[科普中國(guó)]-浮力擺式波浪能發(fā)電裝置

浮力擺式波浪能發(fā)電裝置構(gòu)成

海洋波浪能發(fā)電裝置大部分有3~4級(jí)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，如圖所示。在具有三級(jí)能量轉(zhuǎn)換部分的裝置中，一級(jí)能量轉(zhuǎn)換裝置與波浪直接接觸，捕獲波浪能并轉(zhuǎn)換成為裝置的機(jī)械能，或泵送海水將水位升高轉(zhuǎn)換為水的勢(shì)能；一級(jí)能量轉(zhuǎn)換所得到的能量在二級(jí)能量轉(zhuǎn)換裝置中通過(guò)水力透平、空氣透平或液壓馬達(dá)等轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能；最后，旋轉(zhuǎn)動(dòng)能在三級(jí)能量轉(zhuǎn)換裝置中通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，系統(tǒng)最終完成波浪能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電過(guò)程。在四級(jí)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，和上述三級(jí)系統(tǒng)相比，在二級(jí)與三級(jí)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中增加了一級(jí)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，始端和末端的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程基本相同，而中間能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，一級(jí)能量轉(zhuǎn)換所得到的能量在二級(jí)能量轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)液壓或氣壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為液壓能或氣壓能；二級(jí)能量轉(zhuǎn)換裝置中所獲得的液壓能或氣壓能，在三級(jí)能量轉(zhuǎn)換裝置中通過(guò)液壓/氣壓馬達(dá)被轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。具有四級(jí)能量轉(zhuǎn)換部分的波浪能發(fā)電裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是，增加了中間環(huán)節(jié)的液壓或氣壓能的過(guò)渡過(guò)程。利用液壓或氣壓系統(tǒng)良好的可控性和平穩(wěn)性。1

如圖可以看出，在一級(jí)能量轉(zhuǎn)換裝置中，海洋波浪力直接作用在浮力擺上，將波浪能轉(zhuǎn)換為擺的機(jī)械能。在二級(jí)能量轉(zhuǎn)換裝置中，液壓/氣壓系統(tǒng)將浮力擺捕獲的能量轉(zhuǎn)換成為液壓/氣壓能。液壓/氣壓馬達(dá)是液壓/氣壓系統(tǒng)的一部分，作為其與發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的銜接部分，是三級(jí)能量轉(zhuǎn)換部分，將液壓/氣壓能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。在四級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成為電能，從而系統(tǒng)完成整個(gè)發(fā)電過(guò)程。從總體結(jié)構(gòu)來(lái)看，浮力擺式波浪能發(fā)電裝置主要由機(jī)械部分與電氣部分組成。1

浮力擺式波浪能發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)波浪力計(jì)算波浪是取之不盡、用之不竭的可再生能源。由于波浪力具有隨機(jī)性，利用波浪時(shí)很難從理論上取得波浪對(duì)于浮力擺的力作用形式及其隨時(shí)間變化的規(guī)律，這就給浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。無(wú)論是浮力擺翼型的設(shè)計(jì)，還是液壓系統(tǒng)中各液壓元件的選型，以及發(fā)電機(jī)的選型，都與波浪力的作用形式有著密切的關(guān)系，所以波浪力的計(jì)算與仿真在浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)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(shí)驗(yàn)室完成對(duì)于浮力擺式發(fā)電裝置真實(shí)海況下發(fā)電的模擬，從而減少發(fā)電裝置在實(shí)地實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)意外情況的概率，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行部分深海實(shí)驗(yàn)的模擬以及裝置的改進(jìn)，增加海試實(shí)驗(yàn)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(jì)，因此波浪力分析時(shí)多采用理想流體的勢(shì)流理論。即便如此，確定波浪作用在浮力擺上的力也是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作。即使對(duì)于長(zhǎng)方體薄板，計(jì)算其波浪力的作用也十分復(fù)雜，那么對(duì)于具有復(fù)雜翼型的浮力擺就更難得到波浪力的數(shù)值。而且，浮力擺在波浪力的作用下作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，周圍的流場(chǎng)也會(huì)隨著變化，從而導(dǎo)致波浪力也會(huì)發(fā)生變化。所以，浮力擺與波浪之間是一個(gè)相互耦合的作用問(wèn)題。 1

功率穩(wěn)定性由于波浪本身的隨機(jī)波動(dòng)性，不可避免地造成了波浪能發(fā)電裝置輸出功率的不穩(wěn)定，所以這自然成為浮力擺式波浪能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。解決功率穩(wěn)定性的問(wèn)題實(shí)際上就是要穩(wěn)定系統(tǒng)中的能量波動(dòng)，現(xiàn)在的浮力擺式裝置中通常采用飛輪和蓄能器這兩種元件作為儲(chǔ)能元件來(lái)減緩系統(tǒng)中的能量波動(dòng)。當(dāng)波速大時(shí)，液壓馬間通過(guò)飛輪連接。當(dāng)波速大時(shí)，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速高，飛輪儲(chǔ)存能量；反之，當(dāng)波速小時(shí)，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速低，飛輪釋放能量。這樣，緩和了系統(tǒng)中的能量波動(dòng)，穩(wěn)定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

但由于飛輪本身會(huì)消耗一定的能量，而且飛輪的安裝和維修均不方便，所以現(xiàn)有的波浪能發(fā)電裝置中的液壓系統(tǒng)很少使用飛輪作為儲(chǔ)能元件。相較于飛輪，蓄能器具有安裝方便、使用壽命長(zhǎng)、噪聲小、作為補(bǔ)給裝置、保持系統(tǒng)安全壓力、波動(dòng)小等諸多優(yōu)點(diǎn)，蓄能器在波浪能發(fā)電液壓系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。浪速大時(shí)，液壓系統(tǒng)油壓增大，此時(shí)蓄能器儲(chǔ)能；浪速小時(shí)，液壓系統(tǒng)中的油壓隨之降低，蓄能器釋放儲(chǔ)存的能量。在這樣一個(gè)周期限性的過(guò)程中，系統(tǒng)中的壓力和流量得到穩(wěn)定，從而穩(wěn)定了系統(tǒng)的輸出功率。常規(guī)液壓系統(tǒng)蓄能器蓄能穩(wěn)壓基本都針對(duì)某一確定范圍的工作壓力而設(shè)定，而波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)的壓力在零到極限壓力之間波動(dòng)，因此蓄能器的設(shè)計(jì)及計(jì)算并不能照搬常規(guī)方法。1

應(yīng)用實(shí)例中國(guó)國(guó)家海洋技術(shù)中心浮力擺式波浪能發(fā)電裝置

中國(guó)國(guó)家海洋技術(shù)中心于2012年研發(fā)100kW浮力擺式波浪能發(fā)電裝置，目前該電站在山東省即墨市大管島進(jìn)行海試運(yùn)行。波浪能發(fā)電系統(tǒng)采用離岸浮力擺形式，由擺板、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)三部分組成。擺板的擺軸位于擺板底部，擺板在波浪的作用下偏離平衡位置，此時(shí)擺板在浮力作用下向平衡位置恢復(fù)，同時(shí)擺板還受到重力和水的阻力作用，從而使擺板繞擺軸前后擺動(dòng)。2