[科普中國]-漂浮直驅(qū)式波浪能發(fā)電裝置

簡介

漂浮直驅(qū)式波浪能裝置是通過直線電機將波浪能轉(zhuǎn)換成電能的一種新型發(fā)電裝置、負載控制技術(shù)是波 浪能發(fā)電中的關(guān)鍵技術(shù)之一，負載控制一方面可調(diào)整裝置的運行狀態(tài)，另一方面可優(yōu)化裝置的轉(zhuǎn)換效率，負載控制系統(tǒng)可按照直線電機輸出電壓的大小自動調(diào)整裝置的負載大小，負載分為3級:基木負載、一級負載、二級負載試驗表明，負載控制系統(tǒng)實現(xiàn)了按電壓進行分級控制的目的，為實海況下按照平均波高分級控制打下了基礎(chǔ)、海洋能是清潔的可再生能源，開發(fā)利用海洋能對緩解能源危機和環(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)、點吸收式(振蕩浮子)技術(shù)、鴨式技術(shù)等。點吸收式技術(shù)近年來發(fā)展很快，該技術(shù)采用浮子俘獲波浪能，通過與浮子連接的液壓裝置將波浪能轉(zhuǎn)換成液壓能，再通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能。目前建成的點吸收式裝置有英國的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)換效率和所帶負載有很大關(guān)系，負載過重和過輕都不利于提高裝置的轉(zhuǎn)換效率。負載控制既能夠優(yōu)化裝置運行效果，又能夠提高裝置的發(fā)電效率。為了使發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定和高效地運行，設(shè)計了波浪能發(fā)電裝置的負載控制系統(tǒng)，并論述了該系統(tǒng)的設(shè)計思想、實現(xiàn)方法和試驗結(jié)果2。

研究了岸式波力電站的測試和負載控制技術(shù)，通過定負載、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)。研究了太陽能、風(fēng)能最大功率點跟蹤的原理和實現(xiàn)方法。為了提高波浪能裝置的轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)化裝置的運行效果，對漂浮直驅(qū)式波浪能發(fā)電系統(tǒng)的負載控制方案進行了研究。

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)電機等組成。水下附體上有一剛性圓筒伸出水而，直線電機的線圈裝在圓筒內(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)生相對運動，驅(qū)動直線發(fā)電機輸出電能。負載的大小會直接影響到振蕩浮子的運動速度和幅度，波浪能裝置的負載大小應(yīng)根據(jù)波況進行自動調(diào)節(jié)。

負載控制原理能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)通過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，其作用不是實現(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)換，而是能量的高效俘獲。因此，一個優(yōu)秀的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，不僅要實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換，還要為能量俘獲系統(tǒng)提供最優(yōu)阻尼。任何一個電源，例如發(fā)電機、電池或各種信號源，都含有電動勢和內(nèi)阻。

漂浮式直驅(qū)波浪能裝置初步設(shè)計方案經(jīng)過對現(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)裝備的主要缺點是多級傳動波能利用率低，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)計理念。該裝置主要由一個機架、兩個浮筒、一個鞍型焊件、一個輪機、一個主軸、一個變速箱、一個發(fā)電機和錨鏈等部件構(gòu)成，在浮筒的兩側(cè)對稱安放著兩個相同的圓形浮筒，他們和機架之間利用鞍型焊件進行安裝固定，為了最大程度地降低水流對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)計時為了實現(xiàn)較大功率的傳動，采用了獨特的大傳動比變速箱，通過它來鏈接水輪機的主軸和發(fā)電機。該波浪能發(fā)電裝置的工作原理:海洋中海浪的流動經(jīng)過水輪機時帶動水輪機上的葉輪進行旋轉(zhuǎn)，水輪機通過主軸帶動變速箱內(nèi)的軸轉(zhuǎn)動，接著變速箱內(nèi)的軸通過聯(lián)軸器與發(fā)電機聯(lián)動，發(fā)電機一旦開始運轉(zhuǎn)即意味著發(fā)電過程的開始，實現(xiàn)了波浪能發(fā)電的整個程序。整個裝置可以不需要固定安裝在某一個平臺上，它能夠借助于機架兩側(cè)的浮筒漂浮在海面上，然后通過錨鏈將整個裝置系泊起來，穩(wěn)定可靠。該裝置的獨特之處還在于一改己有裝置的多級傳動方式，采用主軸直連的單級傳動結(jié)構(gòu)，使得能量在多級轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中的損耗大幅下降，提高了整個裝置的波浪能利用率。

該漂浮式直驅(qū)波浪能發(fā)電裝置主要是通過水輪機葉片在波浪力與潮流力合力作用下旋轉(zhuǎn)來帶動電機轉(zhuǎn)動發(fā)電，從而完成對波浪能量吸收轉(zhuǎn)換。在深入?yún)⒖剂肆黧w動力學(xué)的有關(guān)原理之后，為了盡可能地降低水輪機葉片受到負面阻力，選擇了NACA663系列翼型作為該款漂浮式波浪能發(fā)電裝置水輪機葉片的形狀，它能偶使得海流在經(jīng)過其表面時流速相同，從而實現(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)電裝置水輪機的浪翼表面參考航空技術(shù)機翼采用流線型扁平結(jié)構(gòu)，接觸面積大，在轉(zhuǎn)動過程中也有利于分開海水，減小阻力;浪翼兩端各固定一個弧狀翼尖，起保護浪翼和分流作用，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)堅固。這樣浪翼能在海浪和海流的沖擊下快速的轉(zhuǎn)動，帶動電機發(fā)電。

的波浪能發(fā)電裝置水輪機采用固定攻角式的浪翼作為課題的研究對象，它的安裝也很簡便，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架上，在主軸的右側(cè)右端通過聯(lián)軸器使電機能夠連在一起，主軸的旋轉(zhuǎn)直接帶動了電機的運轉(zhuǎn)減少了多余轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)對能量的損耗。

為了提升計算效率，我們對葉片建立二維模型并分析它在流場中的各項數(shù)士此處我們簡化了模型，對葉片兩端能量的損耗和支撐板、法蘭以及主軸對選定}l場的影響不予考慮，因為水輪機在葉片高度處的截面每一刻都是相同的。

展望由于時間和條件的原因，本論文只是對新型裝置的葉片進行了二維仿真分析，簡化了波浪在實際海域中的作用，因此，研究后續(xù)還有很多工作可以進一步開展下去，希望能在接下里的研究中能做到以下幾點:

(1>使用Fluent對葉片進行動網(wǎng)格劃分，建立三維模型，提高對水輪機仿真計算的準(zhǔn)確度。

(2)海洋可再生能源的發(fā)電電機的匹配問題有待進一步改善研究，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、流多場禍合力的作用下，機構(gòu)設(shè)備以及系統(tǒng)整體的防腐、穩(wěn)定性、強度等長期耐久性問題有待進一步完善，因此機構(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)組成簡單易行。