[科普中国]-浮标式波浪能发电装置

研究背景

随着人类社会的不断进步以及对自然资源的不断开采，能源问题已经成为人们迫切关心的问题，为了解决人类对于能源的需求问题，各国都开始了对风能、太阳能、海洋能等可再生能源的探索和研究。

目前，我国已成为世界第二大能源生产国和消费国，能源消耗继续加剧，能源需求继续膨胀，能源问题已经迫在眉睫。未来15年我国将不可避免的面临能源的快速消耗以及需求的快速增长。能源需求预测表明：未来10年内，我国将至少需要40亿吨煤炭，即使最大限度的开采我国煤炭资源，并且大力贯彻节能减排的政策，我国仍将产生5~6亿吨标准煤的巨大缺口，甚至会高达10亿吨。

到目前为止，我国沿海地区仍有约433个有居民居住的海岛电能严重缺乏，能源已经成为制约海岛经济快速发展和实现小康社会的主要因素之一。鉴于此，为了满足人类对能源的需求，也为了缓解人类对煤、石油、天然气的过度依赖，实现人类社会的可持续发展，我国开始了对风能、太阳能、海洋能等可再生能源的探索研究。

海洋可再生能源（海洋能）主要是海流能、温差能、波浪能、潮汐能、盐差能、海洋及海岛风能和太阳能等。海洋可再生能源具有无污染、储量大、可再生等特点。

海洋可再生能源是我国重要的可再生能源资源，在促进海洋经济发展、保护生态环境、缓解能源需求压力等方面起到了重要的作用。但我国对海洋可再生能源利用率还比较低，开发利用海洋可再生能源的技术进展缓慢。为了加速我国对海洋可再生能源利用，更充分地满足经济和社会可持续发展的需要，在充分挖掘我国海洋可再生能源资源的前提下，在分析海洋资源利用技术及产业发展现状基础上，借鉴国外对海洋可再生能源开发利用的经验，提出了本文的设计思路，研制一种浮标式波浪发电装置，利用可再生的波浪能进行发电，缓解能源需求带来的压力，促进人类社会的可持续发展。1

波浪能波浪能是海洋能中最不稳定的一种能源,但其分布最广且能流密度大[6]。波浪在风、气压和水的重力等多种自然因素的综合作用下起伏运动，具有一定的动能和势能。波浪能的大小取决于波高和周期，具有无污染、密度低、分布广、可再生、储量大等优点，但利用率较低。所谓波浪能发电，即把海洋中的波浪能转换为电能的一种方式。

波浪发电主要利用海面波浪的水平运动、垂直运动和海浪中水压变化产生的能量进行发电。根据基本原理，波浪能发电装置大致可以分为四种：一是利用波浪上下的运动，直接转换成机械传动，即机械式波能转换装置；二是利用波浪上下运动产生的气流或者水流驱动涡轮机转动，例如振荡水柱式，如右图所示；三是利用波浪装置的摆动或转动产生的气流或水流驱动涡轮机发电；四是把低压大波浪变成小体积高压水，然后引入高位蓄水池产生水头驱动涡轮机发电，例如收缩水道式波能转换装置，如右图所示。

浮标式波浪能发电装置的组成与一般的波能转换装置一样，浮标式波浪发电装置也包括三级能量转换：第一级是将波浪能转换为直接与海浪接触的中间部件的机械能或者海水的位能、压能；第二级是将上一级的能量转换为机械的动能；第三级是将上一级动能通过发电系统转换为电能。如右图所示的浮标式波浪发电装置组成简图。

由图看出，在浮标式波浪发电装置中，一级能量机构是浮标，俘获波浪能转换为浮标的机械能，二级能量机构是齿轮箱和蓄能系统，将浮标的机械能转换为二级能量机构的机械能，三级能量机构是发电系统，将机械能转换为电能。

右图所示为浮标式波浪发电装置示意图，该装置主要由浮标1、浮筒2、龙门架3、齿条4等部分组成，其中浮筒内置齿轮箱换向定向系统6、蓄能系统以及发电系统8等。龙门架固定于浮标上，圆齿条通过一个旋转装置5连接在龙门架上，此处可以解决浮标在垂直波浪力以及水平波浪力综合作用下产生绕浮筒转动的问题，充分保证了齿轮齿条的啮合。浮标在垂直波浪力作用下沿浮筒上下往复滑动，在浮标上镶嵌青铜轴瓦，保证了浮筒与浮标之间的耐磨性。浮筒通过锚固定与海床上。1

工作原理龙门架安装在浮标上，齿条固定在龙门架上，浮筒通过锚固定于海床上，浮标在波浪的作用下上下往复运动，从而带动齿条在垂直方向上的往复运动，齿条通过浮筒内部的换向定向齿轮箱将其上下往复转动转换为齿轮箱输出轴沿同一个方向的转动，最后通过蓄能系统及发电机将机械能转变为电能输出。该装置的发电原理，如右框图所示。1

发电系统设计齿轮箱换向定向系统主要是实现波浪能到机械能的转化和输出，发电系统则实现机械能到电能的转化和输出。齿轮箱与发电机之间通过同步带轮传递运动和动力。

（1）发电机选择

由于浮标在波浪的作用下上下起伏位移一定，从而齿条位移一定，带动齿轮箱输入齿轮往复转动频率高，速度呈正弦变化，从而使得齿轮箱输出轴转速较低、不稳定，并且力矩不大，在没有蓄能系统的情况下对发电机的要求很高。因此，对于发电机，考虑采用低速低启动力矩的发电机，它体积小，速度低，充分节省浮筒内部的空间。并且在该波能发电装置试验初期，研究小型波力发电装置，选择小功率发电机。

（2）同步带轮设计同步带轮是通过带齿与轮齿的啮合传递运动和动力，与摩擦型带传动相比，同步带传动兼有带传动、链传动和齿轮传动的一些特点。具有传动比精确、效率高、传动平稳、噪音低、使用寿命长、中心距允许范围大、轴上压力小、能承受一定的冲击、不需润滑、较其他类型带传动结构紧凑等优点。

在浮标式波浪发电装置中，选用同步带轮将齿轮箱的转动传递到发电机进行发电，充分利用了同步带轮传动比精确、效率高、中心距允许范围大、结构紧凑等优点。对于同步带齿形的选择，选择周节制的梯形齿。1

蓄能系统在实际海况条件下，海浪在海面上的风力，海底及海岸附近的火山、地震，大气压力，日、月引潮力的作用下，海浪是无规律的时时刻刻变化着，即波浪能是不稳定的。对于本浮标式波浪发电装置来说，输入是不稳定的，在类似正弦波浪作用下，齿条的上下往复运动频率不断变化，并且行程也是变化的，导致齿轮箱输出轴的输出虽然转向是沿一个方向，但是转速不稳定，呈现波动。这样对发电机的稳定性以及发电效率产生一定影响，产生的电能也不稳定。

因此，在齿轮箱输出后应该连接蓄能系统，进行蓄能，当海浪正常时，蓄能器首先蓄能，等海浪强度小时或者海面平静无海浪时，蓄能器释放能量，保证输出轴的正常平稳输出，而不受实际海况的影响，发电机正常发电。

蓄能系统主要功能包括两方面，一方面能够使输出的机械转动更加平稳，消除其速度波动，使输出轴的输出转速在一定范围内更加稳定，另一方面就是蓄能，在波浪很小的情况下蓄能系统释放储存的能量进行蓄能，使发电装置正常发电。蓄能系统的设计将在以后的工作中进行设计，作为对本浮标式波浪发电装置的完善。2

密封和防腐该装置位于海洋环境中，因此要重点考虑该发电装置防腐和密封问题。

（1）装置密封

对于该装置密封，主要位于浮筒与上下端盖的连接处以及齿条与浮筒上端盖接触位置处，齿条通过浮筒上端盖的导向套穿过上端盖与浮筒内部齿轮箱啮合，该处的密封属于动密封。浮筒与上下端盖通过法兰进行连接，连接处的密封属于静密封，对于静密封通常用“O”型橡胶圈，或者利用橡胶垫片进行密封。对于动密封，考虑到齿条通过浮筒上端盖的导向套往复运动，传统的方形齿条难以满足耐磨、密封的要求，因此选择圆齿条，一方面可以通过轴瓦加强耐磨性，另一方面便于密封，如图2-11所示。其次，通过采用机械的方法，加长导向套的高度避免海水飞溅进入浮筒内部，该处密封会在以后的研究中继续进行完善。

2）防腐

海水属于自然状态下的强电解质，大部分金属结构会遭到海水腐蚀，受到腐蚀影响会破坏材料的耐腐蚀性能。因此，海洋环境中该装置的腐蚀主要包括两方面，一是飞溅区的腐蚀；二是大气中的腐蚀。

在海洋环境中，飞溅区是指在潮汐和波浪共同作用下时干时湿的区域。飞溅区的钢结构表面在海水、风浪的综合作用下，腐蚀比较特殊。这个部位生成的腐蚀产物不仅不能抑制腐蚀作用，反而对腐蚀过程起了促进作用。因此导致飞溅区腐蚀现象非常严重。

海洋环境下的金属结构中，一直与海水无接触的区域称为海洋大气的腐蚀环境。钢铁表面在大气中水蒸气的作用下产生一层薄水膜，这层薄水膜会使钢铁产生电化学腐蚀。。同时海水中含有氯化钠，钢铁表面会吸附氯化钠粒子，这样更有助于在钢铁表面形成腐蚀性水膜，腐蚀将不断地继续发展。海洋大气环境的腐蚀性，随温度的升高而增强。海洋大气区的腐蚀往往受多种因素影响，是各种不同因素相互作用引起的。

由于受到环境因素的影响，海洋环境中的钢铁结构，必须采用一些防腐蚀措施，比如耐蚀材料热喷涂、阴极保护或者进行表面处理等。

该装置通过选择浮筒与浮标的材料进行防腐，根据实际情况，选择浮体的材料为玻璃钢。玻璃钢即纤维强化塑料，是一种新型工程材料，具有质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀性能好，可以代替钢材制造机器零件和汽车、船舶外壳等，并且可设计性好，根据需要可以灵活的设计出各种结构产品。

玻璃钢在水面舰船中应用广泛。美国是最早在船舶工业中应用玻璃钢的国家，早在1946年就制造了第一艘玻璃钢交通艇。我国自1958年以来也研制了各种玻璃钢船。目前，玻璃钢虽然在船舶与海洋工程中已获得广泛应用，但由于存在弹性模量低、长期耐高温性能差、有老化现象、耐磨性差等缺点，玻璃钢用于建造大型舰船，目前尚受到一定限制，有待进一步研究。3