[科普中國(guó)]-漂浮直驅(qū)式波浪能發(fā)電裝置

簡(jiǎn)介

漂浮直驅(qū)式波浪能裝置是通過(guò)直線電機(jī)將波浪能轉(zhuǎn)換成電能的一種新型發(fā)電裝置、負(fù)載控制技術(shù)是波 浪能發(fā)電中的關(guān)鍵技術(shù)之一，負(fù)載控制一方面可調(diào)整裝置的運(yùn)行狀態(tài)，另一方面可優(yōu)化裝置的轉(zhuǎn)換效率，負(fù)載控制系統(tǒng)可按照直線電機(jī)輸出電壓的大小自動(dòng)調(diào)整裝置的負(fù)載大小，負(fù)載分為3級(jí):基木負(fù)載、一級(jí)負(fù)載、二級(jí)負(fù)載試驗(yàn)表明，負(fù)載控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了按電壓進(jìn)行分級(jí)控制的目的，為實(shí)海況下按照平均波高分級(jí)控制打下了基礎(chǔ)、海洋能是清潔的可再生能源，開(kāi)發(fā)利用海洋能對(duì)緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染具有重要的意義。波浪能是分布最廣泛的一種海洋能，波浪能的利用有很多種形式。目前，世界上波浪能利用技術(shù)大致分為振蕩水柱(OWC)技術(shù)、擺式技術(shù)、筏式技術(shù)、點(diǎn)吸收式(振蕩浮子)技術(shù)、鴨式技術(shù)等。點(diǎn)吸收式技術(shù)近年來(lái)發(fā)展很快，該技術(shù)采用浮子俘獲波浪能，通過(guò)與浮子連接的液壓裝置將波浪能轉(zhuǎn)換成液壓能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。目前建成的點(diǎn)吸收式裝置有英國(guó)的AquaBuoy裝置、阿基米德波浪擺以及波浪騎士裝置1。

波浪能發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率和所帶負(fù)載有很大關(guān)系，負(fù)載過(guò)重和過(guò)輕都不利于提高裝置的轉(zhuǎn)換效率。負(fù)載控制既能夠優(yōu)化裝置運(yùn)行效果，又能夠提高裝置的發(fā)電效率。為了使發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定和高效地運(yùn)行，設(shè)計(jì)了波浪能發(fā)電裝置的負(fù)載控制系統(tǒng)，并論述了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、實(shí)現(xiàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果2。

研究了岸式波力電站的測(cè)試和負(fù)載控制技術(shù)，通過(guò)定負(fù)載、變轉(zhuǎn)速、定轉(zhuǎn)速三種策略研究了振蕩水柱式波浪能裝置(OWC)的輸出控制技術(shù)。研究了太陽(yáng)能、風(fēng)能最大功率點(diǎn)跟蹤的原理和實(shí)現(xiàn)方法。為了提高波浪能裝置的轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)化裝置的運(yùn)行效果，對(duì)漂浮直驅(qū)式波浪能發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載控制方案進(jìn)行了研究。

漂浮直驅(qū)式波浪能裝置發(fā)電的原理漂浮直驅(qū)式波浪能發(fā)電裝置由振蕩浮子、水下附體和直線發(fā)電機(jī)等組成。水下附體上有一剛性圓筒伸出水而，直線電機(jī)的線圈裝在圓筒內(nèi)，磁軸同振蕩浮子相連，在波浪作用下，振蕩浮子同水下附體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)輸出電能。負(fù)載的大小會(huì)直接影響到振蕩浮子的運(yùn)動(dòng)速度和幅度，波浪能裝置的負(fù)載大小應(yīng)根據(jù)波況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

負(fù)載控制原理能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)通過(guò)克服阻尼將一種能量轉(zhuǎn)換為另一種能量。最佳阻尼是能量轉(zhuǎn)換的特性，其作用不是實(shí)現(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)換，而是能量的高效俘獲。因此，一個(gè)優(yōu)秀的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，不僅要實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換，還要為能量俘獲系統(tǒng)提供最優(yōu)阻尼。任何一個(gè)電源，例如發(fā)電機(jī)、電池或各種信號(hào)源，都含有電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻。

漂浮式直驅(qū)波浪能裝置初步設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有的波浪能發(fā)電裝置的研究分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)下技術(shù)裝備的主要缺點(diǎn)是多級(jí)傳動(dòng)波能利用率低，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜加工制造不便，設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不穩(wěn)定，電能后處理系統(tǒng)輸送困難等。針對(duì)以上的技術(shù)需求，研制了以下的漂浮式直驅(qū)波浪能發(fā)電裝置。

基于現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外水平軸式波浪能發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念。該裝置主要由一個(gè)機(jī)架、兩個(gè)浮筒、一個(gè)鞍型焊件、一個(gè)輪機(jī)、一個(gè)主軸、一個(gè)變速箱、一個(gè)發(fā)電機(jī)和錨鏈等部件構(gòu)成，在浮筒的兩側(cè)對(duì)稱安放著兩個(gè)相同的圓形浮筒，他們和機(jī)架之間利用鞍型焊件進(jìn)行安裝固定，為了最大程度地降低水流對(duì)浮筒的沖擊在浮筒兩端球形面與圓柱體之間切成一定角度的圓角，該裝置設(shè)計(jì)時(shí)為了實(shí)現(xiàn)較大功率的傳動(dòng)，采用了獨(dú)特的大傳動(dòng)比變速箱，通過(guò)它來(lái)鏈接水輪機(jī)的主軸和發(fā)電機(jī)。該波浪能發(fā)電裝置的工作原理:海洋中海浪的流動(dòng)經(jīng)過(guò)水輪機(jī)時(shí)帶動(dòng)水輪機(jī)上的葉輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，水輪機(jī)通過(guò)主軸帶動(dòng)變速箱內(nèi)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，接著變速箱內(nèi)的軸通過(guò)聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)聯(lián)動(dòng)，發(fā)電機(jī)一旦開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)即意味著發(fā)電過(guò)程的開(kāi)始，實(shí)現(xiàn)了波浪能發(fā)電的整個(gè)程序。整個(gè)裝置可以不需要固定安裝在某一個(gè)平臺(tái)上，它能夠借助于機(jī)架兩側(cè)的浮筒漂浮在海面上，然后通過(guò)錨鏈將整個(gè)裝置系泊起來(lái)，穩(wěn)定可靠。該裝置的獨(dú)特之處還在于一改己有裝置的多級(jí)傳動(dòng)方式，采用主軸直連的單級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，使得能量在多級(jí)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中的損耗大幅下降，提高了整個(gè)裝置的波浪能利用率。

該漂浮式直驅(qū)波浪能發(fā)電裝置主要是通過(guò)水輪機(jī)葉片在波浪力與潮流力合力作用下旋轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，從而完成對(duì)波浪能量吸收轉(zhuǎn)換。在深入?yún)⒖剂肆黧w動(dòng)力學(xué)的有關(guān)原理之后，為了盡可能地降低水輪機(jī)葉片受到負(fù)面阻力，選擇了NACA663系列翼型作為該款漂浮式波浪能發(fā)電裝置水輪機(jī)葉片的形狀，它能偶使得海流在經(jīng)過(guò)其表面時(shí)流速相同，從而實(shí)現(xiàn)阻力最小化。

波浪能發(fā)電裝置主要部件的研究采用的漂浮式直驅(qū)波浪能發(fā)電裝置水輪機(jī)的浪翼表面參考航空技術(shù)機(jī)翼采用流線型扁平結(jié)構(gòu)，接觸面積大，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中也有利于分開(kāi)海水，減小阻力;浪翼兩端各固定一個(gè)弧狀翼尖，起保護(hù)浪翼和分流作用，弧狀翼尖用螺釘固定在螺紋孔位置;浪翼內(nèi)部空間大部分是空的，這樣既減輕重量，又使結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。這樣浪翼能在海浪和海流的沖擊下快速的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電。

的波浪能發(fā)電裝置水輪機(jī)采用固定攻角式的浪翼作為課題的研究對(duì)象，它的安裝也很簡(jiǎn)便，直接固定在由主軸和法蘭連接在一起的支撐板上;主軸兩端分別固定在機(jī)架上，在主軸的右側(cè)右端通過(guò)聯(lián)軸器使電機(jī)能夠連在一起，主軸的旋轉(zhuǎn)直接帶動(dòng)了電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)減少了多余轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)對(duì)能量的損耗。

為了提升計(jì)算效率，我們對(duì)葉片建立二維模型并分析它在流場(chǎng)中的各項(xiàng)數(shù)士此處我們簡(jiǎn)化了模型，對(duì)葉片兩端能量的損耗和支撐板、法蘭以及主軸對(duì)選定}l場(chǎng)的影響不予考慮，因?yàn)樗啓C(jī)在葉片高度處的截面每一刻都是相同的。

展望由于時(shí)間和條件的原因，本論文只是對(duì)新型裝置的葉片進(jìn)行了二維仿真分析，簡(jiǎn)化了波浪在實(shí)際海域中的作用，因此，研究后續(xù)還有很多工作可以進(jìn)一步開(kāi)展下去，希望能在接下里的研究中能做到以下幾點(diǎn):

(1>使用Fluent對(duì)葉片進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格劃分，建立三維模型，提高對(duì)水輪機(jī)仿真計(jì)算的準(zhǔn)確度。

(2)海洋可再生能源的發(fā)電電機(jī)的匹配問(wèn)題有待進(jìn)一步改善研究，是影響能量捕獲的主要因素之一。

(3)海洋環(huán)境下，在風(fēng)、浪、流多場(chǎng)禍合力的作用下，機(jī)構(gòu)設(shè)備以及系統(tǒng)整體的防腐、穩(wěn)定性、強(qiáng)度等長(zhǎng)期耐久性問(wèn)題有待進(jìn)一步完善，因此機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)應(yīng)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)工藝性好、便于安裝拆卸、系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單易行。