一种小型海浪发电装置的研究实践

文章编号：2095-6835（2022）18-0009-04
一种小型海浪发电装置的研究实践＊
詹映柔1，2，潘永馨1，王英如1，刘朕廷1，马颖1
（1.广州大学物理与材料科学学院，广东广州510006；2.中国科学院大学国家天文台，北京100101）
摘要：在对国内外现有的海浪发电装置进行分析研究基础上，结合海浪特点提出了一种新型的海浪发电装置设计方案。

论证了工作原理，完成了装置制作。

该海浪发电装置体积小巧，能量转换环节少，发电效率高，通过试验，在模拟浪高6.5cm的情况下，可达到119mA的电流峰值。

这种小型海浪发电装置可满足日常照明等生活用电需求，具有较好应用前景。

关键词：小型海浪发电装置；直驱式；海浪能；能源转化
中图分类号：TM612；P743文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2022.18.003
海浪是一种凌乱的波动现象，浪高和波形都会发生变化且同调性很差[1]。

因为海浪具有凌乱、反复无常的特性，将其转化为机械能再用于发电具有较大困难，所以至今为止，仍然没有任何一项海浪发电装置能够实现真正的商业运转。

1现有海浪发电装置分析
目前国内外已有的海浪发电装置主要可分为衰减式、点吸收式、摆荡式、越顶式、水柱振荡式、沉潜压差式六大类型，外加不易归纳的其他类型。

1.1衰减式
“海蛇号”为此类装置的代表。

工作时装置沿海浪传播方向漂浮于水面上。

取能浮体在海浪作用下做上下起伏运动带动各节铰接处相对转动，从而推动内部的液压缸往复运动将流体压入储能器中，液压马达在高压流体作用下旋转带动电机以输出电能。

但是该类装置取能浮体质量较大难以适应海浪的快速变化。

装置较为精密难以维修且只能拦截有限范围内的海浪[2]。

1.2点吸收式
该类装置的取能浮体漂浮海面，在海浪作用下带动水下管内部的活塞上下运动，一般也取用活塞推动液压缸压缩流体使液压马达旋转的方式带动电机工作。

但此类装置只能利用海水上下运动的动能，且装置的成本较高。

较为著名的有PowerBuby装置。

1.3摆荡式
这种类型以Oyster装置为代表。

装置的浮力摆被浸泡在水中，在海浪的作用下做来回摆动运动。

浮力摆驱动水压活塞产生高压流体，再通过在海底用长管路将高压流体输送到陆地的蓄能装置并驱动涡轮发电。

但是摆动时装置背后会激起波浪导致能量耗散。

1.4越顶式
此类装置先让海浪越过蓄水装置边缘进入蓄水系统，利用积蓄的海水的势能推动叶轮机带动电机发电。

这类装置没有直接利用海水的动能，效率较低。

1.5水柱振荡式
该类装置空腔中的水柱在海浪的作用下被推动，做上下往复运动。

水柱的运动驱动空腔中的气体。

在共振情况下，空腔中的气体将会在装置通道中做往复运动，从而驱动涡流机发电。

但该装置对工作水深与岸线长度有较高的要求[3]，且海面升降的速度相对较快，能量转换效率不高。

1.6沉潜压差式
查阅相关资料，该类海浪发电装置至今未有实际完成的海浪发电装置模型。

以上几种类型的海浪发电装置存在不少局限：能量转化的次数较多，转化效率不高；采用的取能浮体和机械较为笨重，对海浪的迅速变化不能及时响应；还有部分装置设计较精密，维护成本高；还有的装置施工和加工困难[4]。

2创新海浪发电装置设计的提出
现有海浪发电装置的设计思路大多是先将混乱的海浪能转化成稳定的机械能，再将稳定的机械能转化为稳定的电能，如图1所示。

这种设计思路的局限在于，将混乱的海浪能转化为稳定的机械能的过程中能量损耗较多，造成浪费。

——————————————————————————＊项目来源：广州大学第17届“挑战杯”立项资助项目
图1现有海浪发电装置设计思路
设计团队针对性地提出一种创新的海浪发电装置设计思路，如图2所示。

方案思路创新之处在于将混乱的海浪能直接转化为不稳定的电能，从而避免了使用精密的笨重机械将其转化为稳定的机械能的过程。

且现有的技术能便捷地实现将不稳定的电能高效地转
化成稳定的电能输出。

图2自制海浪发电装置设计思路
装置设计方案：构建一个海上平台将发电机芯悬浮于海面上，取能浮体直接随海水摆动从而驱动发电机芯中的强磁体切割磁感线感应发电，将凌乱的海浪能直接转化成不稳定的电能，再通过成熟的整流技术将不稳定的电能转化成较稳定的电能。

3海浪发电装置制作
设计团队所制作的直驱式海浪发电装置主要由海上平台、浮筒、直驱式发电装置、取能浮体和发电显示装置构成。

海上平台如图3所示，用于挂载取能浮体和直驱式发电装置，可视实际需要延长其横梁长度以挂载多组装置和抵御风浪。

且随着海上平台的延长，海上平台的稳定性也越高。

制作了如图4所示的浮筒，可以托起海上平台，且浮筒下部安装阻滞板，使装置整体能在海中保持相
对固定的位置。

图3
海上平台
图4浮筒自行制作的直驱式发电机芯，如图5所示，与取能浮体连接的线经滑轮调整方向后牵引强磁体在线圈
管中往复运动，磁体切割磁感线感应发电。

图5
直驱式发电机芯
采用高密度泡沫材料制作了取能浮体，如图6所示，其质量与转动惯量都较小，能及时响应海浪的波动。

工作时取能浮体随海水摆动，因设计形状独特，当其向下摆动时，后部不易激起浪花，避免了由此造
成的能量浪费且能利用各个方向的海浪能。

图6取能浮体
直驱式海浪发电装置如图7所示。

选取发光二极管焊接的广州塔模型作效果展示用，如图8所示，发电装置工作时可以同时供广州塔模型上的64盏LED
灯发光。

图7
直驱式海浪发电装置
图8装置发电效果
4海浪做功与发电的功率计算
设取能浮体所受重力和海浪作用力的合力为F （t ），在足够长的时间内，浮体上下摆动高度变化可视为零，故此合力对浮体做的功等于海水对浮体做的功。

忽略海水对取能浮体的黏滞力，设发电装置负载时磁阻力F md 与取能浮体速度成正比，且β为比例系数，有：
v t
x
F ββ
-d d -md ==则取能浮体的运动方程为：
）（）（j
j j
j a A t F t x t x m +==+∑ωβcos d d d d 22方程的解为：
）（）（j
j j j
j j
j
a t m A t x φωωβω+++=∑cos 1
-2
242其中：
j
j m ωβ
φ=
tan （1）
由式（1）可求得海浪对取能浮体做功功率为：
）（）（）（k
k k j j j k
j
k
j k
j
a t a t m m A A t P φωφωβ
ωβ
ωβ++++⨯
++=∑
∑
sin sin 2
22
2
2
2
wave 功转化为电能的功率为：
）（）（）
（k
k j j j j
k
j k
j
a t a t m A A t P +++⨯
+=∑∑
ωφωβ
ωβcos sin 2
2
2
y Electricit 而取能浮体动能的变化率为：
）（）（k
k k j j j k j k k j k
j
a t a t m m m
A A t
K
φωφωβωβ
ωω++++⨯
++=∑∑
cos sin d d 2222
22（2）可得：
t
K
t P t P d d y Electricit wave +=）
（）（（3）
式（2）（3）中：K 为浮体动能。

在较长时间间隔T 中转化为电能的功为：
⎪⎭
⎫
⎝⎛+=∑
T m A W j
j j
212222y Electricit βωβ
在时间足够长的情况下，发电装置发电的功率可
视作等于海浪对取能浮体做功的功率。

5
装置试验
试验过程采用一个大型水箱来模拟海浪环境。

将一组发电装置放置在水面上，并在设置水位尺记录模拟浪高，将海浪发电装置的输出端接于电流表上。

用大块泡沫以手动方式按一定频率推动箱中的水，并观察发电装置附近浪高的变化以及海浪发电装置输出端的电流峰值变化。

当浪高峰值在15s 内不发生明显变化时，记录下浪高峰值与输出端电流峰值。

多次重复操作试验，并记录多组试验数据。

6
数据分析
试验过程的原始数据记录如表1所示。

其中，“浪高”是指模拟海浪水面与静止水面的高度差。

图9中I 表示输出端电流峰值，h 表示浪高峰值。

通过试验可知当浪高峰值达到6.5cm 时，装置输出端的电流峰值可达到119mA 。

表1
浪高峰值与输出端电流峰值试验数据记录表
浪高峰值/cm
输出端电流峰值/mA
第一组第二组第三组平均值
2.055606058
3.070758276
4.010********.5109113105109
5.01031051151085.5110110113111
6.01091151201156.5122117119119
图9
浪高峰值与输出端电流峰值关系图
将试验采集的数据，通过python 软件直接分析的方法[5]，计算出浪高峰值与输出端电流峰值之间的相关系数全部大于0.93，如表2所示，即浪高峰值与输出端电流峰值之间的相关系数较高，说明二者之间具有较强相关性。

I /m A
h /cm
表2浪高峰值与输出端电流峰值的相关性
试验数据相关系数
第一组0.9458
第二组0.9323
第三组0.9706
平均值0.9662
海浪发电装置输出端电流峰值随着浪高峰值升高而升高，但是升高速度越来越慢，最终趋于稳定，表明装置发电量是有限的。

相对于该装置的较小体积，其发电量已是较为可观的[6]。

7总结与讨论
利用python软件对“浪高峰值与输出端电流峰值平均值关系曲线”进行拟合，如图10所示，得到多项式拟合曲线为0.04226x5－0.1082x4－6.243x3+52.28x2－127x+153.7，且得到了较好的拟合优度：R2=0.9951。

通过图10的拟合曲线可以预测得到当海浪高度达到0.1m时，输出端电流可达到1012.199mA。

图10浪高峰值与输出端电流峰值平均值关系图
英国物理学会主办的第三届绿色能源及可持续发展国际会议于2020-11-14发表的一个往复波发电装置，最大电流仅为9.66mA，最大电压仅为7V[7]。

目前我们的装置在较低的浪高情况下得到的电压可达到10V以上，电流可达到119mA，是其他同类装置的10倍以上。

根据国家海洋预报台对中国海岸线某一天的24h
海浪预报，风平浪静的天气，靠近海岸的位置海浪高度一般超过80cm。

从发电效率来看，目前我们的装置已经能够满足日常照明需要，且在原理和技术上都具有可行性，值得进行下一阶段的研究和试验。

参考文献：
［1］韩冰峰，褚金奎，熊叶胜，等.海洋波浪能发电研究进展［J］.电网与清洁能源，2012，28（2）：
61-66.
［2］赵裕明，李岩，王志岩.国外海浪发电装置的研究现状［J］.农机使用与维修，2018（1）：17-18.［3］杨家武，辛玉超，杨帆.海浪发电的典型装置和发展趋势［J］.科技创新导报，2015，12（9）：72-73.［4］苏维成，吴有志，张勇，等.浅谈海浪发电技术［J］.
科技创新与应用，2017（34）：25-26.
［5］康庆，肖曦，聂赞相，等.直驱型海浪发电系统输出功率优化控制策略［J］.电力系统自动化，2013，
37（3）：24-29.
［6］徐丙州，臧天朔，王泽豪，等.综合利用波浪势能与流能的发电装置［J］.科技与创新，2020（7）：
32-33.
［7］DING N，YANG J，CHENG H，et al.Design of reciprocating wave power generation system［C］
//IOP conference series：earth and environmental
science，Shenyang：IOP Publishing Ltd，2021.————————
作者简介：詹映柔（1998—），女，广东揭阳人，广州大学物理与材料科学学院2017级物理专业本科生，中国科学院大学国家天文台2021级研究生。

通讯作者：马颖（1964—），女，广州大学物理与材料科学学院副教授，主要研究方向为光学薄膜特性、物理教育。

（编辑：张超）
————————————————————————————————————————————————（上接第8页）
等功能，可在设置好路线后，全自动消毒，无需人工控制。

利用消毒机器人进行消杀作业不仅有效减少了人员接触风险，降低了人工成本，还大大提高了公共场所大面积的消毒工作效率。

参考文献：
［1］国家电影局下发《关于在疫情防控常态化条件下有序推进电影院恢复开放的通知》［J］.现代电影
技术，2020（8）：63-64.
［2］莉.机器人、人工智能产品纷纷投入一线防疫工作［J］.机器人技术与应用，2020（2）：14.————————
作者简介：高涵（2002—），男，本科在读，主要研究方向为机器人工程设计。

（编辑：王霞）
①实测曲线
②拟合曲线①
②。