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濟發(fā)展中的重要作用。據預測，作為世界主要能源的石油和天然氣將會在50～70年內被人類消耗殆盡。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換為機械能；利用波浪能的爬升轉換為水的勢能。絕大多數的波浪能發(fā)電裝置由三級能量轉換機構組成。其中，一級能量轉換機構將波浪能轉換成某個載體的機械能；二級能量轉換機構將一級能量轉換所得到的能量轉換成旋轉機械的機械能；三級能量轉換通過發(fā)電機將旋轉機械的機械能轉換成電能。

根據一級轉換系統(tǒng)的轉換原理，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部的水，壓載水通過水流發(fā)電機驅動發(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化為水流的勢能，再通過水流發(fā)電機將水流的勢能轉換成電能。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，帶到驅動桿通過鉸支點驅動活塞板連桿運動，由于驅動桿與活塞板連桿通過滑槽和可以轉動的滑塊連接，使得驅動桿能夠帶動活塞板連桿垂向上下運動。活塞班上裝有單向閥，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。考慮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，水艙內的水的體積變化量為△V，根據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換為電能，根據動能的定義，水流體的動能可以表示為：

其中：m—流體的質量（kg）；ν—水流的流速（m/s）。如果單位時間內流管水輪機迎流面S 的流體質量為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，旋轉平面內有無線多葉片，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 為單位時間內通過盤面的流體質量，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：根據能量守恒定律，單位時間內流體動能的變化率應該等于單位時間內葉輪吸收的能量，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，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)的能源供應已經不能滿足人類社會的需求，新興的綠色能源已經越來越多地進入人們的視野，風力發(fā)電已經太陽能發(fā)電已經進行了大規(guī)模的商業(yè)開發(fā)。海洋能的研究及開發(fā)也已經在全世界范圍內如火如荼地開展。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驗和參考。

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