[科普中国]-振荡浮子式波浪能发电装置

简介

随着社会和经济的不断发展，以及人口数量的急剧膨胀，人类所消耗的能源也在不断增加，但是，众所周知，整个地球的能源储备量是有限的，因此，能源问题越来越受到人们的重视，近年来，由于能源危机的出现，人们对能源在人类社会中所发挥的作用有了越来越深刻的认识，无论是在社会、科技、经济的发展方面还是在人们的自身生活和工作方面，能源都有着无可替代地重要作用。目前，开发利用可再生新能源，使自身的能源结构能够得到调整，以实现能源的可持续发展，满足人类对能源的需求，己经在世界各国达成共识1。

海洋面积约占全球面积的70%，海水中蕴藏着丰富的可再生能源，这些可再生能源主要包括海洋风能、潮汐能、波浪能、海洋生物能、海洋温差能等，这些能源具有非常好的品质，是现阶段函待开发利用新能源，对这些能源进行开发利用具有十分重要的战略意义。相较于其他形式的海洋能源，波浪能是一种品质比较高的能源，而且它利用起来更加方便，因此各沿海国家越来越注重对波浪能进行研究、开发和利用，目前，波浪能己成为各沿海国家研究利用新能源的重点，政府也开始加大对这一方面的投。在大批研究者的不懈努力以及政府的大力支持下，开发利用波浪的技术得到快速发展，并在商业化市场中占据了一席之地，但是由于波浪所处的海洋环境不稳定，难以实现独立稳定发电，因此，如何克服这些困难，实现波浪能的大规模利用将是波浪能利用技术下一步发展的目标。波浪能的利用，主要就是利用其进行发电，所谓波浪能发电就是通过波浪能转换装置将海水中所蕴藏的波浪能转换为输出电能。利用波浪能发电装置输出的电能用途及其广泛，一方面它可以为海水的广泛的利用提供动力支持，比如制造氢气、利用深海的低温海水对空调进行制冷和对海水进行淡化等，另一方面它还能为远离大陆的海岛以及海面设施提供所需的清洁能源。经过实践验证，波浪能利用技术日渐成熟，我们坚信波浪能利用会有更大的发展，而且会在新能源利用领域占据一席之地2。

中国目前正处在不断地发展之中，虽然新中国成立初期，人口比较多，经济发展也相对滞后，但自改革开放以来，在政府的大力扶持下，随着各种开放政策的不断出台，中国的经济也在不断地发展，并取得了骄人的成绩。随着经济的不断发展，一些问题也会随之出现，其中一个最主要的问题就是能源的大量消耗，为了实现能源的可持续发展，开发利用新能源便成为急需解决的问题，针对目前所存在的能源问题，中国制定了一系列基本国策，如开发利用可再生能源以及清洁能源、节约使用现有能源、对能源进行充分利用提高其利用率等。

波浪能的转换根据转换方式的不同，波浪能转换装置可以分为多种形式，但总体可以分为三个环节。各个环节的作用如图2所示

第一级转换第一级转换通常由一对实体构成:受能体和定体。定体通常固定在海岸或者海洋平台上，受能体则与海浪直接接触，与定体之间形成相对运动，接受波浪能。 受能体可以是不同的类型。刚体、液体、气体，受能体不同，则第一级转化的方式也不相同。当受能体为刚体时，其转换方式为波浪能—机械能转换;当受能体为液体时，其转换方式为波浪能一液压能转换;当受能体为液体时，其转换方式为波浪能一空气能转换，其中最为常见的转换方式为波浪能一机械能的转换。

中间转换受能体不同，中间转换装置也不相同。当受能体为刚体时，为机械式转换;当受能体为液体时，为水力式转换;当受能体为气体时，为气动式转换。 在机械式转换中，能量的传递主要通过机械传动装置完成，如齿轮传动等。 在水力式转换中，能量的传递则主要通过液压传动装置完成，它无论是在调节还是在传输上，都比较灵活方便。

在气动式转换中，是用空气作为中间介质。它的优点是:发电部分不与海水直接接触，抗腐蚀性以及抗冲击性能较好;缺点是:效率比较低，通常只有10%。

第三级转换第三级转换主要是将中间转换装置传递来的转换为电能，常用的转换装置为透平机或水轮机，磁流体发电机也会在有些装置中用到，随着对波浪能转换技术的不断探索和研究，一些比较新型的发电装置也随之出现，利用压电聚合物实现能量的转换便是其中之一。

海洋平台及立柱的具体结构设计下面的章节将会讲到。双面齿条与垂直圆柱形浮体通过螺栓固连在一起，另外浮体与齿条还有两根支架相连，支架一方面可以进一步固定齿条和浮体之间的连接，另一方面可以使浮体在运动过程中保持平衡。浮体所处位置的海洋平台下方装有弹簧，以缓冲浮体和海洋平台之间的冲击力。

工作原理设计的波能转换装置主要采用波浪能--机械能--电能的转换方式。总体构想为:首先，直接与海水接触的浮体随着波浪做起伏运动，将波浪能转换为浮体所持有的机械能;其次，浮体的运动带动中间的机械传动装置运动，机械传动装置除了起到增速以及传递能量的作用外还有更为重要的一个作用，就是将浮体的往复运动转换为单向的旋转运动;最后，通过发电机将机械传动装置传递过来的机械能转换为电能。

传动部件结构简图如图2-3所示。

该装置的工作原理为:齿条①与浮体直接接触，浮体在波浪的作用下随波浪做起伏运动，从而带动齿条①做起伏运动，当浮体向上运动的时候齿条①也随之做向上运动，与齿条啮合的齿轮⑥向右旋转，齿轮⑦在单向轴承的作用下空转，齿轮⑥的转动带动大齿轮④以及与其啮合的小齿轮③转动，发电机②在齿轮③的带动下向左旋转;当浮体向下运动时，齿轮⑥在单向轴承④的作用下空转，齿轮⑦向右转动，进而带动大齿轮④和小齿轮③转动，此时发电机依然向左旋转。从而实现发电机持续的单向旋转运动。

传动装置结构设计传动装置是大多数机器的主要组成部分。在进行机械产品设计的过程中，要想知道这件产品的质量怎么样，主要就是看该产品的传动装置的设计是不是合理，传动零部件的设计是不是满足传动要求，零部件的制造以及装配是不是满足产品的设计要求。根据传动方式的不同，传动可以分为三种类型:电传动、流体传动以及机械传动。机械传动的应用非常广泛，无论是啮合传动还是摩擦传动，都属于机械传动的范畴，只是工作原理不同，它们广泛应用于各类工程实践中。进一步对机械传动进行划分，又可分为以下几种传动类型:链传动、带传动、齿轮传动、蜗杆传动。

齿轮传动不仅具有瞬时传动比高、结构紧凑等优点，同时它的可靠性也比较高，使用寿命较长，因此它是机械传动中应用最广泛的一种传动形式，同时也是一种非常重要的传动形式，齿轮传动分为开式、半开式和闭式三种传动方式。 所采用的传动方式为闭式齿轮传动，它由齿轮齿条传动以及一级圆柱直齿轮增速器构成。如图2-4所示。 该传动装置一方面可以应对波浪能发电装置恶劣的工作环境，另一方面可以满足零件的润滑要求。增速器一方面可以用于减小转矩、增加转速，满足发电机对于转速的要求，另一方面它还有一些其他重要的功能，比如改变运动的形式、改变运动的方向、进行动力和运动的传递以及分配等。

设计中，装置所适用的波浪条件为:波高H=1. 5m，波浪周期t=6s;预计实现发电功率P=12. 5Kw。所选发电机额定功率P额=15KW,额定转速n=180r/minx 波浪能发电装置具有工作环境恶劣、受力情况复杂等特点，因此与一般传动机构相比，除了要满足机械强度要求外，还应满足极端温差条件下的一些机械特性，如低温抗脆性、低膨胀收缩率等;在发电装置工作的过程中，对于传动部件来说，通常情况下这些零部件的结构会采用分体式结构或者焊接结构，齿轮毛坯尽可能采用轮辐轮缘整体锻件形式以提高零部件的承载能力，齿轮采用优质合金钢锻造毛坯以获得良好的力学特性 根据波浪条件以为发电装置的功率要求，结合材料的力学性能，可对零件的尺寸进行设计，通过校核可知，该传动设计方案符合强度要求，切实可行。特别是在对齿轮进行设计的过程中，选取了大齿宽齿轮，同时还保证了齿轮具有较高的制造精度等级，这样就可以确保传动机构运动的平稳性，避免机构在工作过程中出现点蚀、胶合等失效现象，另外传动机构的传动比选取合适，满足传动要求，结构安全可靠。

工作平台设计为了避免设备被海水、雨水等腐蚀，因此工作平台设计为一个密封的平台，可以在工作平台上设一个玻璃钢做的防护罩，防护罩能够自由掀起，以方便机器后期的维护和维修;另外，在防护罩外的平台上要留有一定的供工作人员站立的距离;对于防护罩内的整机，在安装完毕后，可以涂抹防腐蚀油漆，增强机器的腐蚀能力。在机器工作的过程中，传动装置以及发电机都处于不停运转的状态，势必引起工作平台的振动，但是装置在工作的过程中，要求工作平台要具有比较好的稳定性，这样才能保证传动部件能够平稳运转，因此选用槽钢作为工作平台的主要材料，各个槽钢直接则通过焊接或者栓接的方式进行连接;另外，为了节省材料，节约成本，传动部件与发电机需要放置在不同的支架上，但支架对位置精度的要求不高，设计时要留有一定间隙，以方便安装垫片。

总结（1）介绍了波浪能转换的流程，并对一些常用的波浪能转换方式进行了介绍和分析。

（2)对波浪能发电装置的结构进行了设计，并对其工作原理进行了分析。结构设计包括传动部件设计，海洋立柱设计以及工作平台设计，装置的大部分零部件均处在密封的海洋平台中，可以较好的避免被海水腐蚀。传动部件由齿轮齿条以及一级增速器构成;海洋立柱上部通过法兰与工作平台固定，下部与水泥柱相连，两边进行紧系泊，可以较好的起到稳固的作用;工作平台的四角分别用四个立柱支撑，上方用玻璃罩进行密封，避免零部件被海水腐蚀。

（3）将振动的浮体简化为一个弹簧质量阻尼系统，建立浮体的运动方程，对浮体的运动特性进行了分析。