擺錘式波浪發電系統

擺錘式波浪發電系統裝置的能量吸收部分的主要功能是捕獲波浪能，屬於波浪直接作用的部分，要求可靠高效，牢固穩定。結合整體結構設計的要求，選擇擺錘作為裝置的波浪能吸收部件。箱體封裝整個裝置，起到隔絕海水的作用。擺錘用來吸收波浪能，將其變為自身的機械能，是裝置的主要工作部分。

基本介紹

• 中文名：擺錘式波浪發電系統
• 外文名：Pendulum wave power system
• 類型：發電系統
• 形式：波浪能發電
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

波浪能是指海浪所具有的機械能，主要產生於海面上的風對海水的擾動，因此波浪能實際上是海浪吸收的風能。波浪能在所有海洋能中穩定性是最差的，但卻是存在範圍最廣泛的一種新型能源。

涌動不息的海浪中包含著驚人的能量。根據世界能源委員會的調查，全球可利用的波浪能理論值可達109kw量級，按照世界現在的年發電量，可以供人類使用數百年。

與波浪能的優點相比，其他傳統的新能源在開發利用方面有著多方面的限制。例如，風能發電裝置只能安裝於風力大的地區，嚴重受限於地理條件，輻射範圍有限。太陽能受天氣因素影響較大，若遇上長期的陰雨天氣，太陽能裝置的發電效率將大大受損。波浪能則不同，所謂無風三尺浪，只要有海洋，就有波浪能可供利用。波浪能不僅適用於我國沿海，還適用於遠海島嶼、國防、海洋開發，甚至遠洋船舶。

經濟方面，波浪能開發成本低廉，可以用現有的防波堤、水壩等等進行安置，易於維護和修理，此外，波浪能裝置大多結構簡單，造價低，利於大範圍、高密度建設波浪能發電電網。

雖然波浪能儲量大，前景誘人，但是由於海浪的隨機性，波浪能分布不均，很不穩定，難以大規模開發利用，再加上海洋環境條件惡劣複雜，加大了開發難度，同時也導致開發成本較高。隨著海洋開發程度的逐漸加深，海上作業逐漸常態化，如何高效地開發利用波浪能是一個非常具有現實意義的課題，這也是本論文主要探討的內容所在。

波浪能發電技術的瓶頸

目前，在能源危機的大環境下，世界各國對波浪能的開發利用正開展的如火如茶，部分裝置己經讓人看到了商業化的曙光。但是由於波浪本身的特點和發電裝置工作環境的特殊性，目前的發電技術各個方面都遠未達到能大規模併網發電的程度，還有一系列的難題需要解決:

一、能量轉換不夠穩定。這是波浪本身的特點決定的，波浪的隨機性極大，忽大忽小，時而平靜時而翻湧，使得裝置發出的電能無法平穩併入電網，並且這種突變的特性極易對發電裝置造成衝擊甚至損壞;

二、無法大規模大範圍利用。雖然整個地球的海洋覆蓋率達到70%，但是遠海大洋離岸太遠無法利用，能提供可利用的近海以及沿海波浪能的區域很小，目前波浪能自然條件最好的國家是英國、西班牙等西歐國家，我國海岸線雖然遼闊，但海浪大多數都是雜波，能量分布分散，利用難度大。

三、發電效率低。雖然波浪發電裝置各式各樣，但都存在能量二次轉換的過程，中間要浪費掉很大部分能量。目前各式各樣的發電裝置綜合發電效率都只有10%左右，振盪浮子式發電裝置把空氣作為介質，一定程度上能提高一些發電效率，但也只有不到20%

四、可靠性較差。從前文提到的幾種技術來看，只有岸式裝置能保證較高的可靠性，離岸漂浮式裝置基本不能承受極端的海況。但是為了提高發電性能，裝置又不得不布置在浪大的海域，這是難以解決的矛盾。其次，由於裝置長期暴露在海水中，極易出現腐蝕和海洋生物附著，對發電性能造成嚴重影響，壽命也大大縮短;

五、經濟效益差。波浪能發電裝置水下安裝成本昂貴，維護費用高。另外單個裝置發電效率不高，經常要布置成大規模發電場，無疑增加了安裝和維護成本。此外，由於電能無法平穩接入電網，無法產生讓人滿意的經濟效益。

擺錘式波浪發電裝置方案設計

整體結構設計要求

各種波浪發電技術的優勢和劣勢，以及對擺式裝置的分析，確定裝置採用迴轉擺式結構，裝置的結構要求如下:

1.體積要小。本方案旨在研發一種小型的波浪發電裝置，要易於製造、搬運、集群分散布置以及維修，兼顧經濟型，體積不易過大。半徑不超過一米為宜;

2.可靠性要高。體積越小，在波浪中擺動的幅度越劇烈，內部結構所受的衝擊力也越大，因此內部結構必須要牢固，互動部件必須限定其活動範圍，並有保護機制;

3.結構簡單。複雜的結構不但會降低裝置整體的可靠性，增加裝配及維修難度，還會降低能量轉換效率。因此裝置的結構要簡單，儘量減少能量轉換次數，提高效率。

吸能部分

裝置的能量吸收部分的主要功能是捕獲波浪能，屬於波浪直接作用的部分，要求可靠高效，牢固穩定。結合整體結構設計的要求，選擇擺錘作為裝置的波浪能吸收部件。箱體封裝整個裝置，起到隔絕海水的作用。擺錘用來吸收波浪能，將其變為自身的機械能，是裝置的主要工作部分。

吸能部分工作時，擺錘要不停地旋轉，並且一直經受來自波浪的不規則衝擊，此外，為了達到充分吸收能量的目的，擺錘的質量會很大，通常在幾十千克，所以吸能部分要十分牢固，並且具有較高的可靠性。

基於以上分析，設計吸能結構。擺錘上裝有滾輪，承載擺錘的作用力，與之對應的箱體上設有滑道，由耐磨材料製成。此設計限制了擺錘的振動，使得擺錘的偏心率和質量可以設計的更大，吸收更多的波浪能，同時降低擺錘對輸入軸及其相關機構的作用，提高裝置的使用壽命。

能量轉換部分

能量轉換部分是波浪發電裝置的核心部分，決定著裝置的工作效率。目前典型的波浪能轉換技術主要有空氣透平式、液壓式、直線電機式，機械式等。

空氣透平式系統主要使用於振盪水柱裝置中，波浪振盪對空氣進行壓縮，進而推動電機發電，缺點是內部結構要直接與海水接觸，可靠性得不到保證，且尺寸較大，不適合小型化;液壓式裝置內部裝有液體蓄能器，把不規則的波浪能轉換為液壓能，驅動高速液體帶動發電機旋轉，可以達到穩定輸出的目的，廣泛套用於擺式、筏式和振盪浮子式波浪能發電裝置中。但液壓技術結構複雜，並且液壓裝置難以做到完全密封;直線電機式則是把吸能部分與發電機直接連線起來，因此能量轉換率高，但是無法保證能量輸出的穩定性;機械式結構是用齒輪機構把載體的動能提升，帶動電機發電，結構緊湊並且不與海水直接接觸，但儲能能力有限，義大利Giovanni Bracco等人的慣性波浪能發電裝置就採用了機械式結構。

蝸卷彈簧儲能結構是機械式儲能結構的一種，具有儲能容量大、結構簡單的特點。這種結構的原理是平面蝸卷彈簧受力扭轉後產生形變，從而產生回復力，將動能轉換為彈性勢能，彈簧逐漸恢復原狀時會逐漸釋放彈性勢能，這樣就完成了能量的儲存和轉換。

蝸卷彈簧是一種由截面寬度相等的細長彈性鋼材繞制而成的平面螺旋狀的彈簧。當蝸卷彈簧的一端固定後，另一端受到扭矩的作用，彈簧整體發生扭轉收緊，產生變形，變形的角度跟扭矩成正比。由於這種彈簧儲能密度大，結構簡單耐用，因此廣泛套用於機械式儲能結構中。

裝置主要目的是可靠、小型化，輸出穩定，因此綜合考慮，採用機械式能量轉換結構，加入蝸卷彈簧發條盒來提高裝置能量輸出的穩定性。

此外，由於蝸簧發條的輸入力矩是單向的，輸出力矩也是單向的，而吸能部分擺錘的運動是雙向的，因此需要在擺錘和蝸簧之間加入齒輪變向結構。於此同時還要在發條底部加裝超越離合器對蝸簧發條的扭力進行限制。

綜上所述，能量轉換部分由變向齒輪組、蝸簧發條盒和超越離合器三部分組成。

變向齒輪組，包括兩個超越離合齒輪、輔助換向軸、輔助換向齒輪、傳動軸以及兩個傳動齒輪，其中兩個超越離合齒輪裝在擺錘的轉軸上，兩個傳動齒輪安裝在傳動軸上，輔助換向齒輪安裝在第二層齒輪結構中間;

蝸簧發條盒，內部放置卷有一定圈數的蝸卷彈簧，彈簧的中心固定在傳動軸上，外端固定在盒體上。盒體底部固定有發條齒輪，與發電機齒輪相咬合; 超越離合器，裝在發條齒輪的底部，限制發條盒的能量向發電機齒輪傳遞，不會反向作用給擺錘。

裝置工作時，擺錘在波浪作用下轉動。當擺錘順時針轉動時，中心轉軸帶動超越離合齒輪a旋轉，使傳動軸逆時針轉動;當擺錘變為逆時針時，中心轉軸帶動超越離合齒輪旋轉，通過輔助齒輪，傳動軸旋轉方向依然為逆時針。這樣就把擺錘的雙向不規則轉動轉換成了單向轉動，使得擺錘對發條的扭力始終同向。不過，此時雖然扭力轉變成了同向，大小以及衝量仍然是隨機性極強的，不穩定的。

隨著擺錘不斷旋轉，通過變向齒輪機構，擺錘的能量不斷向發條輸送，發條被不斷扭緊，彈性勢能不斷增加，這樣就把波浪的機械能通過二次轉換，變成了發條的彈性勢育旨。

此外，由發條的做功過程可知，利用發條作為儲能結構，除了減小能量損失外，還能使能量輸出更加平穩，既有利於波浪能的充分利用，也有利於電機性能的發揮。

能量釋放部分

裝置的能量吸收部分的主要功能是捕獲波浪能，屬於波浪直接作用的部分，要求可靠高效，牢固穩定。結合整體結構設計的要求，選擇擺錘作為裝置的波浪能吸收部件。箱體封裝整個裝置，起到隔絕海水的作用。擺錘用來吸收波浪能，將其變為自身的機械能，是裝置的主要工作部分。

能量釋放部分是整個裝置的價值體現所在，所要達到的目的是把前端吸收的彈性勢能轉換成可利用的形式的能量進一步儲存起來，或者釋放出去。目前小型波浪能發電裝置都是利用各種能量轉換結構把能量最終轉換成電能儲存起來，因此本裝置也採用這樣的方式。

該部分由輸出軸、輸出齒輪、微型發電機、整流裝置和電纜組成。電機齒輪與發條齒輪相連。工作時，發條齒輪受發條驅動旋轉，帶動電機齒輪旋轉，發電機開始工作，進而產生電能。為了使能量輸出更佳穩定，減小對負載工作裝置或蓄電池的衝擊，加裝整流器，通過電纜與發電機相連，將電能轉換成穩定的電流通過電纜傳送出去。

擺錘的質量對發電功率的影響

擺錘是吸能部分的主要部件，對發電功率產生影響的因素是擺錘的質量和旋轉半徑。這裡主要探討擺錘的質量對發電功率的影響。

在實際工作過程中，擺錘質量太輕會無法扭動發條，波浪平緩時無法轉動，導致發電功率過低，質量太重則會加大製作、運輸和布置的負擔，海況等級低時慣性過大無法轉動，甚至導致裝置整體質量過大而沉入海底。因此，根據實際情況選取選取質量合適的擺錘，是要研究的重點。

根據擺錘運動方程可知，該方程等號左右各有一個M，可以消掉。因此，在不考慮裝置與波浪的相互作用以及裝置總重的理想條件下，若裝置內部只有擺錘在旋轉，未連線發條盒以及發電系統，那么擺錘的運動就與其自身的質量無關，而只與旋轉半徑有關。利用matlab程式也可以驗證這一點，改變擺錘的質量對最終的轉速圖沒有影響。

發條對發電功率的影響

發條作為裝置的儲能機構，直接影響到裝置的發電效率。發條也有“軟硬”之分，“軟”一些的發條容易彎曲，但儲能密度較小;“硬”一些的發條受力時不容易發生彎曲，但是彎曲程度相同時，會釋放出更大的彈性勢能，因此能量密度要大一些。

齒輪比對發電性能的影響

齒輪在裝置內部各結構部件之間起連線和傳遞力矩的作用。由齒輪的工作原理可知，不同齒輪比的齒輪組傳遞的轉速和力矩也不同，因此外界和內部其他條件相同的情況下，不同齒輪比所對應的發電功率也不相同。

海況等級是影響裝置發電性能的決定性條件，也是開發波浪能最需要考慮的因素。只有足夠大的海浪才能帶來豐富的波浪能，海浪過小，擺錘不能充分擺動，自然得不到滿意的發電功率，經濟效益無從談起;海浪過大，雖然發電功率也會隨之增大，但是裝置受海浪的衝擊也大，有被掀翻甚至摧毀的危險。因此，分析給定海況中什麼樣的裝置、或者同一個裝置在什麼樣的海況下能獲得最佳的發電性能就顯得十分必要。

由於浪高是海浪大小最直接的表現，節主要探討浪高對發電性能的影響，假設兩條波浪都是嚴格的三角函式曲線，並且不考慮波浪與裝置之間的運動藕合，以及裝置在巨浪中的可靠性。