包興先， 汪 聰

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

波浪能是一種清潔的可再生的能源，分布廣泛，能量密度高，是海洋能開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)[1-4]。波浪能裝置按能量傳遞方式可分為振蕩水柱式、振蕩浮子式、越浪式、點(diǎn)吸收式、鴨式、擺式等幾種形式；按安裝位置可分為岸式和離岸式；按固定方式可分為固定式和漂浮式[5]。振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置是目前發(fā)展較好的一種波能利用裝置。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育的重要組成部分，在人才培養(yǎng)中占有重要的戰(zhàn)略地位[6-12]。本文通過(guò)滑輪式振蕩浮子波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置的開(kāi)發(fā)，配套開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐素質(zhì)和創(chuàng)新意識(shí)有著重要意義。

1 振蕩浮子式波浪發(fā)電原理

振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置，也稱點(diǎn)吸收式波浪發(fā)電裝置，其基本原理是利用浮子隨波浪的升沉運(yùn)動(dòng)捕獲波浪能，再經(jīng)能量轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為液壓能或機(jī)械能等，最終驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[13-15]。能量轉(zhuǎn)換裝置的類型分為液壓式、滑輪式、齒條式等。

液壓式是將浮子隨波浪起伏的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)換為液壓裝置的液壓能，最終通過(guò)液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)等裝置將液壓能轉(zhuǎn)換為電能;滑輪式則采用滑輪組和齒輪組將浮子隨波浪起伏的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電;齒條式通常與鏈條相配，而鏈條連于發(fā)電機(jī)軸，從而將浮子吸收的波浪能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并最終轉(zhuǎn)換為電能。

2 滑輪式振蕩浮子波浪發(fā)電裝置實(shí)驗(yàn)

2.1 發(fā)電裝置組成

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，包括浮子組塊(浮子，鏈條、繩索)、齒輪傳動(dòng)組塊(齒輪組、滑輪組)和發(fā)電組塊(發(fā)電機(jī))。核心部件——齒輪傳動(dòng)組塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要功能是將浮子的升沉運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)的單向轉(zhuǎn)動(dòng)。

1-水下基座,2-滑輪組,3-浮子,4-升降繩,5-水上基座,6-齒輪組,7-發(fā)電機(jī)

圖1 滑輪式振蕩浮子波浪發(fā)電裝置整體結(jié)構(gòu)圖

1-軸承座,2-傳動(dòng)軸,3-鏈輪,4-傳動(dòng)齒輪,5-順時(shí)針離合器,6-逆時(shí)針離合器,7-發(fā)電機(jī)傳動(dòng)齒輪,8-發(fā)電機(jī)

圖2 齒輪傳動(dòng)組件結(jié)構(gòu)圖

該實(shí)驗(yàn)裝置的具體工作原理：滑輪式振蕩浮子波浪發(fā)電裝置利用能量捕獲系統(tǒng)——浮子組塊捕獲垂直運(yùn)動(dòng)方向上的波浪能，并通過(guò)滑輪組將波浪能轉(zhuǎn)換為升降繩上下運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，進(jìn)而通過(guò)鏈輪和鏈條將機(jī)械能傳導(dǎo)到能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)——齒輪傳動(dòng)組塊中，再通過(guò)發(fā)電組塊將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。

齒輪傳動(dòng)組塊(見(jiàn)圖2)的工作原理如下：當(dāng)浮子向下運(yùn)動(dòng)，鏈輪3順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使傳動(dòng)軸(與鏈輪固定)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)逆時(shí)針離合器6中的大齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。由于此時(shí)順時(shí)針離合器5受傳動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)，其中小齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，與大齒輪分離，大齒輪運(yùn)動(dòng)不受小齒輪約束，故逆時(shí)針離合器6中大齒輪會(huì)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)傳動(dòng)齒輪7(與發(fā)電機(jī)固定)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使發(fā)電機(jī)發(fā)電。

當(dāng)浮子向上運(yùn)動(dòng)，鏈輪3逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使傳動(dòng)軸(與鏈輪固定)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)順時(shí)針離合器5中的大齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。由于此時(shí)逆時(shí)針離合器6受傳動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)，其中小齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，與大齒輪分離，大齒輪運(yùn)動(dòng)不受小齒輪約束，故順時(shí)針離合器5中大齒輪會(huì)驅(qū)動(dòng)逆時(shí)針離合器6中大齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，也驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)傳動(dòng)齒輪7(與發(fā)電機(jī)固定)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使發(fā)電機(jī)發(fā)電。

這樣就保證不管浮子向上還是向下運(yùn)動(dòng)，都使得發(fā)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，故而產(chǎn)生直流電壓。

上述齒輪傳動(dòng)組塊的核心機(jī)構(gòu)就是離合器，分為順時(shí)針離合器和逆時(shí)針離合器。圖3所示為逆時(shí)針離合器的基本構(gòu)成。其工作原理：當(dāng)小齒輪2順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)轉(zhuǎn)子3會(huì)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，受向心力及重力影響，會(huì)與大齒輪4分離，無(wú)法約束大齒輪4運(yùn)動(dòng)，達(dá)到空轉(zhuǎn)的目的；當(dāng)小齒輪2逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)轉(zhuǎn)子3會(huì)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，受向心力及重力影響，傳動(dòng)轉(zhuǎn)子3會(huì)在一定程度上與大齒輪4的溝槽契合，進(jìn)而推動(dòng)大齒輪4逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到傳動(dòng)的目的。

1-定位軸,2-小齒輪,3-傳動(dòng)轉(zhuǎn)子,4-大齒輪

順時(shí)針離合器和逆時(shí)針離合器工作原理一致。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

(1) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備。本實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)石油大學(xué)(華東)船舶與海洋工程實(shí)驗(yàn)室中的小型波浪水槽內(nèi)進(jìn)行，如圖4所示。水槽整體是鋼結(jié)構(gòu)和有機(jī)玻璃材質(zhì)，長(zhǎng)約15 m，寬0.4 m，深0.5 m，如圖4(a)所示。水槽一端安裝有機(jī)械搖桿推板造波機(jī)，如圖4(b)所示;另一端有消波設(shè)施。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用DH5922動(dòng)態(tài)測(cè)量設(shè)備和DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)，如圖4(c)所示，DHDAS系統(tǒng)可以將DH5922設(shè)備傳來(lái)的電壓信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，獲得實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)。

(a)波浪水槽(b)造波系統(tǒng)(c)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖4 振蕩水柱式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)

(2) 實(shí)驗(yàn)工況與數(shù)據(jù)處理?；谠O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)完成的實(shí)驗(yàn)裝置，考慮6種不同的入射波頻率及波高工況，分別記錄輸出電壓信號(hào)。實(shí)驗(yàn)靜水深35 cm，連續(xù)采集的波峰個(gè)數(shù)為15～20 個(gè)。每個(gè)工況下的實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次，以消除外界環(huán)境、實(shí)驗(yàn)儀器等引起的系統(tǒng)誤差，取3 次結(jié)果的平均值為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表1為不同工況下輸出的峰值電壓均值。圖5所示為工況5下裝置性能較為穩(wěn)定的一段時(shí)間內(nèi)(10～12 s)輸出電壓隨時(shí)間變化圖，圖6為輸出的峰值電壓均值與入射波頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 不同工況下輸出的峰值電壓均值

圖5 工況5下輸出電壓隨時(shí)間變化圖

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

① 由圖5可以看出，輸出的電壓峰值并不穩(wěn)定。

圖6 峰值電壓均值隨入射波頻率變化圖

原因在于浮子隨波浪的運(yùn)動(dòng)并非嚴(yán)格的垂直運(yùn)動(dòng)，一定程度上會(huì)發(fā)生左右前后搖擺運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響到輸出電壓的穩(wěn)定性。

② 由圖6可以看出，隨著入射波頻率的增加，波高隨之增大，輸出的峰值電壓均值先是逐步增大到最大值，之后開(kāi)始減小。當(dāng)頻率為27 Hz，波高為6.7 cm時(shí)，輸出的峰值電壓均值最大，達(dá)到1 043 mV。此時(shí)，裝置的發(fā)電性能較好。

③ 由圖6可以看出，在入射波頻率為15～27 Hz時(shí)，輸出的峰值電壓均值與波浪頻率近似成線性關(guān)系。

事實(shí)上，對(duì)滑輪式振蕩浮子波浪發(fā)電裝置性能研究時(shí)，還需要考慮浮子的形狀、浮子的自振頻率、齒輪傳動(dòng)效率等參數(shù)的影響。本實(shí)驗(yàn)是在成型的發(fā)電裝置基礎(chǔ)上，僅選取了6種波浪工況進(jìn)行研究，旨在增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。本實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，可作為大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課題等進(jìn)行研究。

3 結(jié) 語(yǔ)

振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，適用面廣，是目前開(kāi)發(fā)利用較高的一種波浪發(fā)電裝置。通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)滑輪式振蕩浮子波浪發(fā)電裝置，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生掌握該裝置的發(fā)電基本原理，理解波高、周期等因素對(duì)發(fā)電裝置性能的影響規(guī)律，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)電裝置的思考。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，鍛煉了學(xué)生的問(wèn)題探究與規(guī)律總結(jié)能力，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力與團(tuán)隊(duì)合作精神，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的裝置除了可以用于波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)，還可以用于科研及生產(chǎn)等領(lǐng)域。

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