浮標式波浪能發電裝置

浮標式波浪能發電裝置是指利用浮子俘獲波浪能，然後經過機械系統將波浪能轉換為機械能，通過蓄能系統穩定輸出，經過發電系統將機械能轉換為電能的裝置。

基本介紹

• 中文名：浮標式波浪能發電裝置
• 外文名：Buoy type wave energy generating device
• 學科：機械設計及理論
• 原理：浮子俘獲波浪能轉換機械能發電
• 組成：發電系統、蓄能系統等
• 現狀：研究階段

研究背景

隨著人類社會的不斷進步以及對自然資源的不斷開採，能源問題已經成為人們迫切關心的問題，為了解決人類對於能源的需求問題，各國都開始了對風能、太陽能、海洋能等可再生能源的探索和研究。

目前，我國已成為世界第二大能源生產國和消費國，能源消耗繼續加劇，能源需求繼續膨脹，能源問題已經迫在眉睫。未來15年我國將不可避免的面臨能源的快速消耗以及需求的快速增長。能源需求預測表明：未來10年內，我國將至少需要40億噸煤炭，即使最大限度的開採我國煤炭資源，並且大力貫徹節能減排的政策，我國仍將產生5~6億噸標準煤的巨大缺口，甚至會高達10億噸。

到目前為止，我國沿海地區仍有約433個有居民居住的海島電能嚴重缺乏，能源已經成為制約海島經濟快速發展和實現小康社會的主要因素之一。鑒於此，為了滿足人類對能源的需求，也為了緩解人類對煤、石油、天然氣的過度依賴，實現人類社會的可持續發展，我國開始了對風能、太陽能、海洋能等可再生能源的探索研究。

海洋可再生能源（海洋能）主要是海流能、溫差能、波浪能、潮汐能、鹽差能、海洋及海島風能和太陽能等。海洋可再生能源具有無污染、儲量大、可再生等特點。

海洋可再生能源是我國重要的可再生能源資源，在促進海洋經濟發展、保護生態環境、緩解能源需求壓力等方面起到了重要的作用。但我國對海洋可再生能源利用率還比較低，開發利用海洋可再生能源的技術進展緩慢。為了加速我國對海洋可再生能源利用，更充分地滿足經濟和社會可持續發展的需要，在充分挖掘我國海洋可再生能源資源的前提下，在分析海洋資源利用技術及產業發展現狀基礎上，借鑑國外對海洋可再生能源開發利用的經驗，提出了本文的設計思路，研製一種浮標式波浪發電裝置，利用可再生的波浪能進行發電，緩解能源需求帶來的壓力，促進人類社會的可持續發展。

波浪能

波浪能是海洋能中最不穩定的一種能源,但其分布最廣且能流密度大[6]。波浪在風、氣壓和水的重力等多種自然因素的綜合作用下起伏運動，具有一定的動能和勢能。波浪能的大小取決於波高和周期，具有無污染、密度低、分布廣、可再生、儲量大等優點，但利用率較低。所謂波浪能發電，即把海洋中的波浪能轉換為電能的一種方式。

波浪發電主要利用海面波浪的水平運動、垂直運動和海浪中水壓變化產生的能量進行發電。根據基本原理，波浪能發電裝置大致可以分為四種：一是利用波浪上下的運動，直接轉換成機械傳動，即機械式波能轉換裝置；二是利用波浪上下運動產生的氣流或者水流驅動渦輪機轉動，例如振盪水柱式，如右圖所示；三是利用波浪裝置的擺動或轉動產生的氣流或水流驅動渦輪機發電；四是把低壓大波浪變成小體積高壓水，然後引入高位蓄水池產生水頭驅動渦輪機發電，例如收縮水道式波能轉換裝置，如右圖所示。

浮標式波浪能發電裝置的組成

與一般的波能轉換裝置一樣，浮標式波浪發電裝置也包括三級能量轉換：第一級是將波浪能轉換為直接與海浪接觸的中間部件的機械能或者海水的位能、壓能；第二級是將上一級的能量轉換為機械的動能；第三級是將上一級動能通過發電系統轉換為電能。如右圖所示的浮標式波浪發電裝置組成簡圖。

由圖看出，在浮標式波浪發電裝置中，一級能量機構是浮標，俘獲波浪能轉換為浮標的機械能，二級能量機構是齒輪箱和蓄能系統，將浮標的機械能轉換為二級能量機構的機械能，三級能量機構是發電系統，將機械能轉換為電能。

右圖所示為浮標式波浪發電裝置示意圖，該裝置主要由浮標1、浮筒2、龍門架3、齒條4等部分組成，其中浮筒內置齒輪箱換向定向系統6、蓄能系統以及發電系統8等。龍門架固定於浮標上，圓齒條通過一個旋轉裝置5連線在龍門架上，此處可以解決浮標在垂直波浪力以及水平波浪力綜合作用下產生繞浮筒轉動的問題，充分保證了齒輪齒條的嚙合。浮標在垂直波浪力作用下沿浮筒上下往復滑動，在浮標上鑲嵌青銅軸瓦，保證了浮筒與浮標之間的耐磨性。浮筒通過錨固定與海床上。

工作原理

龍門架安裝在浮標上，齒條固定在龍門架上，浮筒通過錨固定於海床上，浮標在波浪的作用下上下往復運動，從而帶動齒條在垂直方向上的往復運動，齒條通過浮筒內部的換向定向齒輪箱將其上下往復轉動轉換為齒輪箱輸出軸沿同一個方向的轉動，最後通過蓄能系統及發電機將機械能轉變為電能輸出。該裝置的發電原理，如右框圖所示。

發電系統設計

齒輪箱換向定向系統主要是實現波浪能到機械能的轉化和輸出，發電系統則實現機械能到電能的轉化和輸出。齒輪箱與發電機之間通過同步帶輪傳遞運動和動力。

（1）發電機選擇

由於浮標在波浪的作用下上下起伏位移一定，從而齒條位移一定，帶動齒輪箱輸入齒輪往復轉動頻率高，速度呈正弦變化，從而使得齒輪箱輸出軸轉速較低、不穩定，並且力矩不大，在沒有蓄能系統的情況下對發電機的要求很高。因此，對於發電機，考慮採用低速低啟動力矩的發電機，它體積小，速度低，充分節省浮筒內部的空間。並且在該波能發電裝置試驗初期，研究小型波力發電裝置，選擇小功率發電機。

（2）同步帶輪設計同步帶輪是通過帶齒與輪齒的嚙合傳遞運動和動力，與摩擦型帶傳動相比，同步帶傳動兼有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的一些特點。具有傳動比精確、效率高、傳動平穩、噪音低、使用壽命長、中心距允許範圍大、軸上壓力小、能承受一定的衝擊、不需潤滑、較其他類型帶傳動結構緊湊等優點。

在浮標式波浪發電裝置中，選用同步帶輪將齒輪箱的轉動傳遞到發電機進行發電，充分利用了同步帶輪傳動比精確、效率高、中心距允許範圍大、結構緊湊等優點。對於同步帶齒形的選擇，選擇周節制的梯形齒。

蓄能系統

在實際海況條件下，海浪在海面上的風力，海底及海岸附近的火山、地震，大氣壓力，日、月引潮力的作用下，海浪是無規律的時時刻刻變化著，即波浪能是不穩定的。對於本浮標式波浪發電裝置來說，輸入是不穩定的，在類似正弦波浪作用下，齒條的上下往復運動頻率不斷變化，並且行程也是變化的，導致齒輪箱輸出軸的輸出雖然轉向是沿一個方向，但是轉速不穩定，呈現波動。這樣對發電機的穩定性以及發電效率產生一定影響，產生的電能也不穩定。

因此，在齒輪箱輸出後應該連線蓄能系統，進行蓄能，當海浪正常時，蓄能器首先蓄能，等海浪強度小時或者海面平靜無海浪時，蓄能器釋放能量，保證輸出軸的正常平穩輸出，而不受實際海況的影響，發電機正常發電。

蓄能系統主要功能包括兩方面，一方面能夠使輸出的機械轉動更加平穩，消除其速度波動，使輸出軸的輸出轉速在一定範圍內更加穩定，另一方面就是蓄能，在波浪很小的情況下蓄能系統釋放儲存的能量進行蓄能，使發電裝置正常發電。蓄能系統的設計將在以後的工作中進行設計，作為對本浮標式波浪發電裝置的完善。

密封和防腐

該裝置位於海洋環境中，因此要重點考慮該發電裝置防腐和密封問題。

（1）裝置密封

對於該裝置密封，主要位於浮筒與上下端蓋的連線處以及齒條與浮筒上端蓋接觸位置處，齒條通過浮筒上端蓋的導向套穿過上端蓋與浮筒內部齒輪箱嚙合，該處的密封屬於動密封。浮筒與上下端蓋通過法蘭進行連線，連線處的密封屬於靜密封，對於靜密封通常用“O”型橡膠圈，或者利用橡膠墊片進行密封。對於動密封，考慮到齒條通過浮筒上端蓋的導向套往復運動，傳統的方形齒條難以滿足耐磨、密封的要求，因此選擇圓齒條，一方面可以通過軸瓦加強耐磨性，另一方面便於密封，如圖2-11所示。其次，通過採用機械的方法，加長導向套的高度避免海水飛濺進入浮筒內部，該處密封會在以後的研究中繼續進行完善。

2）防腐

海水屬於自然狀態下的強電解質，大部分金屬結構會遭到海水腐蝕，受到腐蝕影響會破壞材料的耐腐蝕性能。因此，海洋環境中該裝置的腐蝕主要包括兩方面，一是飛濺區的腐蝕；二是大氣中的腐蝕。

在海洋環境中，飛濺區是指在潮汐和波浪共同作用下時乾時濕的區域。飛濺區的鋼結構表面在海水、風浪的綜合作用下，腐蝕比較特殊。這個部位生成的腐蝕產物不僅不能抑制腐蝕作用，反而對腐蝕過程起了促進作用。因此導致飛濺區腐蝕現象非常嚴重。

海洋環境下的金屬結構中，一直與海水無接觸的區域稱為海洋大氣的腐蝕環境。鋼鐵表面在大氣中水蒸氣的作用下產生一層薄水膜，這層薄水膜會使鋼鐵產生電化學腐蝕。。同時海水中含有氯化鈉，鋼鐵表面會吸附氯化鈉粒子，這樣更有助於在鋼鐵表面形成腐蝕性水膜，腐蝕將不斷地繼續發展。海洋大氣環境的腐蝕性，隨溫度的升高而增強。海洋大氣區的腐蝕往往受多種因素影響，是各種不同因素相互作用引起的。

由於受到環境因素的影響，海洋環境中的鋼鐵結構，必須採用一些防腐蝕措施，比如耐蝕材料熱噴塗、陰極保護或者進行表面處理等。

該裝置通過選擇浮筒與浮標的材料進行防腐，根據實際情況，選擇浮體的材料為玻璃鋼。玻璃鋼即纖維強化塑膠，是一種新型工程材料，具有質輕而硬，不導電，機械強度高，回收利用少，耐腐蝕性能好，可以代替鋼材製造機器零件和汽車、船舶外殼等，並且可設計性好，根據需要可以靈活的設計出各種結構產品。

玻璃鋼在水面艦船中套用廣泛。美國是最早在船舶工業中套用玻璃鋼的國家，早在1946年就製造了第一艘玻璃鋼交通艇。我國自1958年以來也研製了各種玻璃鋼船。目前，玻璃鋼雖然在船舶與海洋工程中已獲得廣泛套用，但由於存在彈性模量低、長期耐高溫性能差、有老化現象、耐磨性差等缺點，玻璃鋼用於建造大型艦船，目前尚受到一定限制，有待進一步研究。