海上灯浮标晃动发电装置设计试验分析

北海航海保障中心大连航标处 崔玉亮



海上灯浮标晃动发电装置设计试验分析

北海航海保障中心大连航标处 崔玉亮

摘要：波浪能是一种分布广泛、技术环境友好的可再生环保能源，利用波浪能发电为海上灯浮标提供能源补给具有良好的经济效益和社会效益。介绍将波浪能发电应用于灯浮标发展现状，结合航标工作实际设计一种新型的灯浮标晃动发电装置并进行定性试验分析，最后对装置的进一步改进提出建议。

关键词：波浪能；灯浮标；晃动发电

目前，海上灯浮标发光所需能源主要是太阳能。太阳能供电系统一般由太阳能电池板、蓄电池、控制系统三部分组成。电池板吸收太阳能给蓄电池充电，蓄电池为浮标灯发光提供电力保障，控制系统则主要控制蓄电池避免充电过载或者电力不足。太阳能海上浮标供电系统主要的问题是设备成本高，太阳能利用率低，天气因素（如刮风下雨、日照不足、鸟粪遮蔽）的影响大，同时，现在使用的太阳能蓄电池体积和重量都很大，给航标工作人员海上维护造成了很多的安全问题。

海洋波浪是在风的压力和海平面摩擦力作用下形成的，在风的持续作用下，波浪逐渐生长，形成巨大的涌浪。世界上最丰富的波浪能资源出现在南北纬30°～60°的大洋东面，年平均能流密度可以达到20～100 kW/m2。［1］我国沿海的波浪能资源非常丰富。根据观测到的波浪资料统计计算表明，我国沿岸波浪能资源理论量为1.29×107kW，以台湾省沿岸最丰富，其次是浙江、广东、福建和山东沿岸。全国沿岸波浪能流密度分布，以浙江中部、台湾省、福建省海坛岛以北、渤海海峡为最高，达到了5.11～7.73 kW/m2；其次是西沙、广东东部、浙江北部和南部等地区。利用海洋中波浪起伏、海流扰动、潮汐等海洋动能，通过晃动的惯性作用将其转化成电能，为灯浮标上的灯器提供能源补给，一直以来都是广大航标工作人员的心愿。

一、灯浮标波浪能发电装置的发展现状

灯浮标漂浮在海平面上，锚链系统牵引着浮标在一定的半径内随着波浪耦合运动，利用波浪动力为海上灯浮标发光提供能源不仅成本较低不受天气因素影响，而且可以大大降低航标工人的维护保养次数，降低劳动强度，具有明显的社会效益和经济效益。针对这一设想，国内外科研机构做了大量的探索尝试，1965年，波浪能发电的浮标灯由日本最先研究制成并应用，1986年韩国首尔工业大学院设计出了利用空气透平式的浮标灯用的波浪能发电装置，通过几十年的研究，已有20～1 000 W的多种型号浮标用发电装置，到目前为止该系列产品已经生产1 000多台，在日本、美国等国使用。国内最早研究灯浮标发电装置的是中国科学院广州能源研究所于1985年至1987年期间研发的10 W的航标灯用波浪发电装置，之后又陆续研发了60 W、100 W航标灯（船）。到2003年，他们成功开发利用对称翼透平的航标灯用波浪发电装置，在0.3 m浪高、周期3 s浪况下可以满足航标灯浮标用电。该装置在广东沿海珠江口、湛江、泉州、上海等地使用，并出口日本、英国。此外，大连海事大学、北海航海保障中心大连航标处等院校和单位也进行了积极探索尝试。

二、灯浮标晃动发电装置方案设计

灯浮标海上晃动发电装置设计思路由经典的波浪能三级能量转换组成：第一级是波浪能的俘获装置，第二级是将俘获的波浪能转换成机械能的转换装置，第三级是在发电机的作用下将机械能转换成电能并输出装置。即在波浪的晃动作用下浮标产生上、下、左、右、旋转等运动，浮标的晃动带动能量俘获装置，获取波浪能；波浪能通过一系列的机械元件产生往复的机械能，进而驱动发电机工作产生电能。

根据北方海区常用的灯浮标尺寸，结合发光灯器的功率要求，设计了如图1所示的海上灯浮标晃动发电装置。装置由三大部分组成：由摆锤轮、摆杆、中心转轴组成的波浪能的俘获装置，由增速齿轮、上条齿轮、定力矩离合器、上弦飞轮、止回飞轮、发条盒、发电齿轮、调速器组成的机械能转换装置，由发电机组成的电能输出装置。

图1 海上灯浮标晃动发电装置结构图

灯浮标晃动发电装置水平固定安装在浮标的浮鼓上，具有以下优点：一是结构简单，无须改变浮标的结构形式；二是没有水下部件，很好地将外部海洋环境和装置隔离，避免了海水腐蚀、海洋生物附着等影响；三是生存能力显著，装置虽然安装在浮鼓上，但是不影响灯浮标正常工作，这就增强了在恶劣气候条件下装置的生存能力，确保输出电能的连续性。

三、灯浮标晃动发电装置的工作方式

根据计算，当灯浮标与海平面之间的偏角≥15°时，摆锤轮在浮标晃动力的作用下开始转动，当摆锤轮逆时针转动时，通过摆杆带动中心转轴作逆时针转动，中心转轴的转动带动增速齿轮作顺时针转动，增速齿轮经过三级增速后带动上条齿轮作逆时针转动，当上条齿轮轴所释放出来的力矩值低于定力矩离合器所设定的值1.95 N·m时，定力矩离合器处于接合工作状态，当上条齿轮轴所释放出来的力矩值高于定力矩离合器所设定的值1.95 N·m时，定力矩离合器处于空转打滑工作状态。上条齿轮轴转动所释放的力带动上弦飞轮旋转，此时上弦飞轮逆时针旋转带动发条盒中的发条逆时针旋转上弦，同时上弦飞轮在止回飞轮的制动下只做轴空转，不带动发条上弦工作。顺时针方向转动同理。

当两个发条盒中的发条储存的总力矩值大于发电机静态启动力矩T静时，两个发条盒的发条推动发电齿轮旋转，带动低速永磁直流发电机发电，过渡齿轮的作用主要是调节发电齿轮旋转方向，确保轴旋转方向一致。根据设计计算，当发电轴的轴转速R≥85 r/min时，调速器开始启动工作，降低发电轴的转速直至不大于85 r/min。当两个发条盒中发条释放的总力矩值T≤0.97 N·m时，发电机停止工作。

四、灯浮标晃动发电装置试验分析

灯浮标晃动发电装置安装在浮标浮鼓上，通过与浮标的耦合运动形式主要有三种，即垂荡、横荡和横摇。因为装置波浪能俘获装置摆锤垂直于水平面，在理论上垂荡对摆锤旋转没有影响。本文通过一系列的试验定性分析了不同海况、波浪幅度、波浪周期、摆锤摆长、摆锤质量等因素对发电性能的影响。

通过加工装置样机进行模拟实验，实物内部结构如图2所示，装置样机如图3所示，由于直接测量摆锤的运动数据比较困难，装置发电实验的复杂性导致难以操控，模拟实验是在稳定的陆地环境下进行的，箱体的晃动周期、倾角等均是在稳定输出状态下进行的，同时受模拟波浪装置的实验条件限制，因此我们只对装置进行了定性分析，结果如下：在其他条件一定时，横荡幅度越大，平均发电功率越大，横荡周期越小，平均发电功率越大；在其他条件一定时，波浪级别的增加对平均发电功率影响有限，不能单纯认为波浪级别越高，平均发电功率越大；在其他条件一定时，摆锤质量越大，平均发电功率越大，摆锤摆长越长，平均发电功率越大。

图2 灯浮标晃动发电装置样机内部结构图

图3 灯浮标晃动发电装置样机模拟实验

通过试验分析和实际运行对灯浮标晃动装置提出了如下改进措施:

（1）根据实验的定性分析可知，增大摆锤质量、增长摆长均可以提高平均发电功率，考虑到浮标浮鼓的表面积、形状和浮标晃动的幅度，增长摆长是更为可行的方法，所以在对装置的改进中，适当增加摆长的长度，降低摆锤的质量，对平均发电功率有着显著的提升。

（2）灯浮标晃动发电装置全部构件为机械元件，在实际运行过程中，机械齿轮长时间的咬合增大了磨损，降低了整个装置的发电效率。在今后的改进中，可以考虑适当减少机械元件，适当使用液压元件，这样不仅提升了装置的发电效率，而且可以提高装置的可靠性和稳定性。

（3）灯浮标晃动发电装置在设计时没有储电装置，如遇到长时间的风平浪静等极端天气时，对灯浮标的连续正常发光将产生影响。在今后的改进中，应当增加蓄电池和控制器，确保输出电流的稳定性和连续性。

参考文献：

［1］游亚戈，盛松伟，吴必军.海洋波浪能发电技术现状与前景［M］//第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集.2012:9-16.

DOI:10.16176/j.cnki.21-1284.2016.07.006

作者简介：崔玉亮（1983—），男，硕士，工程师，E-mail：yuliangcui1983@163.com