楊志堅(jiān) 唐詩雨 葉佳林 向萌 王彬

（重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院船舶與海洋工程系，重慶 400000）

一種新型機(jī)械式波浪能高效發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

楊志堅(jiān) 唐詩雨 葉佳林 向萌 王彬

（重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院船舶與海洋工程系，重慶 400000）

針對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械式波力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)笨重、可靠性差、發(fā)電效率低等固有缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套可高效利用波浪能發(fā)電的新型機(jī)械式波浪能高效發(fā)電系統(tǒng)，旨在有效解決太陽能板供電和風(fēng)力供電的固有環(huán)境天氣因素缺陷，直接高效利用波浪能來為海洋平臺(tái)等離岸海洋觀測(cè)設(shè)備供電。

波浪發(fā)電；機(jī)械式；重力飛輪；試驗(yàn)裝置

傳統(tǒng)能源的消耗殆盡，有害氣體的排放造成的環(huán)境問題，使新能源成為當(dāng)今世界各國爭相研究的問題。我國的海域面積廣闊，海岸線曲折而綿長，大陸海岸線長約1.8萬km，海島海岸線長約1.4萬km，其中蘊(yùn)藏著豐富的波浪能，具有儲(chǔ)量大、污染小、再生性極強(qiáng)的特點(diǎn)。因此，我國波浪能開發(fā)利用的潛力巨大，對(duì)解決海洋離岸觀測(cè)設(shè)備和海島島礁的電力供應(yīng)問題具有重大意義［1］。

1 設(shè)計(jì)方案

本文結(jié)合已有波力發(fā)電裝置，創(chuàng)新提出一種可高效利用波浪能發(fā)電的新型傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方案。通過理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)加以完善實(shí)現(xiàn)，本作品充分利用波浪能，將之通過能源的轉(zhuǎn)換最終以電能的形式輸出，實(shí)現(xiàn)能量的最大化利用，順應(yīng)節(jié)能減排、綠色能源的時(shí)代趨勢(shì)［2］。

1.1 波能轉(zhuǎn)化原理

要實(shí)現(xiàn)波浪能轉(zhuǎn)化為電能輸出，理論上來講，需經(jīng)過2次能量轉(zhuǎn)化。簡單來說，剛開始波峰推動(dòng)浮子向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，順向帶動(dòng)重力輪（但此時(shí)連接桿不能轉(zhuǎn)過最高點(diǎn)）；當(dāng)波谷來到，浮子向下運(yùn)動(dòng)，由于安置有單向齒輪，重力輪不會(huì)逆向轉(zhuǎn)動(dòng)。接著波峰來浮子向上擺動(dòng)更多，波谷來又向下，如此反復(fù)。直至連接桿做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，重力輪轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)流暢，波峰推動(dòng)浮子向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，順向帶動(dòng)重力輪（此時(shí)連接桿能轉(zhuǎn)過最高點(diǎn)）；當(dāng)波谷來到，浮子向下運(yùn)動(dòng)，也就能順向帶動(dòng)重力輪，能量全波吸收，使得重力輪周而復(fù)始轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣一來，就可以通過2次能量的轉(zhuǎn)化來產(chǎn)生持續(xù)的電能輸出［3］。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 重力輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？紤]到如果重力輪的質(zhì)量與半徑設(shè)計(jì)的過大，會(huì)產(chǎn)生2個(gè)問題，一是浮子帶不動(dòng)重力輪轉(zhuǎn)動(dòng)，二是主體過于笨重；而如果設(shè)計(jì)的太小，重力輪定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不夠帶動(dòng)重力輪轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，采用鏤空式重力輪，既保證了重力輪的慣性大小，又

保證其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使得重力飛輪能發(fā)揮儲(chǔ)存波浪動(dòng)能并提高發(fā)電轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和提高發(fā)電效率的作用。

1.2.2 帶有單向齒輪的軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。考慮到波浪能是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源，貯存的能量通過摩擦和湍動(dòng)而消散，其消散速度的大小取決于波浪特征和水深。深水海區(qū)大浪的能量消散速度很慢，從而導(dǎo)致了波浪系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，重力輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸承上設(shè)計(jì)單向齒輪，消除浮體的運(yùn)動(dòng)軌跡與波浪運(yùn)動(dòng)軌跡不匹配問題，最大程度減少透射和興波，使得浮子只能單向帶動(dòng)重力輪，避免波浪的復(fù)雜不穩(wěn)定性對(duì)重力輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的影響［4］。

1.2.3 帶有避震器的連接長桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。浮子運(yùn)動(dòng)易受海浪不定向性沖擊，使得連接長桿易斷。因此，在其上加了避震器，防止鏈接長桿易斷問題。

2 模型制作與模型試驗(yàn)

2.1 模型應(yīng)用仿真

本作品在基于前期的原理設(shè)計(jì)后，利用CAD軟件進(jìn)行新型機(jī)械式波浪能高效發(fā)電系統(tǒng)的模型應(yīng)用仿真制作，將本作品應(yīng)用到海上航標(biāo)和海洋平臺(tái)上。

2.2 模型試驗(yàn)

首先是尺寸設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)透射波能E，波浪周期T一定時(shí)，改變浮子直徑B、連接長桿長度K、連接桿長度J、重力輪直徑D和重力輪質(zhì)量m數(shù)據(jù)如表1所示。

表1桿件設(shè)計(jì)尺寸試驗(yàn)表（部分?jǐn)?shù)據(jù)）

然后利用控制變量法，通過比較效率值，得出浮子直徑B、連接長桿長度K、連接桿長度J、重力輪直徑D和重力輪質(zhì)量m的一組最優(yōu)設(shè)計(jì)尺寸值，如表2所示。

表2桿件設(shè)計(jì)尺寸最優(yōu)設(shè)計(jì)表（模型值）

3 應(yīng)用前景與推廣

①本作品有效解決太陽能板供電和風(fēng)力供電的固有環(huán)境天氣因素缺陷，直接高效利用波浪能來為海洋平臺(tái)等離岸海洋觀測(cè)設(shè)備供電。

②大規(guī)模波浪能發(fā)電的成本還難與常規(guī)能源發(fā)電競爭，但設(shè)計(jì)的小型離岸式波浪能高效發(fā)電系統(tǒng)，可以實(shí)質(zhì)性地在近?；蚴莾?nèi)河導(dǎo)航燈浮標(biāo)、燈樁、燈塔等上獲得推廣應(yīng)用。

③本作品設(shè)計(jì)的波浪能發(fā)電裝置由標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械零部件組成，因此，結(jié)構(gòu)簡單，安裝拆卸簡便，易于維護(hù)，制造成本低廉；且機(jī)械設(shè)備不與海水直接接觸，減少了海水帶來的腐蝕。

④該裝置可以用來研究在離大陸較遠(yuǎn)、波浪能豐富、波浪周期短的海域，利用工廠船就地發(fā)電、建立波能發(fā)電廠以提高波浪能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，可解決部分電網(wǎng)未覆蓋的有居民海島、偏遠(yuǎn)無電的無居民海島或建設(shè)生態(tài)島的供電問題。

［1］熊焰.我國洋可再生能源開發(fā)利用發(fā)展思路研究［J］.海浪術(shù)，2009（2）：106-110.

［2］楊家武，辛玉超，楊帆.海浪發(fā)電的典型裝置和發(fā)展趨勢(shì)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015（9）：72-73.

［3］G.Iglesias，R.Carballo.Wave power for Lalsla Bonita［J］. Fuel&Energy Abstracts，2010（12）：5013-5021.

［4］馮慶熙.電液伺服海浪模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2008.

Design and Research of a New Type of Mechanical Wave Energy Efficient Power Generation System

Yang ZhijianTang ShiyuYe JialinXiang MengWang Bin
（Department of Ship and Ocean Engineering，School of Shipping and Marine Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400000）

Aiming at the inherent shortcomings such as heavy structure,poor reliability and low efficiency of power generation,a new type of mechanical wave energy efficient power generation system with high efficiency of wave ener?gy generation was designed for the traditional mechanical wave power plant,in order to effectively solve inherent envi?ronmental weather factors of solar panel power supply and wind power supply,the wave energy was efficientl and di?rectly used to supply power for offshore observation equipment,such as offshore platforms.

wave power generation；mechanical；gravity flywheel；test device

TM612

A

1003-5168（2016）10-0089-02

2016-09-21

楊志堅(jiān)（1995-），男，本科，研究方向：波浪能的發(fā)電利用。