■ 洪茂枝

（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所;2.福建省公路水運(yùn)工程重點實驗室，福州 350004）

1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的激增、社會的進(jìn)步，人們對能源的需求日益增長。占地球表面積70%的廣闊海洋，集中了97%的水量，蘊(yùn)藏著大量的能源，其中包括波浪能、潮汐能、海流能、溫差能、鹽差能等。其中，波浪能由于開發(fā)過程中對環(huán)境影響最小且以機(jī)械能的形式存在，是品位最高的海洋能。據(jù)估算，全世界波浪能是現(xiàn)在世界發(fā)電量的數(shù)百倍，有著廣闊的商用前景，因而也是各國海洋能研究開發(fā)的重點。自20世紀(jì)70年代世界石油危機(jī)以來，各國不斷投入大量資金人力開展波浪能開發(fā)利用的研究，并取得了較大的進(jìn)展。日、英、美、澳等國家都研制出應(yīng)用波浪發(fā)電的裝置，并應(yīng)用于波浪發(fā)電中。我國對波浪能的研究、利用起步較晚，目前我國東南沿海浙江、廣東等地區(qū)已在試驗一些波浪發(fā)電裝置。

波浪發(fā)電是波浪能利用的主要方式，波浪能利用裝置的種類繁多，關(guān)于波能轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明專利超過千項。這些裝置主要基于以下幾種基本機(jī)理：利用物體在波浪作用下的振蕩和搖擺運(yùn)動；利用波浪壓力的變化；利用波浪的沿岸爬升將波浪能轉(zhuǎn)換成水的勢能等。經(jīng)過20世紀(jì)70年代對多種波能裝置進(jìn)行的實驗室研究和80年代進(jìn)行的海況試驗及應(yīng)用示范研究，波浪發(fā)電技術(shù)己逐步接近實用化水平，研究的重點也集中于4種被認(rèn)為是有商品化價值的裝置，包括振蕩水柱式裝置、擺式裝置、振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置和收縮波道式波能轉(zhuǎn)換裝置。本文研究討論基于振蕩水柱式波浪發(fā)電技術(shù)，將其應(yīng)用于航標(biāo)中，供燈浮發(fā)電。

2 振蕩水柱式波浪能發(fā)電技術(shù)原理

振蕩水柱式波浪能發(fā)電技術(shù)也稱為空氣透平式波浪能發(fā)電技術(shù)，是目前應(yīng)用最廣泛的波浪能發(fā)電技術(shù)，在國內(nèi)也有較多振蕩水柱式波浪能試驗電站在運(yùn)行。

振蕩水柱型裝置主要有一個氣室，由一個空箱構(gòu)成，在它淹沒于水面以下部分有一個開口，在氣室上部有氣流通道（空氣出入口）。波浪向著空箱移動，當(dāng)波峰接近空箱前壁時，水進(jìn)入空箱，推動箱內(nèi)水位上升，上升的水位使箱內(nèi)氣壓增加，氣室內(nèi)空氣通過出入孔排出，由于氣孔狹小，氣體高流速噴出，見圖1左圖。在波谷接近空箱前壁時，水從空箱抽出，箱內(nèi)水位下降，下降的水位使箱內(nèi)氣壓降低，外面空氣通過出入孔高速進(jìn)入氣室，見圖1右圖，流出流進(jìn)的氣體將推動渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，這就把波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

圖1 振蕩水柱式波浪能采集基本原理

氣室內(nèi)水面有一個固定的波動頻率，沖入氣室的水碰到氣室后壁反射回來，如能和下降水面同向，將會與波浪共振，選擇合適的氣室尺寸可以使室內(nèi)水面振蕩與外面波浪頻率相近，共振的水面波動幅度會遠(yuǎn)高出波浪的幅度，大大提高氣體的流量從而提高系統(tǒng)效率。

在氣流通道內(nèi)安裝氣動渦輪機(jī)，進(jìn)出的氣流就會推動渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，渦輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)出電來，這就是振蕩水柱式波浪能發(fā)電的原理。

上面介紹的振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置是靠岸邊安裝，稱為固定式（靠岸式）安裝。本文研究振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置在航標(biāo)中的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)漂浮在海面上，稱為漂浮式（離岸式、近岸式）發(fā)電裝置。圖2是下面進(jìn)水的漂浮式振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置，為振蕩水柱式波浪能發(fā)電在航標(biāo)中應(yīng)用的原理圖。

圖2 漂浮式振蕩水柱波浪能發(fā)電裝置

3 波浪發(fā)電航標(biāo)燈系統(tǒng)改造

基于振蕩水柱式波浪能發(fā)電技術(shù)，本文研制的航標(biāo)燈波浪能發(fā)電系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 航標(biāo)燈發(fā)電原理方框圖

波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)由五部分組成：（1）保護(hù)帽、（2）整流器和控制器、（3）交流永磁發(fā)電機(jī)、（4）對稱翼型空氣透平、（5）轉(zhuǎn)輪室。圖4為波浪能發(fā)電裝置外觀圖。該裝置采用抗海水腐蝕、耐候性好的全玻璃鋼外殼，全塑料轉(zhuǎn)輪，耐海水腐蝕鋁合金電機(jī)殼體，不銹鋼緊固件等。裝置外形美觀，呈大紅色，重量輕，便于海上安裝。外型尺寸：Φ285×180mm；重量 7kg；法蘭口徑：Φ202mm；螺栓中心因：Φ260mm；螺栓孔徑：Φ12mm；螺栓孔數(shù)：6 個；連接螺栓：M10×45mm。

圖4 波浪能發(fā)電裝置外觀圖

將波浪能發(fā)電裝置安裝于航標(biāo)上，經(jīng)改造后波浪能發(fā)電燈浮標(biāo)主要由浮標(biāo)、波浪能發(fā)電裝置、蓄電池組和航標(biāo)燈器四部分組成，見圖5。波浪能發(fā)電裝置垂直安裝在帶中心管的浮標(biāo)上，在波浪作用下，浮標(biāo)隨波浪升沉，而中心管內(nèi)水柱幾乎不動，因而水柱象活塞一樣排出和吸入空氣，產(chǎn)生往復(fù)氣流進(jìn)而推動空氣透平帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流后輸入蓄電池，向航標(biāo)燈供電。

圖5 波浪能發(fā)電浮標(biāo)總圖

4 航標(biāo)的投放與測試

4.1 航標(biāo)的投放

為了對波浪能發(fā)電與太陽能發(fā)電效果進(jìn)行對比，該航標(biāo)上同時安裝有波浪能發(fā)電裝置和太陽能板，航標(biāo)投放前應(yīng)再次檢查各處接線是否正確，接線點是否牢固，并用萬用表檢測蓄電池的端電壓。航標(biāo)投放后，當(dāng)浮標(biāo)升沉?xí)r，靠近浮標(biāo)可以用耳察聽裝置發(fā)出的氣流聲和透平的旋轉(zhuǎn)聲響來判斷裝置是否已正常投入工作。投放時，航標(biāo)應(yīng)盡可能直立如水，不能橫臥入水，以防海水浸入發(fā)電機(jī)。

本次航標(biāo)的投放委托福州航標(biāo)處進(jìn)行，選定閩江口D6 燈浮位置 （地理坐標(biāo)為 26°05′20.94″N、 119°43′45.41″E），于2017年9月4日投放至指定地點，現(xiàn)場投放照片如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場投放照片

4.2 航標(biāo)的測試

航標(biāo)的測試采用基于AIS的航標(biāo)無線監(jiān)控系統(tǒng)，詳見圖7。AIS基站實時采集其覆蓋范圍內(nèi)所有AIS航標(biāo)的位置信息和運(yùn)行狀況信息，并將信息發(fā)送給AIS區(qū)域中心，AIS區(qū)域中心通過信息通信采集AIS航標(biāo)信息將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，并向其它系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫資源。

航標(biāo)AIS的信息內(nèi)容主要包括：（1）航標(biāo)位置信息如航標(biāo)類型、航標(biāo)名稱和位置等信息；（2）航標(biāo)運(yùn)行狀況信息如電源電壓、燈器電流、燈開關(guān)狀態(tài)等運(yùn)行信息。

圖7 基于AIS的航標(biāo)無線監(jiān)控系統(tǒng)框圖

本次基于AIS的航標(biāo)無線監(jiān)控系統(tǒng)分別對該航標(biāo)波浪能發(fā)電效果和太陽能板發(fā)電效果進(jìn)行了實時監(jiān)測，波浪能發(fā)電監(jiān)測時間為2017年9月4日至2017年11月28日，太陽能板發(fā)電監(jiān)測時間為2017年11月30日至2018年1月21日。圖8、圖9分別給出了波浪能發(fā)電的航標(biāo)遙測日報數(shù)據(jù)和太陽能電池板發(fā)電的航標(biāo)遙測日報數(shù)據(jù)，對兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，波浪能提供的蓄電池電壓為11.9V～13.0V，太陽能提供的蓄電池電壓為11.0V～13.5V，兩者提供的發(fā)電電壓相當(dāng)，此外，波浪能發(fā)電航標(biāo)系統(tǒng)位置未發(fā)現(xiàn)明顯偏離，航標(biāo)燈工作狀態(tài)正常，未出現(xiàn)故障，表明該振蕩水柱式波浪能航標(biāo)系統(tǒng)能滿足日常工作要求。

考慮到波浪能作為新能源之一，其分布廣總量大，可就地取能，波能發(fā)電裝置的性能受環(huán)境和氣候的影響較低，在夜間和惡劣環(huán)境下仍可正常工作、性能穩(wěn)定，填補(bǔ)了太陽能夜間及惡劣環(huán)境下不能發(fā)電的缺點，此外，波浪能相比太陽能更充足，如將波浪能與太陽能同時安裝在航標(biāo)上，可以相互補(bǔ)充，維持航標(biāo)日夜正常工作，保證航運(yùn)安全。

圖8 航標(biāo)遙測日報數(shù)據(jù)截圖（波浪能供電）

圖9 航標(biāo)遙測日報數(shù)據(jù)截圖（太能能供電）

5 結(jié)論

本文基于振蕩水柱式波浪能發(fā)電技術(shù)，將其應(yīng)用于航標(biāo)上，經(jīng)航標(biāo)改造、現(xiàn)場投放和測試，并對比分析了波浪能發(fā)電與太陽能發(fā)電的效果。結(jié)果表明該航標(biāo)未發(fā)現(xiàn)離位狀態(tài)，航標(biāo)燈工作狀態(tài)正常，未出現(xiàn)故障，波浪能提供的蓄電池電壓為11.9V～13.0V，與太陽能電池板提供的電壓相當(dāng)，該振蕩水柱式波浪能航標(biāo)系統(tǒng)能滿足日常工作要求。該波浪能航標(biāo)系統(tǒng)的性能受環(huán)境和氣候的影響較低，在夜間和惡劣環(huán)境下仍可正常工作、性能穩(wěn)定，填補(bǔ)了太陽能夜間及惡劣環(huán)境下不能發(fā)電的缺點，波浪能相比太陽能更充足，如將波浪能與太陽能同時安裝在航標(biāo)上，可以相互補(bǔ)充，維持航標(biāo)日夜正常工作，保證航運(yùn)安全，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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