振盪浮子式波浪能發電裝置

能轉換裝置主要採用波浪能——機械能——電能的轉換方式。總體構想為:首先，直接與海水接觸的浮體隨著波浪做起伏運動，將波浪能轉換為浮體所持有的機械能;其次，浮體的運動帶動中間的機械傳動裝置運動，機械傳動裝置除了起到增速以及傳遞能量的作用外還有更為重要的一個作用，就是將浮體的往復運動轉換為單向的旋轉運動;最後，通過發電機將機械傳動裝置傳遞過來的機械能轉換為電能。

基本介紹

• 中文名：振盪浮子式波浪能發電裝置
• 外文名：Oscillating float type wave energy generator
• 類型：發電裝置
• 形式：波浪能發電
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

隨著社會和經濟的不斷發展，以及人口數量的急劇膨脹，人類所消耗的能源也在不斷增加，但是，眾所周知，整個地球的能源儲備量是有限的，因此，能源問題越來越受到人們的重視，近年來，由於能源危機的出現，人們對能源在人類社會中所發揮的作用有了越來越深刻的認識，無論是在社會、科技、經濟的發展方面還是在人們的自身生活和工作方面，能源都有著無可替代地重要作用。目前，開發利用可再生新能源，使自身的能源結構能夠得到調整，以實現能源的可持續發展，滿足人類對能源的需求，己經在世界各國達成共識。

海洋面積約占全球面積的70%，海水中蘊藏著豐富的可再生能源，這些可再生能源主要包括海洋風能、潮汐能、波浪能、海洋生物能、海洋溫差能等，這些能源具有非常好的品質，是現階段函待開發利用新能源，對這些能源進行開發利用具有十分重要的戰略意義。相較於其他形式的海洋能源，波浪能是一種品質比較高的能源，而且它利用起來更加方便，因此各沿海國家越來越注重對波浪能進行研究、開發和利用，目前，波浪能己成為各沿海國家研究利用新能源的重點，政府也開始加大對這一方面的投。在大批研究者的不懈努力以及政府的大力支持下，開發利用波浪的技術得到快速發展，並在商業化市場中占據了一席之地，但是由於波浪所處的海洋環境不穩定，難以實現獨立穩定發電，因此，如何克服這些困難，實現波浪能的大規模利用將是波浪能利用技術下一步發展的目標。波浪能的利用，主要就是利用其進行發電，所謂波浪能發電就是通過波浪能轉換裝置將海水中所蘊藏的波浪能轉換為輸出電能。利用波浪能發電裝置輸出的電能用途及其廣泛，一方面它可以為海水的廣泛的利用提供動力支持，比如製造氫氣、利用深海的低溫海水對空調進行製冷和對海水進行淡化等，另一方面它還能為遠離大陸的海島以及海面設施提供所需的清潔能源。經過實踐驗證，波浪能利用技術日漸成熟，我們堅信波浪能利用會有更大的發展，而且會在新能源利用領域占據一席之地。

中國目前正處在不斷地發展之中，雖然新中國成立初期，人口比較多，經濟發展也相對滯後，但自改革開放以來，在政府的大力扶持下，隨著各種開放政策的不斷出台，中國的經濟也在不斷地發展，並取得了驕人的成績。隨著經濟的不斷發展，一些問題也會隨之出現，其中一個最主要的問題就是能源的大量消耗，為了實現能源的可持續發展，開發利用新能源便成為急需解決的問題，針對目前所存在的能源問題，中國制定了一系列基本國策，如開發利用可再生能源以及清潔能源、節約使用現有能源、對能源進行充分利用提高其利用率等。

波浪能的轉換

根據轉換方式的不同，波浪能轉換裝置可以分為多種形式，但總體可以分為三個環節。各個環節的作用如圖2所示

第一級轉換

第一級轉換通常由一對實體構成:受能體和定體。定體通常固定在海岸或者海洋平台上，受能體則與海浪直接接觸，與定體之間形成相對運動，接受波浪能。 受能體可以是不同的類型。剛體、液體、氣體，受能體不同，則第一級轉化的方式也不相同。當受能體為剛體時，其轉換方式為波浪能—機械能轉換;當受能體為液體時，其轉換方式為波浪能一液壓能轉換;當受能體為液體時，其轉換方式為波浪能一空氣能轉換，其中最為常見的轉換方式為波浪能一機械能的轉換。

中間轉換

受能體不同，中間轉換裝置也不相同。當受能體為剛體時，為機械式轉換;當受能體為液體時，為水力式轉換;當受能體為氣體時，為氣動式轉換。 在機械式轉換中，能量的傳遞主要通過機械傳動裝置完成，如齒輪傳動等。 在水力式轉換中，能量的傳遞則主要通過液壓傳動裝置完成，它無論是在調節還是在傳輸上，都比較靈活方便。

在氣動式轉換中，是用空氣作為中間介質。它的優點是:發電部分不與海水直接接觸，抗腐蝕性以及抗衝擊性能較好;缺點是:效率比較低，通常只有10%。

第三級轉換

第三級轉換主要是將中間轉換裝置傳遞來的轉換為電能，常用的轉換裝置為透平機或水輪機，磁流體發電機也會在有些裝置中用到，隨著對波浪能轉換技術的不斷探索和研究，一些比較新型的發電裝置也隨之出現，利用壓電聚合物實現能量的轉換便是其中之一。

海洋平台及立柱的具體結構設計下面的章節將會講到。雙面齒條與垂直圓柱形浮體通過螺栓固連在一起，另外浮體與齒條還有兩根支架相連，支架一方面可以進一步固定齒條和浮體之間的連線，另一方面可以使浮體在運動過程中保持平衡。浮體所處位置的海洋平台下方裝有彈簧，以緩衝浮體和海洋平台之間的衝擊力。

工作原理

設計的波能轉換裝置主要採用波浪能--機械能--電能的轉換方式。總體構想為:首先，直接與海水接觸的浮體隨著波浪做起伏運動，將波浪能轉換為浮體所持有的機械能;其次，浮體的運動帶動中間的機械傳動裝置運動，機械傳動裝置除了起到增速以及傳遞能量的作用外還有更為重要的一個作用，就是將浮體的往復運動轉換為單向的旋轉運動;最後，通過發電機將機械傳動裝置傳遞過來的機械能轉換為電能。

傳動部件結構簡圖如圖2-3所示。

該裝置的工作原理為:齒條①與浮體直接接觸，浮體在波浪的作用下隨波浪做起伏運動，從而帶動齒條①做起伏運動，當浮體向上運動的時候齒條①也隨之做向上運動，與齒條嚙合的齒輪⑥向右旋轉，齒輪⑦在單向軸承的作用下空轉，齒輪⑥的轉動帶動大齒輪④以及與其嚙合的小齒輪③轉動，發電機②在齒輪③的帶動下向左旋轉;當浮體向下運動時，齒輪⑥在單向軸承④的作用下空轉，齒輪⑦向右轉動，進而帶動大齒輪④和小齒輪③轉動，此時發電機依然向左旋轉。從而實現發電機持續的單向旋轉運動。

傳動裝置結構設計

傳動裝置是大多數機器的主要組成部分。在進行機械產品設計的過程中，要想知道這件產品的質量怎么樣，主要就是看該產品的傳動裝置的設計是不是合理，傳動零部件的設計是不是滿足傳動要求，零部件的製造以及裝配是不是滿足產品的設計要求。根據傳動方式的不同，傳動可以分為三種類型:電傳動、流體傳動以及機械傳動。機械傳動的套用非常廣泛，無論是嚙合傳動還是摩擦傳動，都屬於機械傳動的範疇，只是工作原理不同，它們廣泛套用於各類工程實踐中。進一步對機械傳動進行劃分，又可分為以下幾種傳動類型:鏈傳動、帶傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動。

齒輪傳動不僅具有瞬時傳動比高、結構緊湊等優點，同時它的可靠性也比較高，使用壽命較長，因此它是機械傳動中套用最廣泛的一種傳動形式，同時也是一種非常重要的傳動形式，齒輪傳動分為開式、半開式和閉式三種傳動方式。 所採用的傳動方式為閉式齒輪傳動，它由齒輪齒條傳動以及一級圓柱直齒輪增速器構成。如圖2-4所示。 該傳動裝置一方面可以應對波浪能發電裝置惡劣的工作環境，另一方面可以滿足零件的潤滑要求。增速器一方面可以用於減小轉矩、增加轉速，滿足發電機對於轉速的要求，另一方面它還有一些其他重要的功能，比如改變運動的形式、改變運動的方向、進行動力和運動的傳遞以及分配等。

設計中，裝置所適用的波浪條件為:波高H=1. 5m，波浪周期t=6s;預計實現發電功率P=12. 5Kw。所選發電機額定功率P額=15KW,額定轉速n=180r/minx 波浪能發電裝置具有工作環境惡劣、受力情況複雜等特點，因此與一般傳動機構相比，除了要滿足機械強度要求外，還應滿足極端溫差條件下的一些機械特性，如低溫抗脆性、低膨脹收縮率等;在發電裝置工作的過程中，對於傳動部件來說，通常情況下這些零部件的結構會採用分體式結構或者焊接結構，齒輪毛坯儘可能採用輪輻輪緣整體鍛件形式以提高零部件的承載能力，齒輪採用優質合金鋼鍛造毛坯以獲得良好的力學特性 根據波浪條件以為發電裝置的功率要求，結合材料的力學性能，可對零件的尺寸進行設計，通過校核可知，該傳動設計方案符合強度要求，切實可行。特別是在對齒輪進行設計的過程中，選取了大齒寬齒輪，同時還保證了齒輪具有較高的製造精度等級，這樣就可以確保傳動機構運動的平穩性，避免機構在工作過程中出現點蝕、膠合等失效現象，另外傳動機構的傳動比選取合適，滿足傳動要求，結構安全可靠。

工作平台設計

為了避免設備被海水、雨水等腐蝕，因此工作平台設計為一個密封的平台，可以在工作平台上設一個玻璃鋼做的防護罩，防護罩能夠自由掀起，以方便機器後期的維護和維修;另外，在防護罩外的平台上要留有一定的供工作人員站立的距離;對於防護罩內的整機，在安裝完畢後，可以塗抹防腐蝕油漆，增強機器的腐蝕能力。在機器工作的過程中，傳動裝置以及發電機都處於不停運轉的狀態，勢必引起工作平台的振動，但是裝置在工作的過程中，要求工作平台要具有比較好的穩定性，這樣才能保證傳動部件能夠平穩運轉，因此選用槽鋼作為工作平台的主要材料，各個槽鋼直接則通過焊接或者栓接的方式進行連線;另外，為了節省材料，節約成本，傳動部件與發電機需要放置在不同的支架上，但支架對位置精度的要求不高，設計時要留有一定間隙，以方便安裝墊片。

總結

（1）介紹了波浪能轉換的流程，並對一些常用的波浪能轉換方式進行了介紹和分析。

（2)對波浪能發電裝置的結構進行了設計，並對其工作原理進行了分析。結構設計包括傳動部件設計，海洋立柱設計以及工作平台設計，裝置的大部分零部件均處在密封的海洋平台中，可以較好的避免被海水腐蝕。傳動部件由齒輪齒條以及一級增速器構成;海洋立柱上部通過法蘭與工作平台固定，下部與水泥柱相連，兩邊進行緊系泊，可以較好的起到穩固的作用;工作平台的四角分別用四個立柱支撐，上方用玻璃罩進行密封，避免零部件被海水腐蝕。

（3）將振動的浮體簡化為一個彈簧質量阻尼系統，建立浮體的運動方程，對浮體的運動特性進行了分析。