[科普中国]-岸式波浪能发电装置

简介

在对江河水能的利用上，目前主要是通过筑建大坝提高水位，利用水的势能来发电，其能量利用形式单一、波浪的运动分为水平和竖直两个方向，其对应着两种不同形式的能量、针对这一特点，在对江河沿岸波浪运动情况进行了调查和分析后，设计出一种以直线发电机为基础的新型波浪能发电装置;对两种不同形式的能量分别进行收集，并对其具体结构和工作原理作了详细描述、该发电装置利用波浪在水平方向的运动推动挡板水平运动，利用波浪在竖直方向的振动带动浮子上下运动，由传动装置带动直线发电机的线圈和磁铁反向相对运动，从而产生电能，实现对江河沿岸波浪能的充分利用、随着全球能源危机愈演愈烈.新能源的开发利用成为日益重要的课题。我国江河众多，闻名于世界的大河就有长江与黄河1。以长江为例，长江水系十分发达，长江有支流5000余条，水能资源丰富，因此，江河波浪能开发利用的意义尤为重大。目前我国江河波浪能的开发急需解决的问题就是如何充分利用波浪能，使其真正为可持续发展做贡献。

波浪能的应用波浪能主要是指海洋表而波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期等因素相关。波浪能以机械能的形式存在，是海洋能中品位最高的一种能量2。目前对波浪能的利用主要局限于海洋，从上世纪70年代开始，有许多沿海国家积极开展了对海洋波浪能的研究与开发。其中，英国在上世纪80年代初就已成为世界波浪能研究中心，于1990年和1994年分别在苏格兰伊斯莱岛和奥斯普雷建成了75kw和2000OkW振荡水柱式和固定式岸基波力电站。日本的波浪能研究与开发也取得了相当大的成就，从上世纪80年代中期至今，日本已建成4座波力发电站，单机容量为40-125 kw。然而，在海洋波浪能的应用已经逐渐走向商业化应用时，江河波浪中所蕴含的大量波浪能的开发利用却仍处于初级阶段2。

近岸波浪能特点江河波浪能稍有别于海洋波浪能，主要以水平方向运动所具有的动能为主，同时存在势能，其能量相对于海洋波浪能较低。为实现对江河波浪能的充分利用，必须解决目前江河波浪能发电所而临的三大难题:一是固定问题，由于江河多为水运要道，发电装置须不影响航运，且由于波浪能很不规律，浮于水而的发电装置易受波浪冲击;二是稳定性问题，由于波浪的运动没有规律性和周期J哇，受技术限制，波浪能发电装置只能将吸收来的不稳定波浪能转化为不稳定的电能;三是效率问题，江河中的波浪能相较于海洋波浪能能量较小，必须提高波浪能的利用效率才有实用价值。

江河波浪能是一种取之不尽的可再生清洁能源，且其分布而广，以武汉为例，就有长江、东湖等水系。目前江河波浪能的利用仅限于小功率发电，主要应用于导航浮标、灯塔等设备，波浪能的利用仍有很大的开发空间，具有良好的应用前景。

装置的技术方案新型岸式波浪发电装置结构如图1所示。装置主体部分包括能量采集装置、能量传递装置和直线发电机，其中能量采集装置包括水平挡板和浮子，浮子与水平挡板在水平而内大致处于同一条线上，但浮子漂浮在水而上，挡板则部分插入水中;能量传递装置主要有杠杆机构、滚子传动机构(包括上滚子和下滚子)及弹簧等，杠杆一端与浮子相连，另一端与直线发电机的磁铁相连，用于实现浮子与直线发电机的磁铁之间的能量传递。下滚子与水平挡板相连，能随挡板一起在水平方向做往复运动，上滚子通过连杆与直线发电机的线圈相连。该装置具有3组弹簧，其中两组置于直线发电机内部，两组弹簧的一端分别与磁铁或线圈相连，另一端均与该发电装置外壳相连。装置与岸边的基座固连，且基座锚泊于岸边。

装置的技术实现装置中直线发电机的线圈和磁铁分别与挡板一滚子机构和浮子一杠杆机构相连。当入射波浪运动至能量采集装置挡板和浮子附近时，挡板承受波浪的冲击作用实现对其动能的收集，并随入射波浪做同一方向的水平运动，带动上滚子使其沿挡板上部轨道做竖直向上的运动，与上滚子相连的线圈也做竖直向上的直线运动;同时浮子将其势能转化为动能并向上运动，通过连杆使磁铁做竖直向下的直线运动，进而实现磁铁与线圈做相反方向的直线运动。波浪退去时，固连在挡板上的弹簧不断地释放其在波浪入射过程中储存的弹性势能，并将其转化为挡板的动能，实现挡板的返回运动，上滚子也沿其上部轨道运动，带动与之相连的线圈做竖直向下的直线运动;同时浮子随波而下降而向下运动，通过连杆使磁铁做竖直向上的直线运动，同样能够实现磁铁与线圈做相反方向的直线运动。

直线发电机线圈与磁铁的反向相对运动，实现了直线发电机发电效果的叠加，使直线发电机处于高效工作状态。此外，考虑到同一列波在其传播过程中形状近似为一条直线，可沿此直线方向设置多个发电装置，并通过多装置的并联整流，实现较大功率输出。

装置的应用新型岸式波浪发电装置的三维立体图如图5所示。该装置主要分布于江河沿岸或海岸，依照岸边的具体地理特征灵活设计基座以实现整个装置的固定，参考特定水域波浪的波高等具体特征参数来调整装置的水平挡板与浮子的结构尺寸，以实现对装置的优化，进而实现对各个方向波浪能的高效利用，达到最大的发电效益。

总结利用波浪能分别带动水平挡板一滑轮机构和浮子一杠杆机构上下往复运动，使其连接端的线圈和磁铁反向相对运动切割磁感线，实现波量能的利用，按照这一原理，对波浪能的发电装置进行了设计。通过对装置在运动过程中的受力分析进行simulink建模，并应用M atlas)编程模拟输入波浪，得到装置输出电势的波形图，电势近似为正弦波，幅值约为34 V.