鐘小龍1 葉榮春 熊正燁

(1.廣東海洋大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東 湛江 524088; 2.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

1 概 述

海洋中的波浪能利用潛力巨大，全球可利用的波浪能估計(jì)高達(dá)1億～10億kW[1]。中國(guó)理論上可利用的波浪能高達(dá)7000萬kW，相當(dāng)于數(shù)十個(gè)葛洲壩工程發(fā)電量[2]。從1799 年法國(guó)的吉拉德父子獲得了首項(xiàng)波浪能發(fā)電專利開始，各國(guó)紛紛研究波浪能轉(zhuǎn)換裝置。隨后英國(guó)索爾特發(fā)明了點(diǎn)頭鴨式裝置，科克里爾發(fā)明了波面閥式裝置，考文垂理工學(xué)院發(fā)明了海蚌式裝置[3-4]。

波浪能的發(fā)電方式按中間能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)主要分為機(jī)械式、氣動(dòng)式和液壓式三大類。從工程性質(zhì)上主要分為振蕩浮子式、越浪式、振蕩水柱式三種類型，其中浮子式和水柱式對(duì)海況要求不高。越浪式一般用于潮汐能發(fā)電。越浪式波浪能發(fā)電本質(zhì)是利用水的重力勢(shì)能發(fā)電，它對(duì)海況要求較高，必須靠近海岸線建設(shè)。振蕩浮子式和振蕩水柱式對(duì)海況要求不高，很小的波浪能也發(fā)電。但是由于海況復(fù)雜而且波浪變化莫測(cè)，極端天氣的降臨都加大了發(fā)電裝置的負(fù)載，波浪時(shí)快時(shí)慢增大了對(duì)齒輪和傳動(dòng)軸的考驗(yàn)。由于水柱式發(fā)電機(jī)對(duì)于橫向的波浪能轉(zhuǎn)換的效率比較低，因此振蕩浮子式發(fā)電機(jī)是目前最具應(yīng)用前景的波浪發(fā)電裝置[5]。本文對(duì)現(xiàn)有的振蕩浮子式發(fā)電機(jī)做了一些改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種搖擺式波浪發(fā)電裝置，可提高發(fā)電機(jī)使用壽命。

2 設(shè)計(jì)原理

為提高系統(tǒng)安全性，將發(fā)電裝置(見圖1)固定于水面上方，使之不與海水接觸，這樣可以提高發(fā)電系統(tǒng)的安全性。將俘獲波浪能的浮子和傳動(dòng)部分置于波浪沖擊水平面，這樣只有部分機(jī)械裝置與海水有接觸，避免電氣部分與海水接觸，便于電氣維護(hù)和水下構(gòu)件的維護(hù)和更換。浮子在波浪的驅(qū)動(dòng)下擺動(dòng)帶動(dòng)齒輪，齒輪通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸發(fā)電。

圖1 改進(jìn)的振蕩浮子式發(fā)電裝置示意

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

為了評(píng)估發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)化效率，將發(fā)電裝置置于水槽中。水槽注入水后，以起浪器起浪。浪高約為4cm，周期為0.5s。由于受波浪沖擊的泡木板(圖1中的浮子)寬度l為16cm，發(fā)電裝置受波浪沖擊的功率可由下式計(jì)算[6-7]：

(1)

式中p——波浪單位長(zhǎng)度線(垂直于波傳播線，或沿波面上)上波浪的平均功率；

ρ——水的密度；

g——重力加速度；

Hm0——主浪浪高；

T——主浪周期。

代入數(shù)據(jù)可得沖擊發(fā)電裝置的波浪的平均功率約為61.2mW。

以圖2所示電路完成相應(yīng)測(cè)量。圖2中R1為變阻箱，用作輸出電阻，POW1為發(fā)電裝置，圖中沒有標(biāo)注發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻(測(cè)量得到發(fā)電機(jī)及電路導(dǎo)線的總內(nèi)電阻為25Ω)，整流電路用二極管表示。保持波浪主頻率不變，水箱中起浪水波的幅度不變(約為4cm)。改變電阻箱的電阻，所得測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

圖2 轉(zhuǎn)化效率的測(cè)量電路

RL/ΩUL/VPout/mWPE/mWη/%50.13±0.033.4±1.520.4±9.333±15100.27±0.077.8±3.727±1344±21200.30±0.024.4±0.79.9±1.516±3500.43±0.103.9±1.85.8±2.79.5±4.41000.49±0.052.46±0.483.08±0.595.0±0.92000.68±0.162.4±1.22.7±1.34.4±2.15000.84±0.141.48±0.461.55±0.482.5±0.810000.90±0.120.82±0.210.84±0.211.4±0.4

表1中，RL為負(fù)載電阻，UL為輸出電壓，即負(fù)載的端電壓；Pout為負(fù)載的功率；PE為發(fā)電機(jī)的總電功率，η為發(fā)電機(jī)模型的功電轉(zhuǎn)化效率。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的總電功率是內(nèi)阻消耗的功率加上外接電阻的功率。總電功率可由下式表示：

PE=I2R=I2(r+RL)

(2)

式中r——發(fā)電機(jī)線圈的內(nèi)阻；

RL——外接電阻；

I——流過電阻的電流。

4 效率與功率的討論

4.1 功電轉(zhuǎn)化效率討論

由總電功率除以波浪的平均功率得到發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的功電轉(zhuǎn)化效率(功電轉(zhuǎn)化效率隨外接電阻的變化規(guī)律見圖3)。

圖3 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)功電轉(zhuǎn)化效率隨外接電阻的變化

由圖3可以看出，在外接電阻比較小(小于20Ω)或負(fù)載比較大時(shí)，功電轉(zhuǎn)化效率較高。外接電阻值約為10Ω時(shí)，功電轉(zhuǎn)化效率最大，可達(dá)到45%左右。外接電阻過小，會(huì)使發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流過大，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)難以轉(zhuǎn)動(dòng)，從而水的機(jī)械能難以傳遞給發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；外接電阻過大時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分隨水流轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流仍然較小，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分“隨波逐流”，水的機(jī)械能也難以傳遞給發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，或者說傳遞效率不高。只有在負(fù)載合適時(shí)，水波在推動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，能將最多的機(jī)械能“交給”發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。譬如在本實(shí)驗(yàn)中，在水波高度約為4cm的條件下，負(fù)載電阻為10Ω時(shí)達(dá)到最大(45%左右)。

4.2 輸出功率討論

發(fā)電機(jī)的輸出功率也就是外電阻消耗的電功率，它可由下式表示：

(3)

式中的ε為發(fā)電機(jī)線圈所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。如果電動(dòng)勢(shì)為定值，外接電阻RL=r時(shí)，輸出功率可達(dá)最大。但對(duì)本系統(tǒng)，即使波浪能功率相同，但因?yàn)橄到y(tǒng)功電轉(zhuǎn)化效率不同，導(dǎo)致外接不同負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)線圈中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)并不相同(見圖4)。由圖4可以看出，負(fù)載在10～20Ω時(shí)具有較大的功率輸出。

5 結(jié) 論

本文研制了波浪發(fā)電系統(tǒng)模型裝置，并對(duì)該發(fā)電裝置進(jìn)行相關(guān)測(cè)量，得到了以下結(jié)論：波浪發(fā)電的功電轉(zhuǎn)換效率與負(fù)載具有一定關(guān)系，要使系統(tǒng)達(dá)到較高的功電轉(zhuǎn)換效率必須合理調(diào)節(jié)負(fù)載。對(duì)于本設(shè)計(jì)，負(fù)載約為10Ω時(shí)，系統(tǒng)的功電轉(zhuǎn)換效率最高，可達(dá)45%；設(shè)計(jì)的波浪發(fā)電裝置在負(fù)載為10～20Ω的范圍內(nèi)，可以獲得較好的功率輸出。