楊成英

【摘 要】雙腔振蕩式水輪發(fā)電機(jī)的探索與實(shí)驗(yàn)研究作為一項(xiàng)設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的開拓精神和創(chuàng)新能力。本文提出一種雙腔振蕩式定槳水輪機(jī)裝置的研究性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行原理探究，該裝置的工作原理是將波浪轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)的連續(xù)水流，從而實(shí)現(xiàn)波浪能轉(zhuǎn)換為電能。其次，闡述裝置相關(guān)理論，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選取相關(guān)計(jì)算模型和公式，并從波浪平面高度、波峰高度、水位差的高度等幾個(gè)方面進(jìn)行研究，進(jìn)而得出提高發(fā)電機(jī)發(fā)電效率的方法。通過對(duì)裝置的初步驗(yàn)證，該裝置有發(fā)電效率較高，能產(chǎn)生穩(wěn)定有效電力，可行性高的優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】波浪能;雙腔振蕩式;定槳水輪機(jī);連續(xù)水流

中圖分類號(hào)： TV136 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）02-0033-003

0 引言

波浪能是海洋能中最不穩(wěn)定的一種能源，但其分布最廣且能流密度大。波浪在風(fēng)、氣壓和水的重力等多種自然因素的綜合作用下起伏運(yùn)動(dòng)，具有一定的動(dòng)能和勢(shì)能。所謂波浪能發(fā)電，即把海浪中的波浪能轉(zhuǎn)換成電能的一種方式。如果能有效的開發(fā)利用海洋可再生資源，必將緩解能源供給不足帶來的壓力，有助于社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。

波浪發(fā)電裝置主要由兩部分組成：第一部分是采集裝置，負(fù)責(zé)波浪的獲取;第二部分是轉(zhuǎn)換裝置，負(fù)責(zé)將捕獲的波浪能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能或電能?；趯?duì)海浪發(fā)電機(jī)的了解，同時(shí)參考國內(nèi)外優(yōu)秀的浪流發(fā)電轉(zhuǎn)置設(shè)計(jì)[1-3]，本文提出了一種雙腔振蕩式水輪機(jī)發(fā)電裝置，該裝置是一種雙腔振蕩水柱時(shí)的波能發(fā)電裝置，將波能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)，水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)切割磁感線轉(zhuǎn)化為電能。該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，能量轉(zhuǎn)換過程簡(jiǎn)單以及波能轉(zhuǎn)電能的轉(zhuǎn)化率高，可行性大。雙腔振蕩式水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)作為一項(xiàng)設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的開拓精神和創(chuàng)新能力[4]。

1 雙腔振蕩式水輪發(fā)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

水輪海浪發(fā)電機(jī)作為一種雙腔振蕩水柱發(fā)電系統(tǒng)，其工作原理是將海浪轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的水流驅(qū)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電過程有兩個(gè)階段。階段一：當(dāng)外在的水面向上從波谷升到波峰，入射海浪將外在的水推入進(jìn)水艙，使得進(jìn)水艙的水位升高，同時(shí)，進(jìn)水艙的水又通過進(jìn)水艙和出水艙之間的水渦輪機(jī)進(jìn)入出水艙。實(shí)現(xiàn)波浪運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)的過程。階段二：當(dāng)外在的水面向下從波峰跌到波谷，出水艙的水位將跟著進(jìn)水艙的水位同時(shí)下降，而引起另一輪來自進(jìn)水艙到出水艙的水流。在這兩階段中，振蕩水柱不斷的在波浪運(yùn)動(dòng)中循環(huán)發(fā)生。在此過程中，通過兩組單向流動(dòng)閥門控制水流的流動(dòng)方向，從而產(chǎn)生穩(wěn)定、單向的水流推動(dòng)水渦輪機(jī)順利的運(yùn)轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生穩(wěn)定有效的電力。

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

雙腔水箱、高壓無刷發(fā)電機(jī)、明槽軸流式定漿水渦輪機(jī)、 三相整流橋

1.3 實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)現(xiàn)

本方案設(shè)計(jì)的發(fā)電裝置利用的是波浪從波峰到波谷的水位差，實(shí)驗(yàn)裝置的主體構(gòu)造如圖1a所示，主要由雙腔水箱、水渦輪機(jī)和高壓無刷發(fā)電機(jī)三大部分組成。雙腔水箱作為采集裝置，分為進(jìn)水艙和出水艙，進(jìn)水艙負(fù)責(zé)波浪的獲取，出水艙則負(fù)責(zé)波浪的回流，水箱側(cè)面進(jìn)出水艙處均設(shè)有單向流動(dòng)棋盤閥門，在閥門處都貼有油紙以便實(shí)現(xiàn)上艙進(jìn)水、下艙出水的效果。明槽軸流式水渦輪機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換裝置，負(fù)責(zé)將捕獲的波浪能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，水渦輪機(jī)再通過同心傳動(dòng)軸帶動(dòng)放置在進(jìn)水艙上方的高壓無刷發(fā)電機(jī)發(fā)電。由于發(fā)電機(jī)發(fā)出來的是交流電，所以需要將發(fā)電機(jī)接線連接三相整流橋進(jìn)行整理，接著連接穩(wěn)壓模塊進(jìn)行穩(wěn)壓，此時(shí)輸出的電流是比較穩(wěn)定有效的，最后再接入萬用表中顯示出數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)電效率和輸出總電能的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析。該裝置具有以下特點(diǎn)：

（1）雙腔水箱：雙腔水箱作為采集裝置，分為進(jìn)水艙和出水艙，進(jìn)水艙負(fù)責(zé)波浪的獲取，出水艙則負(fù)責(zé)波浪的回流，其優(yōu)點(diǎn)是可以有效穩(wěn)定地獲取波能并減少放射波。

（2）單向流動(dòng)棋盤閥門：水箱側(cè)面設(shè)有上閥門和下閥門，兩種閥門的尺寸一致并分別有60個(gè)方孔，在閥門處都貼有油紙以便實(shí)現(xiàn)上艙進(jìn)水、下艙出水的效果。其優(yōu)點(diǎn)是可以調(diào)節(jié)水流量，在不同波浪情況下能發(fā)出有效穩(wěn)定的電力。

為了提高單向流動(dòng)棋盤閥門的密封性，我們選擇了貼合性好的油性紙，閥門貼紙方向至下而上來貼，迎合波浪方向，我們還在上閥門的貼紙上加了釘子來增加油紙重力，如圖1b所示，閥門能夠貼合緊密及運(yùn)作規(guī)律;為了提高水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，我們通過切割進(jìn)水口的環(huán)蓋和提高水輪機(jī)的擺放高度來增加了經(jīng)過水輪機(jī)管道的進(jìn)水量，通過把出水口擴(kuò)大增加出水量，如圖1c所示，實(shí)驗(yàn)證明水輪機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電效率有了很大的提高。

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與記錄

由文獻(xiàn)可知[3]：發(fā)電效率η=發(fā)電機(jī)輸出功率P出/輸入機(jī)械功率P入，本裝置選用的是三相發(fā)電機(jī)，則輸出功率P出=1.732UI（I=0.02A），輸出機(jī)械功率實(shí)際等于水輪機(jī)的出力，因此 P入=9.81QHηt（ηt≈0.9）。由于水流量 Q= V*（3.14D^2/4）? 已知圓管內(nèi)徑D=0.06m，設(shè)裝置水位高度為h1，波峰高度為h2，根據(jù)本裝置研究可知水頭H=h1-0.12m， 流速V=2（h2-h1）/T，發(fā)電機(jī)一段時(shí)間的輸出總電能為Q=P出t=UIt，由以上公式可知，發(fā)電效率與水位高度、波峰高度和波浪周期都有關(guān)系。

首先，我們選擇了水位高度為28cm、31cm、33cm作為水位高度對(duì)本裝置發(fā)電效率的影響的探究實(shí)驗(yàn)。在記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，我們分別記錄每次實(shí)驗(yàn)下的最高電壓、出現(xiàn)頻率最高的電壓及最低電壓，再探究其中的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示（注：表格中電壓值從左到右分別為最高電壓、出現(xiàn)頻率最高電壓、最低電壓）：

根據(jù)所記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以看到三個(gè)表格數(shù)據(jù)的共同點(diǎn)都是隨著水位差的升高，發(fā)電機(jī)輸出的最高電壓值、出現(xiàn)頻率最多電壓值和最低電壓值都有所增加，且不同周期情況下的電壓值相差范圍較小。并且，當(dāng)水位高度在28cm時(shí)，本裝置輸出的電壓值相對(duì)較高。

為了對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，我們多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，并選用了實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)頻率最高的電壓值進(jìn)行如圖2所示的折線圖分析，同一水位高度和同一波浪周期條件下，隨著水位差的升高，輸出電壓也有所升高。且可以看出本裝置的水位為28cm時(shí)輸出電壓相對(duì)較高，水位為33cm時(shí)輸出電壓相對(duì)較低。綜上，根據(jù)理論公式計(jì)算可得，本發(fā)電裝置的效率基本在80%以上。

2 拓展性實(shí)驗(yàn)

因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)裝置運(yùn)用到水位差的原理，所以我們大膽的提出了一個(gè)猜想，是否能夠通過減少進(jìn)水腔的長(zhǎng)度從而提高進(jìn)水腔內(nèi)的水位高度，與出水艙形成更加明顯的水位差，以此提高水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，增加發(fā)電裝置的發(fā)電效率。

由前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)下，我們選擇了輸出電壓較大的兩種狀態(tài)下的水位和波峰進(jìn)行改變出水艙體積的實(shí)驗(yàn)，分別為水位28cm波峰36cm時(shí)和水位31cm波峰39cm時(shí)。我們利用泡沫板改變實(shí)驗(yàn)裝置初步得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2和表3所示：

圖中的數(shù)據(jù)可以初步判斷我們的猜想擁有一定的可研究性，出水艙減小體積后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)于之前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都高，說明出水艙的體積對(duì)水位差的值有影響的，因此，這將成為本實(shí)驗(yàn)裝置的下一個(gè)研究方向。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄分析，本文提出的雙腔振蕩式水輪發(fā)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：裝置為模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相對(duì)其他類型的發(fā)電裝置制作過程更加簡(jiǎn)便，完成可能性大。

（2）性價(jià)比高：裝置需要的零件較少，購買零件的費(fèi)用不算高，且容易購買。

（3）可靠性大：需要水下運(yùn)動(dòng)部件數(shù)量少且易于維修，可靠性高。

（4）利用率高：設(shè)計(jì)閉合的雙腔室和明槽軸流定漿作為轉(zhuǎn)換裝置，能量轉(zhuǎn)換過程簡(jiǎn)單且能量利用率高。

（5）穩(wěn)定性大：裝置設(shè)有單向流動(dòng)棋盤閥門調(diào)節(jié)水流量，水流幾乎可以恒定并且單向驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，可以有效地產(chǎn)生穩(wěn)定的電力。

（6）設(shè)計(jì)閉合的雙腔室和明槽軸流式水輪機(jī)作為轉(zhuǎn)換裝置，發(fā)電機(jī)直接與軸流式水輪機(jī)連接，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量轉(zhuǎn)換過程簡(jiǎn)單，大大減少了轉(zhuǎn)換過程中能量的損耗，能量利用率高，發(fā)電效率能穩(wěn)定在80%以上。

（7）本裝置采用的能量轉(zhuǎn)換裝置時(shí)軸流式定槳水輪機(jī)，相比于轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到90%，但機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格更昂貴的軸流式轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)，在應(yīng)用于小型發(fā)電裝置上性價(jià)比更高。

4 總結(jié)

本文闡述了雙腔振蕩式水輪發(fā)電機(jī)裝置的相關(guān)理論，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選取了相關(guān)計(jì)算模型和公式，并從波浪平面高度、波峰高度、水位差的高度等幾個(gè)方面進(jìn)行研究，進(jìn)而得出提高發(fā)電機(jī)發(fā)電效率的方法。通過對(duì)裝置的初步驗(yàn)證，該裝置有發(fā)電效率較高，能產(chǎn)生穩(wěn)定有效電力，可行性高的優(yōu)點(diǎn)。雙腔振蕩式水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)作為一項(xiàng)設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)有效的開發(fā)利用海洋可再生資源，緩解能源供給不足帶來的壓力，保證社會(huì)的持續(xù)發(fā)展具有一定的理論參考價(jià)值。

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