基本介紹
- 中文名：浮力擺式波浪能發電裝置
- 外文名：surging wave energy converter
- 歸屬：擺式波能裝置
- 原理：利用擺的往復運動捕獲波浪能量
- 特點：大部分具有3`4級能量轉換過程
- 實例：NOTC浮力擺式波浪能發電裝置
裝置構成,關鍵技術,波浪力計算,功率穩定性,套用實例,
裝置構成
海洋波浪能發電裝置大部分有3~4級能量轉換過程，如圖1所示。在具有三級能量轉換部分的裝置中，一級能量轉換裝置與波浪直接接觸，捕獲波浪能並轉換成為裝置的機械能，或泵送海水將水位升高轉換為水的勢能；一級能量轉換所得到的能量在二級能量轉換裝置中通過水力透平、空氣透平或液壓馬達等轉換為旋轉的動能；最後，旋轉動能在三級能量轉換裝置中通過發電機轉換成電能，系統最終完成波浪能轉換為電能的發電過程。在四級能量轉換過程中，和上述三級系統相比，在二級與三級能量轉換過程中增加了一級能量轉換過程，始端和末端的能量轉換過程基本相同，而中間能量轉換過程中，一級能量轉換所得到的能量在二級能量轉換時，通過液壓或氣壓系統轉換為液壓能或氣壓能；二級能量轉換裝置中所獲得的液壓能或氣壓能，在三級能量轉換裝置中通過液壓/氣壓馬達被轉換為旋轉動能。具有四級能量轉換部分的波浪能發電裝置的主要優點是，增加了中間環節的液壓或氣壓能的過渡過程。利用液壓或氣壓系統良好的可控性和平穩性。
圖1
如圖1可以看出，在一級能量轉換裝置中，海洋波浪力直接作用在浮力擺上，將波浪能轉換為擺的機械能。在二級能量轉換裝置中，液壓/氣壓系統將浮力擺捕獲的能量轉換成為液壓/氣壓能。液壓/氣壓馬達是液壓/氣壓系統的一部分，作為其與發電機系統的銜接部分，是三級能量轉換部分，將液壓/氣壓能轉換為旋轉機械能。在四級能量轉換系統中，發電機系統將旋轉機械能轉換成為電能，從而系統完成整個發電過程。從總體結構來看，浮力擺式波浪能發電裝置主要由機械部分與電氣部分組成。
關鍵技術
波浪力計算
波浪是取之不盡、用之不竭的可再生能源。由於波浪力具有隨機性，利用波浪時很難從理論上取得波浪對於浮力擺的力作用形式及其隨時間變化的規律，這就給浮力擺式波浪能發電裝置的設計帶來了困難。無論是浮力擺翼型的設計，還是液壓系統中各液壓元件的選型，以及發電機的選型，都與波浪力的作用形式有著密切的關係，所以波浪力的計算與仿真在浮力擺式波浪能發電裝置的設計是一個至關重要的問題。除此之外，如果可以解決波浪力作用在浮力擺上的作用形式，就可以在實驗室完成對於浮力擺式發電裝置真實海況下發電的模擬，從而減少發電裝置在實地實驗時出現意外情況的機率，在實驗室進行部分深海實驗的模擬以及裝置的改進，增加海試實驗的成功率。
海水波浪起制約作用的物理因素是重力，黏性力一般可略而不計，因此波浪力分析時多採用理想流體的勢流理論。即便如此，確定波浪作用在浮力擺上的力也是一項很複雜的工作。即使對於長方體薄板，計算其波浪力的作用也十分複雜，那么對於具有複雜翼型的浮力擺就更難得到波浪力的數值。而且，浮力擺在波浪力的作用下作往復運動的同時，周圍的流場也會隨著變化，從而導致波浪力也會發生變化。所以，浮力擺與波浪之間是一個相互耦合的作用問題。
功率穩定性
由於波浪本身的隨機波動性，不可避免地造成了波浪能發電裝置輸出功率的不穩定，所以這自然成為浮力擺式波浪能發電裝置設計過程中的關鍵問題之一。解決功率穩定性的問題實際上就是要穩定系統中的能量波動，浮力擺式裝置中通常採用飛輪和蓄能器這兩種元件作為儲能元件來減緩系統中的能量波動。當波速大時，液壓馬間通過飛輪連線。當波速大時，液壓馬達轉速高，飛輪儲存能量；反之，當波速小時，液壓馬達轉速低，飛輪釋放能量。這樣，緩和了系統中的能量波動，穩定發電機轉速。
但由於飛輪本身會消耗一定的能量，而且飛輪的安裝和維修均不方便，所以現有的波浪能發電裝置中的液壓系統很少使用飛輪作為儲能元件。相較於飛輪，蓄能器具有安裝方便、使用壽命長、噪聲小、作為補給裝置、保持系統安全壓力、波動小等諸多優點，蓄能器在波浪能發電液壓系統中廣泛套用。浪速大時，液壓系統油壓增大，此時蓄能器儲能；浪速小時，液壓系統中的油壓隨之降低，蓄能器釋放儲存的能量。在這樣一個周期限性的過程中，系統中的壓力和流量得到穩定，從而穩定了系統的輸出功率。常規液壓系統蓄能器蓄能穩壓基本都針對某一確定範圍的工作壓力而設定，而波浪能發電裝置液壓系統的壓力在零到極限壓力之間波動，因此蓄能器的設計及計算並不能照搬常規方法。
套用實例
中國國家海洋技術中心浮力擺式波浪能發電裝置
中國國家海洋技術中心於2012年研發100kW浮力擺式波浪能發電裝置，該電站在山東省即墨市大管島進行海試運行。波浪能發電系統採用離岸浮力擺形式，由擺板、液壓傳動系統和電控系統三部分組成。擺板的擺軸位於擺板底部，擺板在波浪的作用下偏離平衡位置，此時擺板在浮力作用下向平衡位置恢復，同時擺板還受到重力和水的阻力作用，從而使擺板繞擺軸前後擺動。
