗通過連桿機(jī)構(gòu)固定在岸基上,而水斗浮在水面上,被波浪沖擊推舉水斗上升后,被連桿折翻并將斗內(nèi)海水越過堤壩倒入水庫,多次反復(fù)作用,就如同潮汐發(fā)電那樣利用水庫和海面之間的水位差來傳動(dòng)低水頭發(fā)電機(jī)發(fā)電。

        2.2 波浪能發(fā)電的發(fā)展趨勢

        在波浪能發(fā)電的百年發(fā)展中都伴隨著試驗(yàn)、研究和探索。波浪能發(fā)電已由航標(biāo)燈用小型化發(fā)展到與電力系統(tǒng)并網(wǎng)的中、大型化,由試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)代發(fā)展到商品化、商業(yè)化和國際貿(mào)易化時(shí)代。全世界已經(jīng)確認(rèn)波浪能發(fā)電是海洋能源開發(fā)利用的重要項(xiàng)目,是清潔無污染的可再生新能源的主要組成部分。今后的發(fā)展面臨的主要科研課題及發(fā)展趨勢為:耐久性、蓄能性、高效率、低成本以及安全性。

        3 新型波浪能發(fā)電機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)想與設(shè)計(jì)

        本次設(shè)計(jì)采用簡單的漂浮體的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行波浪能量的采集,通過放大器轉(zhuǎn)化成磁鐵的高速上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)一臺(tái)小型發(fā)電機(jī)發(fā)電。將利用這種波浪能帶動(dòng)漂浮體運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

        3.1 源動(dòng)件的設(shè)計(jì)構(gòu)想

        海水會(huì)因波浪能不間斷的做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),這樣就有了能量的來源。我們便可以向海中投入一漂浮體。海水會(huì)帶著漂浮體做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。磁體切割磁感線會(huì)產(chǎn)生電能,為此,我們只需通過設(shè)計(jì)某種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使漂浮體推動(dòng)磁體快速的切割磁感線,這樣就會(huì)產(chǎn)出電能。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一種波浪能發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)。

        3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

        考慮到磁體需要有一傳動(dòng)比較大、傳動(dòng)效率高、噪音低等優(yōu)點(diǎn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),所以在這里選擇了菱形連桿放大傳動(dòng)機(jī)構(gòu)??倐鲃?dòng)比為24/1=24,根據(jù)這個(gè)數(shù)值,可以分三級增速傳動(dòng),為使系統(tǒng)簡化,三級均采用同比菱形連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu),以便于直接高速平穩(wěn)的推動(dòng)磁體上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

        3.3 潤滑劑的選擇

        考慮波浪能發(fā)電機(jī)工作環(huán)境及傳動(dòng)機(jī)理,其潤滑劑的選擇應(yīng)從防銹、減振、密封、傳遞動(dòng)力等方面進(jìn)行考慮。由于該產(chǎn)品工作環(huán)境均在海浪中運(yùn)行,因此其潤滑劑應(yīng)對其整個(gè)機(jī)構(gòu)形成密封起到特殊作用,以防止水濕或其他灰塵、雜質(zhì)浸入磨擦副,同時(shí)考慮其連桿機(jī)構(gòu)特點(diǎn),要減少由于硬粒磨損、表面銹蝕、金屬表面間的咬焊與撕裂等造成的磨損,因此該機(jī)構(gòu)的潤滑狀態(tài)是介于流體潤滑和邊界潤滑之間的一種混合潤滑狀態(tài)或稱為部分彈性流體動(dòng)壓潤滑。為此該機(jī)構(gòu)的潤滑劑應(yīng)采用以基礎(chǔ)油和稠化劑組成的塑性潤滑脂,同時(shí)根據(jù)需要加入各種添加劑的半固體潤滑劑。

        3.4 發(fā)電機(jī)的功率研究

        雖然大洋中的波浪能是難以提取的,因此可供利用的波浪能資源僅局限于靠近海岸線的地方。但即使是這樣,在條件比較好的沿海區(qū)的波浪能資源貯量大概也超過2TW。據(jù)估計(jì)全世界可開發(fā)利用的波浪能達(dá)2.5TW。我國沿海有效波高約為2~3m、周期為9s的波列,波浪功率可達(dá)17~39kw/m,渤海灣更高達(dá)42kw/m。漂浮體在這個(gè)過程中做的功為:W=mgh,式中m為漂浮體重量,h為浮動(dòng)高度,在一個(gè)周期中做的功就是2mgh。分三級增速傳動(dòng),每級的效率約為0.97,每對滾動(dòng)軸承效率約為0.99。

        結(jié)語

        本次設(shè)計(jì)采用簡單的漂浮體進(jìn)行波浪能量的采集,通過放大機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成磁鐵的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng),并進(jìn)而帶動(dòng)一臺(tái)小型發(fā)電機(jī)發(fā)電,發(fā)出的電能經(jīng)過整流和穩(wěn)壓后送到蓄電池中儲(chǔ)存,該直流電源經(jīng)逆變后,也可供使用交流電源的設(shè)備使用。

        該設(shè)計(jì)綜合采用了機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、和電力半導(dǎo)體技術(shù)等,結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,不與海水接觸,壽命長。設(shè)計(jì)產(chǎn)品所用零部件及電子器件工作可靠穩(wěn)定、成本較低??蓮V泛用于小型漁船、燈塔、近海養(yǎng)殖場等常規(guī)供電不方便的場合,具有較好的推廣應(yīng)用前景。

        [1]濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2001.

        [2]吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

        [3]《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》(國發(fā)〔2011〕26號).

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