[科普中国]-漂浮直驱式波浪能发电装置

简介

漂浮直驱式波浪能装置是通过直线电机将波浪能转换成电能的一种新型发电装置、负载控制技术是波 浪能发电中的关键技术之一，负载控制一方面可调整装置的运行状态，另一方面可优化装置的转换效率，负载控制系统可按照直线电机输出电压的大小自动调整装置的负载大小，负载分为3级:基木负载、一级负载、二级负载试验表明，负载控制系统实现了按电压进行分级控制的目的，为实海况下按照平均波高分级控制打下了基础、海洋能是清洁的可再生能源，开发利用海洋能对缓解能源危机和环境污染具有重要的意义。波浪能是分布最广泛的一种海洋能，波浪能的利用有很多种形式。目前，世界上波浪能利用技术大致分为振荡水柱(OWC)技术、摆式技术、筏式技术、点吸收式(振荡浮子)技术、鸭式技术等。点吸收式技术近年来发展很快，该技术采用浮子俘获波浪能，通过与浮子连接的液压装置将波浪能转换成液压能，再通过发电机转换成电能。目前建成的点吸收式装置有英国的AquaBuoy装置、阿基米德波浪摆以及波浪骑士装置1。

波浪能发电装置的转换效率和所带负载有很大关系，负载过重和过轻都不利于提高装置的转换效率。负载控制既能够优化装置运行效果，又能够提高装置的发电效率。为了使发电系统稳定和高效地运行，设计了波浪能发电装置的负载控制系统，并论述了该系统的设计思想、实现方法和试验结果2。

研究了岸式波力电站的测试和负载控制技术，通过定负载、变转速、定转速三种策略研究了振荡水柱式波浪能装置(OWC)的输出控制技术。研究了太阳能、风能最大功率点跟踪的原理和实现方法。为了提高波浪能装置的转换效率和优化装置的运行效果，对漂浮直驱式波浪能发电系统的负载控制方案进行了研究。

漂浮直驱式波浪能装置发电的原理漂浮直驱式波浪能发电装置由振荡浮子、水下附体和直线发电机等组成。水下附体上有一刚性圆筒伸出水而，直线电机的线圈装在圆筒内，磁轴同振荡浮子相连，在波浪作用下，振荡浮子同水下附体产生相对运动，驱动直线发电机输出电能。负载的大小会直接影响到振荡浮子的运动速度和幅度，波浪能装置的负载大小应根据波况进行自动调节。

负载控制原理能量转换机构通过克服阻尼将一种能量转换为另一种能量。最佳阻尼是能量转换的特性，其作用不是实现能量的高效转换，而是能量的高效俘获。因此，一个优秀的能量转换系统，不仅要实现高效转换，还要为能量俘获系统提供最优阻尼。任何一个电源，例如发电机、电池或各种信号源，都含有电动势和内阻。

漂浮式直驱波浪能装置初步设计方案经过对现有的波浪能发电装置的研究分析，发现当下技术装备的主要缺点是多级传动波能利用率低，装置结构复杂加工制造不便，设备安装结构系统不稳定，电能后处理系统输送困难等。针对以上的技术需求，研制了以下的漂浮式直驱波浪能发电装置。

基于现有的国内外水平轴式波浪能发电设备的结构和设计理念。该装置主要由一个机架、两个浮筒、一个鞍型焊件、一个轮机、一个主轴、一个变速箱、一个发电机和锚链等部件构成，在浮筒的两侧对称安放着两个相同的圆形浮筒，他们和机架之间利用鞍型焊件进行安装固定，为了最大程度地降低水流对浮筒的冲击在浮筒两端球形面与圆柱体之间切成一定角度的圆角，该装置设计时为了实现较大功率的传动，采用了独特的大传动比变速箱，通过它来链接水轮机的主轴和发电机。该波浪能发电装置的工作原理:海洋中海浪的流动经过水轮机时带动水轮机上的叶轮进行旋转，水轮机通过主轴带动变速箱内的轴转动，接着变速箱内的轴通过联轴器与发电机联动，发电机一旦开始运转即意味着发电过程的开始，实现了波浪能发电的整个程序。整个装置可以不需要固定安装在某一个平台上，它能够借助于机架两侧的浮筒漂浮在海面上，然后通过锚链将整个装置系泊起来，稳定可靠。该装置的独特之处还在于一改己有装置的多级传动方式，采用主轴直连的单级传动结构，使得能量在多级转换环节中的损耗大幅下降，提高了整个装置的波浪能利用率。

该漂浮式直驱波浪能发电装置主要是通过水轮机叶片在波浪力与潮流力合力作用下旋转来带动电机转动发电，从而完成对波浪能量吸收转换。在深入参考了流体动力学的有关原理之后，为了尽可能地降低水轮机叶片受到负面阻力，选择了NACA663系列翼型作为该款漂浮式波浪能发电装置水轮机叶片的形状，它能偶使得海流在经过其表面时流速相同，从而实现阻力最小化。

波浪能发电装置主要部件的研究采用的漂浮式直驱波浪能发电装置水轮机的浪翼表面参考航空技术机翼采用流线型扁平结构，接触面积大，在转动过程中也有利于分开海水，减小阻力;浪翼两端各固定一个弧状翼尖，起保护浪翼和分流作用，弧状翼尖用螺钉固定在螺纹孔位置;浪翼内部空间大部分是空的，这样既减轻重量，又使结构坚固。这样浪翼能在海浪和海流的冲击下快速的转动，带动电机发电。

的波浪能发电装置水轮机采用固定攻角式的浪翼作为课题的研究对象，它的安装也很简便，直接固定在由主轴和法兰连接在一起的支撑板上;主轴两端分别固定在机架上，在主轴的右侧右端通过联轴器使电机能够连在一起，主轴的旋转直接带动了电机的运转减少了多余转换环节对能量的损耗。

为了提升计算效率，我们对叶片建立二维模型并分析它在流场中的各项数士此处我们简化了模型，对叶片两端能量的损耗和支撑板、法兰以及主轴对选定}l场的影响不予考虑，因为水轮机在叶片高度处的截面每一刻都是相同的。

展望由于时间和条件的原因，本论文只是对新型装置的叶片进行了二维仿真分析，简化了波浪在实际海域中的作用，因此，研究后续还有很多工作可以进一步开展下去，希望能在接下里的研究中能做到以下几点:

(1>使用Fluent对叶片进行动网格划分，建立三维模型，提高对水轮机仿真计算的准确度。

(2)海洋可再生能源的发电电机的匹配问题有待进一步改善研究，是影响能量捕获的主要因素之一。

(3)海洋环境下，在风、浪、流多场祸合力的作用下，机构设备以及系统整体的防腐、稳定性、强度等长期耐久性问题有待进一步完善，因此机构及系统应体现结构工艺性好、便于安装拆卸、系统组成简单易行。