气筒风光式海浪电站的结构及前景

邢志光

（唐山钢铁集团有限责任公司物流分公司 唐山 063000）

气筒风光式海浪电站的结构及前景

邢志光

（唐山钢铁集团有限责任公司物流分公司 唐山 063000）

由于传统的化石燃料能源体系造成环境污染、燃料储量逐渐减少等后果以及人类希望改变以掠夺地球的方式获得能源等因素，新能源项目（主要包括自然界中的太阳能、风能、海浪能等）以其绿色无污染的巨大优势在世界各地纷纷兴起，但自然能源虽总量大但具体到单位面积能量微小、收集困难、设备昂贵且较不稳定。海洋能是其中能量较集中、分布较广且较稳定的能源，但目前尚未找到好的大规模利用的方式，将多种自然能源同时集中联合利用应是未来发展方向。海岸是海浪能、风能、太阳能集中的地点之一，气筒风光式海浪电站以海浪能为基础，将上述3种自然能源汇聚于一点加以联合利用，希望能为新能源的利用做出新的尝试。

海浪能；风能；太阳能；新能源；电力工业；海洋新兴产业

海浪可分为风浪、涌浪和近岸浪3种，海浪是海面起伏形状的传播，就某一点来说是水质点离开平衡位置做上下周期性振动并向一个方向传播而形成的一种波动。水质点的振动能产生动能、海浪的起伏能产生势能，这两种能量的累计数量是惊人的，全球海洋仅风浪和涌浪产生的总能量就相当于到达地球外侧太阳能量的50%。

1 气筒风光式海浪电站的原理

根据阿基米德浮力定律以及作用力与反作用力原理，漂浮在海面上的漂浮体其浮力大小等于物体浸入水中部分排开海水体积的重量，方向为垂直向上；海面每时每刻不停处于上下起伏运动状态，漂浮体同样随海面做上下起伏运动。

如果在海面上设置高度适当并固定的倒立的n个打气筒，将各个打气筒的出气口互相连通，连杆下面连接浮漂，通过海浪的上下起伏推动浮漂、连杆、皮碗将气筒中的气体压入密闭容器，与发动机、火力发电机和燃气轮机利用气体做功的原理相同，能量转化过程为海浪能→压缩气体→推动涡轮机做功。同时辅以太阳能将收集的压缩气体加热，通过热胀冷缩原理将气体体积进一步放大以增大压强；在涡轮机出风口接入引风，加速风流速度，进一步提高输出功率。

2 气筒风光式海浪电站的结构

2.1 总体结构

气筒风光式海浪电站由风能、海浪能和涡轮机、太阳能以及蓄能器4部分组成。其中：风能部分主要包括风机、引风机、引风筒、连管等；海浪能和涡轮机部分主要包括浮筒、气筒、单向阀、集气包、框架、导向、连管、涡轮发电机等；太阳能部分为曲面反射板（图1）。

图1 气筒风光式海浪电站总体结构

2.2 工作过程

随着海浪的起伏，浮筒上下运动。在海浪向波谷运动时，由于自身重量因素浮筒向下运动，带动连杆、皮碗向下运动，气筒内空间增大、压强减小，出气单向阀关闭，进气单向阀打开，气筒完成吸气过程（图2左）；在海浪向波峰运动时，海水对浮筒产生浮力，首先克服浮筒的自重和集气包中的压强，这时浮筒浸入海中一部分、消耗一部分浮力，但浮筒没有上升（图2中）；随着海浪继续上升，浮力进一步增大，推动浮筒向上运动，带动连杆、皮碗向上运动，气筒内空间减小、压强增大，进气单向阀关闭，出气单行阀打开，将气体压入集气包（图2右）。

图2 气筒风光式海浪电站工作过程

集气包是由数根相连通的管道组成的具有较大空间的气体压力容器，其下方设置与其曲率相同的太阳能反射板将太阳能热量反射到集气包上，加热其中的气体，压缩气体进入涡轮机带动发电机做功输出电力；同时，出风口与引风筒相连，通过设置在引风筒外的风机扇叶，由自然风提供动力，带动引风筒内的引风机扇叶高速转动，加速气流流动速度，进一步提高功率；特殊情况气压较低时，由蓄能器向集气包补充气流。

2.3 蓄能器

在海浪较大时，集气包总的气压过大，超过涡轮机输出压强和流量，这时这部分气体将进入与集气包相连的蓄能器中，进行有效存储；在海浪较小、供气压力不足时，蓄能器中的气体进入集气包补充进气量，保持系统进入涡轮机的气压稳定，使输出功率平稳。

2.4 框架结构和其他

在整个结构中，框架起着承受整个海浪浮力、对各个海中构件进行固定和支撑的作用，基本框架结构如图3所示。立柱与海底固定，从上到下设置3层平台，分别是起重平台、集气包和反射板平台以及气筒固定和检修平台；浮筒为长方体形状，每个浮筒的4根立柱位于其对角线的延长线上，浮筒的4个角上设置滚轮，滚轮可沿立柱滚动，这样就限定浮筒必须沿立柱做上下直线运动。由于浮筒长期浸入海水中，宜选择耐腐蚀、密度小且具有一定强度的材料，一般以泡沫材料较为适合。

图3 框架结构

气筒宜采用多级伸缩式单作用气缸，考虑到潮汐（潮差1～2 m）的原因，对气缸的伸缩长度要求较高；集气包采用钢制材料，表面可做一定处理，使其具有增大吸收太阳能并保温的作用；集气包下方设置太阳能反射板，可设置为卡入式，方便清洗、维护和更换。

图3所示的为1个浮筒单元，电站由n个这样的单元构成，且2个相邻的浮筒可使用同一个立柱。

3 主要参数

3.1 以汽轮机蒸汽参数为例计算电站主要参数

以杭州汽轮机厂产品为参考，选择型号为N1.5-1.27（产品代码Q05）、额定功率1 500 k W、进气参数压力1.275 M Pa、进气量10.0 t／h、温度340℃的汽轮机参数为例，进行计算。

3.2 压强

根据海浪线平行于岸线和尽量减少占海面积的考虑，浮筒形状选为长方体（图3）。在海浪高度一定的情况下，浮筒的体积和气筒的直径决定压力和流量的大小，现以以下数据为例进行计算。

海浪高度：1.5 m；浮筒尺寸和体积：长×宽×高= 2.5 m×1.6 m×2 m=8 m3；浮筒浸入海中0.5 m时海水的浮力：体积=2.5 m×1.6 m×0.5 m=2 m3，浮力=2 m3×1 000 kg=2 000 kg（水的密度为1 t／m3）；气筒直径为14 cm，截面积：S=πr2=7 cm×7 cm× 3.14=153.86 cm2≈154 cm2=0.015 386 m2。

海浪由波谷向波峰运动时浮力需要克服两个阻力：①浮筒、连杆重量。浮筒可采用泡沫材料（密度约为30 kg／m3），体积为4 m3，重量G=4×30= 120 kg；连杆可选用铝合金或钢制材料，由于直径较小、重量较轻，上述二力对浮力（浸入0.5 m、浮力2 000 kg）来说可忽略不计。②集气包中的气体压强。据汽轮机参数，集气包中的气体压强为1.275 M Pa；如果浮筒上升0.5 m，则浮力为2.5× 1.6×0.5×1 000=2 000 kg，压强为2 000／154= 12.987 kg／cm2=1.298 7 M Pa＞1.275 M pa，即浮筒浸入海水中0.5 m时，气筒内气体压强超过设定压强，气流打开进气单向阀进入集气包。

3.3 单个气筒单次压入气体量

海浪高度为1.5 m，其中0.5 m海浪高度用来克服自重和系统压强，剩余1 m高度为浮筒上升高度，单个气筒单次压入气体量为0.015 386 m2× 1 m=0.015 386 m3

3.4 气筒数量

海浪是发生在海洋中的一种波动现象，其周期为0.5～25 s，波长为几十厘米到几百米，一般波高为几厘米到20 m，在罕见情况下波高可达30 m以上。

海浪平均周期为：（0.5+25）／2=12.75 s；每分钟单个气筒打气量：（60／12.75）×0.015 386≈0.073 85 m3／m；根据过热蒸汽密度表，在340℃、压力1.1 M pa（与汽轮机参数最为接近）、蒸汽密度为3.903 kg／m3、汽轮机进气量10.0 t／h时，汽轮机每分钟所需蒸汽的体积为：（10×1 000 kg／60 min）／3.903 kg／m3≈42.702m3／min，气筒数量为：42.702／0.073 85≈578个

在气筒风光式海浪电站中，一个气筒处于海浪上升打气阶段；另一个气筒则处于海浪下降吸气阶段，因此最少气筒数量为：578×2=1 156个≈1 200个。

3.5 占海面积

浮筒位于4根立柱之间，本着尽量减小占海面积的原则，4根立柱间的面积为长×宽=3 m×2 m= 6 m2，气筒数量与浮筒数量相同，则电站（1 200个浮筒）占海面积为1 200×6=7 200 m2，约相当于一个标准足球场的面积（7 140 m2）。

4 电站输出功率相关因素

气筒风光式海浪电站的海浪部分输出功率主要取决于浪高、波长、周期、浮筒体积、气筒直径、气筒数量等因素，电站建设要根据电站地址的海况参数确定电站设备的相关尺寸。由于是近岸海浪，在浪高较小时可采用减小气筒直径来增大压强，减小部分的气体流量可通过增加气筒数量来弥补；当浪高过小时将增加电站建设成本，从而使其失去利用价值。一般近岸海浪的形态为不断形成平行于海岸的一条海浪线向海岸推进，而浮筒为长方形且其长度方向平行于岸线，可采取减小浮筒宽度、增大浮筒长度来适应海浪波长的变化，且浮筒宽度越小越好。如果海浪周期过短，在浮筒没有被举起或举起不足时波峰就已掠过，将严重影响电站输出功率。

5 与其他海浪能发电装置的比较

5.1 海浪能发电历史和现状

人类探索海浪能发电已有上百年的历史，自日本于1964年首次研制成功世界上第一个由海浪能发电供电的航标灯以来，英国、丹麦、芬兰、美国、加拿大等国也在这方面进行大量研究工作，其中英国的海浪能发电技术处于领先地位。

海浪能发电领域被称为“发明家的乐园”，发电类型根据能量获取的方式不同有多种分类方法，其中根据动能到电能的传递方式可以归纳为4类，分别为液压方式、气压方式、机械式和直驱式。

液压方式是一个由n节构成的漂浮在海面上并被固定在海底的绳子牵引的圆筒，每相邻2节间有一个衔接的模块，模块里包含液压系统和传动电机，利用海浪的起伏波动产生电能；其缺点是结构较复杂，而且液压系统一旦泄露将对海水造成污染。

气压方式也称为震荡水柱式，是利用海浪的起伏波动将气体压入或吸出，推动涡轮机实现电力输出（图4）；其缺点是由于海浪起伏所产生的风压较小，从而输出功率较小。

图4 气压方式示意

机械式海浪发电装置种类较多，如图5所示的一种为例，通过浮漂的上下运动，框架、绳索、链轮等部件将上下直线运动转变为转动，带动发电机输出电力；其缺点也是输出功率较小。

图5 一种机械式海浪发电装置示意

直驱式系统一般采用直线发电机直接将海浪的上下运动转换为电能，其结构为朝上和朝下的两

个交错的盖子，两个盖子中间充满空气，下面的盖子是固定的，上面的盖子可以随海浪的起伏上下运动，在海浪处于波峰时上面的盖子向下移动，在海浪处于波谷时上面的盖子向上移动；在两个盖子中分别安装永磁铁和线圈，通过两个盖子的相对运动输出电力；其最大特点是不需要经过其他方式的能量转换。

尽管海浪能发电的方式多种多样，但其共同的缺点主要包括：海浪本身单位面积能量有限，如果希望获得大功率输出就必须增加装置的数量，从而产生较大建设成本和维护成本；由于装置在海水中运行，给机械部分带来不确定性，维护较困难；输出电力到岸上较困难；占海面积也较大，且由于存在多个独立装置，相关海域无法航行。

5.2 气筒风光式海浪电站与传统方式的比较

（1）气筒风光式海浪电站是将自然界的太阳能、风能、海浪能同时叠加利用，较利用单一能源具有较大输出功率和效率，且海浪部分采用气筒结构，根据压强公式P=F／S，通过调整水中浮筒的体积和气筒的内径，可以获得较大压强的气流。

（2）传统海浪能发电装置大部分浸入海水中，装置工作环境恶劣，对以钢铁构成的运动、转动部件的润滑造成困难，为装置的正常运行造成较大隐患且维护困难；气筒风光式海浪电站浸入海水中的部分只有1个浮筒，其上面的连杆、气筒均位于水面以上，为长期正常运行和维护提供保障。

（3）气筒风光式海浪电站系统中设置蓄能器，通过蓄能器能量存储功能，自然能源利用效率大大提高，这是传统海浪能发电装置无法实现的。

（4）气筒风光式海浪电站在海中构成框架结构，具有较大的稳定性。

6 结语

气筒风光式海浪电站的最大优势在于其处于海岸的地理位置。一般海岸常年风力较大，也造成晴朗天气时间较长，是海洋能、风能、太阳能汇聚的最佳地点之一，可解决利用单一能源能量不稳定、功率小的缺陷，为较大规模联合利用自然能源开辟新的途径。在实际应用中，由于压缩空气和水蒸气是两种不同概念的气体，电站能量转化设备为涡轮机，一般情况下输出功率小于汽轮机，但计算中尚未包括太阳能和风能对功率的贡献，且随着气筒和风机数量的增加可以实现更大的功率输出。

气筒风光式海浪电站结构简单，对材料和工艺要求不高，无特殊精密设备；虽然需要海洋施工，但电站采用半水半岸形式的近岸建设，海深较浅（2～5 m），便于施工和后期的运营管理。设计过程中需要充分考虑材料设备的防腐以及海洋生物和极端恶劣天气对其造成的不良影响。

海浪发电具有火力发电无法比拟的优势，具有广阔的商业市场前景；同时我国海岛众多，电力供应将是海岛开发的基础工作之一，海浪发电作为海岛供电优选方式将大有可为。如果能建成试验电站并获得成功，未来将在中国新型清洁能源发电领域占有一席之地，也将带动相关装备制造安装产业的迅猛发展，并可向全球推广。

气筒风光式海浪电站中风能和太阳能的利用方式并不仅仅局限于上述方法，在未来自然能源联合利用的探索过程中，人类将有无限的想象空间。

注：“气筒风能式海浪电站”已由国家知识产权局专利局授予实用新型专利（专利号201520216400.6），“气筒风光式海浪电站”是其改进形式。

Structure and Application Prospect of Inflator Wind-Solar Type W ave Power Station

XIN G Zhiguang
（Logistics branch of Tangshan iron and steel group C O.，L T D，Tangshan 063000，China）

Due to the environ mental pollution caused by traditionalfossilfuel system and the gradual reduction of fossil fuel reserves，as well as the demand for other m oderate ways to get energy fro m the earth，new energy projects（mainly include three types：the solar energy，wind energy source and wave energy）were sprung up all over the w orld with the great advantage of pollutionfree.Although the total am ount of natural energy is huge，there are so me defects such as low per unit energy，collection difficulties，expensive equip ment and low stability.Ocean wave energy is the m ost concentrated energy in the three kinds of energy，w hich is widely distributed and relatively stable，w hile not yet large-scale used.Utilizing the three kinds of energy sim ultaneously should be the future trends of natural energy develop ment.T he inflator wind-solar type wave power station converges the three kinds of natural energy in coast areas，w hich w ould be a new attem pt for future energy utilization.

W ave energy，Wind energy，Solar energy，New energy，Power industry，M arine emerging industries

P743

A

1005-9857（2016）11-0055-05

2016-07-05；

2016-10-08

邢志光，研究方向为海浪能、风能、太阳能联合利用，电子信箱：annecbjxingzg＠126.co m