多向联轴式波浪能发电装置的设计与研究

２０１８年第７期２０１８Ｎｕｍｂｅｒ７

水电与新能源

ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲＡＮＤＮＥＷＥＮＥＲＧＹ第３２卷Ｖｏｌ.３２

ＤＯＩ:１０.１３６２２/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ４２－１８００/ｔｖ.１６７１－３３５４.２０１８.０７.０１７

收稿日期:２０１８－０５－２８

作者简介:屈书恒ꎬ男ꎬ本科生ꎬ专业研究方向:水利水电工程ꎮ多向联轴式波浪能发电装置的设计与研究

屈书恒ꎬ黄佳晟ꎬ李家誉ꎬ徐㊀欢ꎬ周子嫣

(武汉大学水利水电学院ꎬ湖北武汉㊀４３００７２)

摘要:波浪能是一种开发前景巨大的清洁能源ꎬ其发电装置已成为研究热点ꎮ在探索的基础上提出了一种多向联轴式

的波浪能发电装置ꎬ它包括俘能系统㊁机械转化系统和发电系统三大部分ꎮ结合海浪理论和计算原理ꎬ预估该装置的整机理论效率可达３８.０％ꎬ是一种高效率的发电装置ꎮ

关键词:波浪能ꎻ发电装置ꎻ效率ꎻ前景

中图分类号:ＴＭ６１㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７１－３３５４(２０１８)０７－００７６－０３

ＤｅｓｉｇｎｏｆａＭｕｌｔｉ￣ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＣｏｕｐｌｉｎｇＷａｖｅＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＵｎｉｔ

ＱＵＳｈｕｈｅｎｇꎬＨＵＡＮＧＪｉａｓｈｅｎｇꎬＬＩＪｉａｙｕꎬＸＵＨｕａｎꎬＺＨＯＵＺｉｙａｎ

(ＳｃｈｏｏｌｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＷｕｈａｎ４３００７２ꎬＣｈｉｎａ)

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ｃｉｅｎｔｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅａｎｄｈａｓｂｒｏａｄｐｒｏｓｐｅｃｔｓｆｏｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｗａｖｅｅｎｅｒｇｙꎻｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｕｎｉｔꎻｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎻｐｒｏｓｐｅｃｔ㊀㊀随着全世界人口的快速增长ꎬ整个社会对能源的需求量显著增加ꎮ长期以来ꎬ整个社会的能源消费结构以化石能源为主ꎬ随着人们环保意识的提高ꎬ人们开始减少对化石能源的依赖ꎬ并开始使用各种清洁可再生能源ꎮ有关文献预测在２０５０年可再生能源的供应比重将会达到３５％[１]ꎮ广阔海洋中蕴藏着包括波浪能㊁潮汐能㊁海流能㊁温差能㊁盐差能等在内的巨大的能源[２]ꎮ其中ꎬ波浪能储量巨大且分布广泛ꎬ是最值得开发利用的海洋能ꎮ据估算ꎬ全世界可利用的波浪能达到１０８ｋＷ量级[３]ꎬ有着广阔的发展前景ꎬ因此成为全世界海洋能研究开发的重点ꎮ

波浪能发电发展至今ꎬ出现了各式各样的波浪能发电装置ꎬ其中具有代表性的装置有:振荡浮子式㊁振荡水柱式㊁ 点头鸭 式㊁聚波蓄能式㊁阀式等[４]ꎮ目前投入使用的大多数都是大型的㊁大功率的设备ꎬ并且装

置建造费用昂贵ꎬ施工困难ꎮ除此之外ꎬ大多数的发电装置都是利用波浪能的半波转化ꎬ效率普遍比较低ꎬ得到的电流不稳定ꎬ电能质量不高ꎬ这些因素极大地制约了波浪能发电装置的发展ꎮ

本文提出了一种新型的小型化波浪能发电装置ꎬ突破了传统半波转化的限制ꎬ实现了全波转化并输出稳定的电流ꎬ提高能量的利用效率和电能质量ꎬ有效地解决了目前波浪能发电装置的不足ꎬ并且装置的可靠性也能得到保证ꎬ为波浪能发电的发展提供新的思路和方向ꎮ

１㊀系统与装置特色

传统的波浪能发电装置可分为俘能㊁机械转化和发电三大部分ꎬ本文设计的波浪能装置在沿用传统发电装置设计理念的基础上加以改进ꎬ将整个装置进行

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屈书恒ꎬ等:多向联轴式波浪能发电装置的设计与研究２０１８年７月

模块化的设计ꎬ最后组合成整体见图

１ꎮ

图１㊀波浪能发电装置

水平方向俘能部分ꎬ我们创新的提出利用椭球外壳来捕捉来波方向ꎬ这样能够最大程度利用波浪能ꎻ外壳捕获的能量将由重锤来进行转化ꎬ变成旋转的机械能ꎮ

竖直方向俘能部分采用漂浮式波浪能发电装置的俘能方式ꎬ但在此基础上结合弹簧的弹性势能的吸收与释放ꎬ实现波浪能的俘获ꎬ然后通过纺锤体将波浪能转化为旋转的机械能ꎮ

机械转化部分ꎬ通过引入棘轮机构ꎬ实现了半波转化向全波转化的转变ꎬ大大地提高能量利用效率ꎮ同时ꎬ将水平和竖直方向的转动统一到同１根轴上ꎬ实现了联轴转动ꎬ使得装置更简便可靠ꎮ

发电系统在传统的发电机的基础上ꎬ加入了发条稳速机构ꎬ目的是使得输出稳定的电流ꎬ提高电能的质量ꎮ

本设计的能量转换过程分为三个部分:一次转换(波浪能转换为机械能)㊁二次转换(机械能的传递)和三次转换(机械能转换为电能)ꎮ整个装置总的发电效率取决于这三级分别的转换效率ꎬ设发电装置的整体效率为βꎬ

β＝β１ β２ β３

式中:β１为一次转换效率ꎬ％ꎻβ２为二次转换效率ꎬ％ꎻβ３为三次转换效率ꎬ％ꎮ

根据海浪的实际情况并参考相关数据资料

[５－９]

可

以计算得到β１＝４９.５％ꎬβ２＝８０.８％ꎬβ３＝９５％ꎮ整机效率为装置三次转换效率的乘积ꎬ得到β＝３８.０％ꎮ

整个装置由于充分利用了两个方向的能量ꎬ因此

能量的转换效率比较高ꎬ得到的发电机效率也比同类型的发电机效率(一般２５％左右)高ꎮ

２㊀装置的实现

２.１㊀基本组成

该装置主要由俘能系统㊁机械转化系统和发电系统三大部分组成ꎬ装置的基本结构如图２所示ꎮ俘能系统主要由重锤㊁齿轮㊁弹簧组㊁纺锤体㊁细绳和齿轮组成ꎬ用于吸收波浪能ꎻ机械转化系统主要包括棘轮机构ꎬ它把水平方向和竖直方向的机械运动整合到同一

方向并经由同一传动轴输出给发电系统ꎻ发电系统由发条盒㊁增速齿轮和发电机组成ꎬ把机械能转换成电能

ꎮ

图２㊀波浪能发电装置结构图

２.１.１㊀俘能系统

在水平方向上ꎬ该发电装置创新地利用椭球型外

壳ꎬ使装置能够依靠外壳本身的特性(即以最小受力面面对来波方向)找到来波方向ꎮ波浪使装置左右摆动ꎬ而重锤因为重力的作用ꎬ始终保持竖直方向ꎬ和与之相连的齿轮间产生相对转动ꎬ从而使得输入齿轮旋转起来ꎮ

在竖直方向上ꎬ该发电装置采用的是振荡浮子式的获能方式ꎮ绳子的一端固定在海底ꎬ另一端绕过纺锤体后与装置上的弹簧相连ꎮ当装置主体随着波浪上下运动时ꎬ绳子会带着纺锤体转动ꎬ弹簧也会随之拉长与恢复ꎬ波浪能会转化成纺锤体的机械能和弹簧的弹性势能ꎬ并传递到与纺锤体同轴转动的输入齿轮上ꎮ２.１.２㊀机械转化系统

水平方向俘能系统的和竖直方向俘能系统的输入

齿轮的转动分别通过２个棘轮装置整合到同１根轴上ꎬ其中棘轮机构如图３所示ꎬ包括转向齿轮㊁棘轮和棘爪ꎮ其中转向齿轮与输入齿轮啮合ꎬ并可与输出轴发生相对转动ꎻ棘轮与输出轴相对固定ꎻ棘爪固定在转向齿轮上ꎬ当棘爪逆时针转动时ꎬ可以推棘轮转动并带

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