[科普中国]-摆锤式波浪发电系统

简介

波浪能是指海浪所具有的机械能，主要产生于海面上的风对海水的扰动，因此波浪能实际上是海浪吸收的风能。波浪能在所有海洋能中稳定性是最差的，但却是存在范围最广泛的一种新型能源。

涌动不息的海浪中包含着惊人的能量。根据世界能源委员会的调查，全球可利用的波浪能理论值可达109kw量级，按照世界现在的年发电量，可以供人类使用数百年1。

与波浪能的优点相比，其他传统的新能源在开发利用方面有着多方面的限制。例如，风能发电装置只能安装于风力大的地区，严重受限于地理条件，辐射范围有限。太阳能受天气因素影响较大，若遇上长期的阴雨天气，太阳能装置的发电效率将大大受损。波浪能则不同，所谓无风三尺浪，只要有海洋，就有波浪能可供利用。波浪能不仅适用于我国沿海，还适用于远海岛屿、国防、海洋开发，甚至远洋船舶。

经济方面，波浪能开发成本低廉，可以用现有的防波堤、水坝等等进行安置，易于维护和修理，此外，波浪能装置大多结构简单，造价低，利于大范围、高密度建设波浪能发电电网。

虽然波浪能储量大，前景诱人，但是由于海浪的随机性，波浪能分布不均，很不稳定，难以大规模开发利用，再加上海洋环境条件恶劣复杂，加大了开发难度，同时也导致开发成本较高。随着海洋开发程度的逐渐加深，海上作业逐渐常态化，如何高效地开发利用波浪能是一个非常具有现实意义的课题，这也是本论文主要探讨的内容所在。

波浪能发电技术的瓶颈目前，在能源危机的大环境下，世界各国对波浪能的开发利用正开展的如火如茶，部分装置己经让人看到了商业化的曙光。但是由于波浪本身的特点和发电装置工作环境的特殊性，目前的发电技术各个方面都远未达到能大规模并网发电的程度，还有一系列的难题需要解决:

一、能量转换不够稳定。这是波浪本身的特点决定的，波浪的随机性极大，忽大忽小，时而平静时而翻涌，使得装置发出的电能无法平稳并入电网，并且这种突变的特性极易对发电装置造成冲击甚至损坏;

二、无法大规模大范围利用。虽然整个地球的海洋覆盖率达到70%，但是远海大洋离岸太远无法利用，能提供可利用的近海以及沿海波浪能的区域很小，目前波浪能自然条件最好的国家是英国、西班牙等西欧国家，我国海岸线虽然辽阔，但海浪大多数都是杂波，能量分布分散，利用难度大。

三、发电效率低。虽然波浪发电装置各式各样，但都存在能量二次转换的过程，中间要浪费掉很大部分能量。目前各式各样的发电装置综合发电效率都只有10%左右，振荡浮子式发电装置把空气作为介质，一定程度上能提高一些发电效率，但也只有不到20%

四、可靠性较差。从前文提到的几种技术来看，只有岸式装置能保证较高的可靠性，离岸漂浮式装置基本不能承受极端的海况。但是为了提高发电性能，装置又不得不布置在浪大的海域，这是难以解决的矛盾。其次，由于装置长期暴露在海水中，极易出现腐蚀和海洋生物附着，对发电性能造成严重影响，寿命也大大缩短;

五、经济效益差。波浪能发电装置水下安装成本昂贵，维护费用高。另外单个装置发电效率不高，经常要布置成大规模发电场，无疑增加了安装和维护成本。此外，由于电能无法平稳接入电网，无法产生让人满意的经济效益。

摆锤式波浪发电装置方案设计整体结构设计要求各种波浪发电技术的优势和劣势，以及对摆式装置的分析，确定装置采用回转摆式结构，装置的结构要求如下:

1.体积要小。本方案旨在研发一种小型的波浪发电装置，要易于制造、搬运、集群分散布置以及维修，兼顾经济型，体积不易过大。半径不超过一米为宜;

2.可靠性要高。体积越小，在波浪中摆动的幅度越剧烈，内部结构所受的冲击力也越大，因此内部结构必须要牢固，互动部件必须限定其活动范围，并有保护机制;

3.结构简单。复杂的结构不但会降低装置整体的可靠性，增加装配及维修难度，还会降低能量转换效率。因此装置的结构要简单，尽量减少能量转换次数，提高效率。

吸能部分装置的能量吸收部分的主要功能是捕获波浪能，属于波浪直接作用的部分，要求可靠高效，牢固稳定。结合整体结构设计的要求，选择摆锤作为装置的波浪能吸收部件。箱体封装整个装置，起到隔绝海水的作用。摆锤用来吸收波浪能，将其变为自身的机械能，是装置的主要工作部分。

吸能部分工作时，摆锤要不停地旋转，并且一直经受来自波浪的不规则冲击，此外，为了达到充分吸收能量的目的，摆锤的质量会很大，通常在几十千克，所以吸能部分要十分牢固，并且具有较高的可靠性。

基于以上分析，设计吸能结构。摆锤上装有滚轮，承载摆锤的作用力，与之对应的箱体上设有滑道，由耐磨材料制成。此设计限制了摆锤的振动，使得摆锤的偏心率和质量可以设计的更大，吸收更多的波浪能，同时降低摆锤对输入轴及其相关机构的作用，提高装置的使用寿命。

能量转换部分能量转换部分是波浪发电装置的核心部分，决定着装置的工作效率。目前典型的波浪能转换技术主要有空气透平式、液压式、直线电机式，机械式等。

空气透平式系统主要使用于振荡水柱装置中，波浪振荡对空气进行压缩，进而推动电机发电，缺点是内部结构要直接与海水接触，可靠性得不到保证，且尺寸较大，不适合小型化;液压式装置内部装有液体蓄能器，把不规则的波浪能转换为液压能，驱动高速液体带动发电机旋转，可以达到稳定输出的目的，广泛应用于摆式、筏式和振荡浮子式波浪能发电装置中。但液压技术结构复杂，并且液压装置难以做到完全密封;直线电机式则是把吸能部分与发电机直接连接起来，因此能量转换率高，但是无法保证能量输出的稳定性;机械式结构是用齿轮机构把载体的动能提升，带动电机发电，结构紧凑并且不与海水直接接触，但储能能力有限，意大利Giovanni Bracco等人的惯性波浪能发电装置就采用了机械式结构。

蜗卷弹簧储能结构是机械式储能结构的一种，具有储能容量大、结构简单的特点。这种结构的原理是平面蜗卷弹簧受力扭转后产生形变，从而产生回复力，将动能转换为弹性势能，弹簧逐渐恢复原状时会逐渐释放弹性势能，这样就完成了能量的储存和转换。

蜗卷弹簧是一种由截面宽度相等的细长弹性钢材绕制而成的平面螺旋状的弹簧，如图2.2所示。当蜗卷弹簧的一端固定后，另一端受到扭矩的作用，弹簧整体发生扭转收紧，产生变形，变形的角度跟扭矩成正比。由于这种弹簧储能密度大，结构简单耐用，因此广泛应用于机械式储能结构中。

装置主要目的是可靠、小型化，输出稳定，因此综合考虑，采用机械式能量转换结构，加入蜗卷弹簧发条盒来提高装置能量输出的稳定性。

此外，由于蜗簧发条的输入力矩是单向的，输出力矩也是单向的，而吸能部分摆锤的运动是双向的，因此需要在摆锤和蜗簧之间加入齿轮变向结构。于此同时还要在发条底部加装超越离合器对蜗簧发条的扭力进行限制。

综上所述，能量转换部分由变向齿轮组、蜗簧发条盒和超越离合器三部分组成。

变向齿轮组，包括两个超越离合齿轮、辅助换向轴、辅助换向齿轮、传动轴以及两个传动齿轮，其中两个超越离合齿轮装在摆锤的转轴上，两个传动齿轮安装在传动轴上，辅助换向齿轮安装在第二层齿轮结构中间;

蜗簧发条盒，内部放置卷有一定圈数的蜗卷弹簧，弹簧的中心固定在传动轴上，外端固定在盒体上。盒体底部固定有发条齿轮，与发电机齿轮相咬合; 超越离合器，装在发条齿轮的底部，限制发条盒的能量向发电机齿轮传递，不会反向作用给摆锤。

装置工作时，摆锤在波浪作用下转动。当摆锤顺时针转动时，中心转轴带动超越离合齿轮a旋转，使传动轴逆时针转动;当摆锤变为逆时针时，中心转轴带动超越离合齿轮旋转，通过辅助齿轮，传动轴旋转方向依然为逆时针。这样就把摆锤的双向不规则转动转换成了单向转动，使得摆锤对发条的扭力始终同向。不过，此时虽然扭力转变成了同向，大小以及冲量仍然是随机性极强的，不稳定的。

随着摆锤不断旋转，通过变向齿轮机构，摆锤的能量不断向发条输送，发条被不断扭紧，弹性势能不断增加，这样就把波浪的机械能通过二次转换，变成了发条的弹性势育旨。

此外，由发条的做功过程可知，利用发条作为储能结构，除了减小能量损失外，还能使能量输出更加平稳，既有利于波浪能的充分利用，也有利于电机性能的发挥。

能量释放部分装置的能量吸收部分的主要功能是捕获波浪能，属于波浪直接作用的部分，要求可靠高效，牢固稳定。结合整体结构设计的要求，选择摆锤作为装置的波浪能吸收部件。箱体封装整个装置，起到隔绝海水的作用。摆锤用来吸收波浪能，将其变为自身的机械能，是装置的主要工作部分。

能量释放部分是整个装置的价值体现所在，所要达到的目的是把前端吸收的弹性势能转换成可利用的形式的能量进一步储存起来，或者释放出去。目前小型波浪能发电装置都是利用各种能量转换结构把能量最终转换成电能储存起来，因此本装置也采用这样的方式。

该部分由输出轴、输出齿轮、微型发电机、整流装置和电缆组成。电机齿轮与发条齿轮相连。工作时，发条齿轮受发条驱动旋转，带动电机齿轮旋转，发电机开始工作，进而产生电能。为了使能量输出更佳稳定，减小对负载工作装置或蓄电池的冲击，加装整流器，通过电缆与发电机相连，将电能转换成稳定的电流通过电缆传送出去。

摆锤的质量对发电功率的影响摆锤是吸能部分的主要部件，对发电功率产生影响的因素是摆锤的质量和旋转半径。这里主要探讨摆锤的质量对发电功率的影响。

在实际工作过程中，摆锤质量太轻会无法扭动发条，波浪平缓时无法转动，导致发电功率过低，质量太重则会加大制作、运输和布置的负担，海况等级低时惯性过大无法转动，甚至导致装置整体质量过大而沉入海底。因此，根据实际情况选取选取质量合适的摆锤，是要研究的重点。

根据摆锤运动方程可知，该方程等号左右各有一个M，可以消掉。因此，在不考虑装置与波浪的相互作用以及装置总重的理想条件下，若装置内部只有摆锤在旋转，未连接发条盒以及发电系统，那么摆锤的运动就与其自身的质量无关，而只与旋转半径有关。利用matlab程序也可以验证这一点，改变摆锤的质量对最终的转速图没有影响。

发条对发电功率的影响发条作为装置的储能机构，直接影响到装置的发电效率。发条也有“软硬”之分，“软”一些的发条容易弯曲，但储能密度较小;“硬”一些的发条受力时不容易发生弯曲，但是弯曲程度相同时，会释放出更大的弹性势能，因此能量密度要大一些。

齿轮比对发电性能的影响齿轮在装置内部各结构部件之间起连接和传递力矩的作用。由齿轮的工作原理可知，不同齿轮比的齿轮组传递的转速和力矩也不同，因此外界和内部其他条件相同的情况下，不同齿轮比所对应的发电功率也不相同。

海况等级是影响装置发电性能的决定性条件，也是开发波浪能最需要考虑的因素。只有足够大的海浪才能带来丰富的波浪能，海浪过小，摆锤不能充分摆动，自然得不到满意的发电功率，经济效益无从谈起;海浪过大，虽然发电功率也会随之增大，但是装置受海浪的冲击也大，有被掀翻甚至摧毁的危险。因此，分析给定海况中什么样的装置、或者同一个装置在什么样的海况下能获得最佳的发电性能就显得十分必要。

由于浪高是海浪大小最直接的表现，节主要探讨浪高对发电性能的影响，假设两条波浪都是严格的三角函数曲线，并且不考虑波浪与装置之间的运动藕合，以及装置在巨浪中的可靠性。