袁廣民　朱日程　杜鑫鑫

摘 要：本文以當(dāng)前能源緊缺，新型能源崛起為背景，基于一款潮汐能聯(lián)合發(fā)電裝置，首先通過(guò)實(shí)體建模對(duì)此套裝置進(jìn)行介紹，然后對(duì)裝置合理性進(jìn)行理論性分析，最后開(kāi)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)推廣的探究討論。旨在歸類(lèi)總結(jié)當(dāng)前能源兩大熱點(diǎn)方向聯(lián)合的可能性和適配性。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合發(fā)電技術(shù)；潮汐能利用；適配性討論

0 前言

為了更好地落實(shí)能源有效開(kāi)發(fā)、能源節(jié)約這一發(fā)展戰(zhàn)略，通過(guò)建模、設(shè)計(jì)的形式分析潮汐能與光能的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)是極為必要的，在掌握系統(tǒng)工作原理、工作方式的基礎(chǔ)上，大大提高系統(tǒng)利用率，確保所供應(yīng)的電能及時(shí)滿(mǎn)足生產(chǎn)、生活需要，為實(shí)現(xiàn)南海戰(zhàn)略發(fā)展提供可靠的能源平臺(tái)。從中能夠看出，本文針對(duì)潮汐能光能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)的探討這一論題全面分析，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 光能潮汐能發(fā)電系統(tǒng)介紹

傳統(tǒng)斯特林機(jī)是一種以化石燃料為能源的閉循環(huán)回?zé)崾酵馊紮C(jī)，依靠外燃燃料供能就會(huì)出現(xiàn)對(duì)燃料純度要求高且能量耗損大的問(wèn)題。采用的酒精燈供能方式，燃燒效率低，且對(duì)酒精純度有較高要求。而對(duì)于潮汐能的利用方面，通常采用平面轉(zhuǎn)輪槳葉模型來(lái)采集能源。采用的平面轉(zhuǎn)輪槳葉存在著對(duì)于潮汐能利用率低，葉片耗損大的弊端?，F(xiàn)對(duì)新型潮汐能風(fēng)能聯(lián)合發(fā)電設(shè)備進(jìn)行如下簡(jiǎn)介。

1.1 系統(tǒng)組成

此套裝置主要有三個(gè)方面組成。具體為：斯特林聚光機(jī)組、旋轉(zhuǎn)槳葉式潮汐吸收發(fā)電機(jī)組、“超—連”集合裝置。其中斯特林聚光包括聚光鏡、斯特林機(jī)（熱氣缸、 冷氣缸、散熱片、 熱氣缸活塞、冷氣缸活塞、回?zé)崞?、熱氣缸連桿、冷氣缸連桿、套筒、曲軸）。旋轉(zhuǎn)槳葉式潮汐吸收發(fā)電機(jī)組包括大齒輪、小齒輪、反式軸向立式槳葉?！俺B”集合裝置包括超越離合器、錐齒輪、發(fā)電機(jī)、飛輪、鼓形齒式聯(lián)軸器、橢球型穩(wěn)定器。值得指出，發(fā)電機(jī)也是整套發(fā)電機(jī)組的主要組成部分，它主要發(fā)揮能量轉(zhuǎn)換工作，即機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；采用鉛蓄電池可儲(chǔ)存發(fā)電系統(tǒng)的過(guò)剩產(chǎn)能，且規(guī)避同頻率并網(wǎng)的難題，確保生產(chǎn)、生活用電需要得到持續(xù)性滿(mǎn)足。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

具體結(jié)構(gòu)（如圖1所示）左端為斯特林聚光機(jī)組，中間部分為“超—連”集合裝置，通過(guò)超越離合器與鼓形齒式聯(lián)軸器相互配合，實(shí)現(xiàn)兩種能源的聯(lián)合，最右端為旋轉(zhuǎn)槳葉式潮汐吸收發(fā)電機(jī)組。

2 原理介紹與理論分析

由于此套裝置所涉及內(nèi)容較多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此針對(duì)部分重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行詳述。

此套裝置機(jī)械部分主要包括聚光鏡，斯特林機(jī)，飛輪，鼓形齒式聯(lián)軸器，反式軸向立式槳葉，橢球型穩(wěn)定器，發(fā)電機(jī)等裝置。

聚光鏡為一個(gè)半球形的球面反射鏡，安裝于斯特林機(jī)的熱氣缸底部，聚焦太陽(yáng)能加熱斯特林機(jī)的熱氣缸來(lái)為其提供熱能，球面反射鏡的球心位于熱氣缸中軸線上。在太陽(yáng)能利用領(lǐng)域，菲涅爾主要作為光伏聚光設(shè)備的聚光核心部件，將光線從大范圍光區(qū)通過(guò)折射轉(zhuǎn)化為小范圍光區(qū)。廉價(jià)的菲涅爾透鏡一般由透明塑料壓鑄或模塑而成，其尺寸可以在做得比玻璃大的同時(shí)更輕、更經(jīng)濟(jì)，因此，大型的菲涅爾透鏡也被廣泛用在太陽(yáng)灶聚集陽(yáng)光或是太陽(yáng)能熱水器上。

斯特林機(jī)[1]為一個(gè)以聚焦太陽(yáng)光為熱源的外燃機(jī)，主要結(jié)構(gòu)有熱氣缸、冷氣缸、散熱片、活塞、迷宮回廊回?zé)崞?、連桿、曲軸、套筒。散熱片是位于冷氣缸上的銅質(zhì)同心圓環(huán)薄片，用于增加冷氣缸的散熱效率?；?zé)崞魑挥谶B接冷熱氣缸的通道中，熱氣缸向冷氣缸排氣時(shí)氣體對(duì)回?zé)崞魃?，冷氣從冷氣缸回流至熱氣缸時(shí)從回?zé)崞魑諢崃?，充分利用熱能，即太?yáng)能使得熱氣缸活塞先動(dòng)，然后帶動(dòng)冷氣缸活塞動(dòng)，從而依次交替運(yùn)動(dòng)，提高發(fā)電機(jī)效率。套筒內(nèi)圈的軸瓦為黃銅，曲軸為鋼材，二者配合可以降低摩擦，提高零件的使用壽命。連桿和活塞鉸接，連桿可以繞活塞有小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。

飛輪為一個(gè)六孔鋼制輪盤(pán)，在曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)至上下死點(diǎn)（即當(dāng)壓力角等于90度時(shí)，連桿對(duì)從動(dòng)件的驅(qū)動(dòng)力或力矩為零的情形）時(shí)可以利用簡(jiǎn)單的機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置（旋轉(zhuǎn)飛輪）驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)使曲軸沖過(guò)死點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。飛輪具有較好的質(zhì)量，可以?xún)?chǔ)存釋放角動(dòng)能使得斯特林機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。由于曲軸轉(zhuǎn)速是隨轉(zhuǎn)動(dòng)位置而變化的，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速增高時(shí)，飛輪的動(dòng)能增加，把角動(dòng)能貯蓄起來(lái)；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速降低時(shí)，飛輪動(dòng)能減少，把角動(dòng)能釋放出來(lái)。同時(shí)，飛輪可以用來(lái)減少曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的速度波動(dòng)，使運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。

反式軸向立式槳葉（如圖2所示）是由一個(gè)弧形葉片繞主軸陣列旋轉(zhuǎn)形成的，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、潮汐能利用率大的優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)大水下能量采集裝置的工作面積，使對(duì)于潮汐現(xiàn)象引起的海水流動(dòng)所產(chǎn)生的能量進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)化。并與錐齒輪連接，經(jīng)超越離合器，將扭矩匯聚至鼓形齒式聯(lián)軸器，最終傳遞至發(fā)電機(jī)。

橢球型穩(wěn)定器可減少水下負(fù)載對(duì)整體裝置的拉力，同時(shí)增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高裝置穩(wěn)定性與抗損性。

曲軸末端與發(fā)電機(jī)連接的一端還連接有飛輪，用于儲(chǔ)存角動(dòng)能，穩(wěn)定裝置。

電路控制部分主要集中在控制菲涅爾透鏡的追光性。為保證透鏡聚焦太陽(yáng)光的效率最高，應(yīng)使透鏡的聚焦中心實(shí)時(shí)追蹤太陽(yáng)光。此外考慮到灰塵堆積、太陽(yáng)高度角變化以及光敏電阻在同環(huán)境下的敏感度不同問(wèn)題，設(shè)計(jì)多控制變量的敏感電路。

斯特林機(jī)熱力循環(huán)過(guò)程如下：

定溫壓縮過(guò)程：承接自定容冷卻中的熱氣缸運(yùn)動(dòng)，循環(huán)開(kāi)始，冷氣缸連桿推動(dòng)冷活塞向上移動(dòng)，熱活塞不動(dòng)，冷氣缸中氣體被壓縮，向氣缸外放出熱量，氣體溫度不變。

定容加熱過(guò)程：冷氣缸連桿繼續(xù)推動(dòng)冷活塞上移，在氣體壓力與熱氣缸連桿控制下熱活塞向下移動(dòng)，冷氣缸中的氣體通過(guò)回?zé)崞鬟M(jìn)入熱氣缸，氣體通過(guò)回?zé)崞鲿r(shí)溫度升高壓力升高。

定溫膨脹過(guò)程：高溫氣體膨脹推動(dòng)熱活塞向下移動(dòng)，對(duì)外做功，加熱源使熱氣缸中氣體在膨脹做功時(shí)溫度不變，減緩氣壓下降，熱活塞移動(dòng)到下死點(diǎn)。

定容冷卻過(guò)程：熱氣缸連桿控制熱活塞向上移動(dòng)，冷活塞向下移動(dòng)，氣體通過(guò)回?zé)崞鲿r(shí)對(duì)其放熱，溫度降低，壓力下降，等冷熱活塞移動(dòng)到各自端頭整個(gè)循環(huán)完成。

可見(jiàn)此種光能潮汐能集成發(fā)電裝置，采用基于斯特林循環(huán)利用太陽(yáng)能熱效應(yīng)的發(fā)電方式，完全替代單晶硅、多晶硅材料，降低生產(chǎn)能耗，減少污染。采用反式軸向立式槳葉，增加槳葉在水下的穩(wěn)定性，擴(kuò)大水下能量采集裝置的工作面積，使對(duì)于潮汐現(xiàn)象引起的海水流動(dòng)所產(chǎn)生的能量進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)化。采用橢球型穩(wěn)定器減少水下負(fù)載對(duì)整體裝置的拉力，同時(shí)增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高裝置穩(wěn)定性與抗損性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)推廣分析

過(guò)去的十年間，新型能源發(fā)電裝置不斷涌現(xiàn)，其中光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)和自適應(yīng)性潮汐能源產(chǎn)業(yè)已受到了各國(guó)政府的大力支持，發(fā)展清潔能源已經(jīng)被提到國(guó)家戰(zhàn)略層面，光伏發(fā)電一直以清潔為宣傳口號(hào)，但其所使用的硅光板的生產(chǎn)需要消耗大量的能源，也會(huì)產(chǎn)生很大的污染。而采用以太陽(yáng)能為熱源的斯特林循環(huán)發(fā)電，不需要使用能耗高、污染大的單晶硅、多晶硅材質(zhì)的光伏板，真正發(fā)揮了太陽(yáng)能清潔能源的特點(diǎn)。同時(shí)，因地制宜地利用廣袤無(wú)垠海洋中海浪流動(dòng)、起伏的能量發(fā)展潮汐能，解決沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展受制能源限制的困境，將成為未來(lái)的一大發(fā)展趨勢(shì)。

為了解決現(xiàn)有能源緊缺問(wèn)題，提高諸如南海等特殊地區(qū)的能源補(bǔ)給率，充分利用環(huán)境資源，實(shí)現(xiàn)可循環(huán)可再生發(fā)展。此套光能潮汐能集成發(fā)電裝置：基于斯特林循環(huán)利用太陽(yáng)能的熱效應(yīng)發(fā)電，避免使用制作成本大能耗高污染的光伏發(fā)電板。利用反式軸向立式槳葉，增加軸向轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，避免平面槳葉易破損的弊端，增強(qiáng)裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以此適應(yīng)潮汐變化對(duì)裝置的侵蝕。橢球型穩(wěn)定器為中空的橢球型囊腔，可用于減少水下負(fù)載對(duì)整體裝置的拉力，增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高裝置穩(wěn)定性與抗損性。所采用的菲涅爾透鏡具有結(jié)構(gòu)輕巧，聚光度高，光能穿透損失小的特點(diǎn)。終端所采用蓄電池簡(jiǎn)化圖如圖3所示。

在匹配問(wèn)題上，實(shí)際上是指光能潮汐能系統(tǒng)對(duì)于現(xiàn)有環(huán)境的貢獻(xiàn)度以及兩種能源的相互干涉。通過(guò)采用“超—連”集合裝置，“超”即超越離合器，可實(shí)現(xiàn)扭矩的定向傳遞，互不干擾?！斑B”即鼓形齒式聯(lián)軸器，可消除因聯(lián)軸器前后兩軸不共軸線而帶來(lái)的曲軸內(nèi)力。通過(guò)中間的曲軸連接，可以實(shí)現(xiàn)兩種能源的互補(bǔ)發(fā)電不受影響。

4 結(jié)論

基于上述系統(tǒng)特點(diǎn)，可見(jiàn)，針對(duì)南海等偏遠(yuǎn)地區(qū)，此套裝置具有很大的發(fā)展空間。同時(shí)光能潮汐能的聯(lián)合技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)于沿海地區(qū)所蘊(yùn)含豐富的潮汐能的利用，光能的加入也使得發(fā)電更加趨于穩(wěn)定。這對(duì)我國(guó)實(shí)施南海戰(zhàn)略提供了堅(jiān)實(shí)的能源支撐，有利于我國(guó)對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的開(kāi)發(fā)與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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