一种滑轮式振荡浮子波浪发电实验装置的开发

包兴先， 汪 聪

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

0 引 言

波浪能是一种清洁的可再生的能源，分布广泛，能量密度高，是海洋能开发的热点[1-4]。波浪能装置按能量传递方式可分为振荡水柱式、振荡浮子式、越浪式、点吸收式、鸭式、摆式等几种形式；按安装位置可分为岸式和离岸式；按固定方式可分为固定式和漂浮式[5]。振荡浮子式波浪能发电装置是目前发展较好的一种波能利用装置。

实验教学是高等教育的重要组成部分，在人才培养中占有重要的战略地位[6-12]。本文通过滑轮式振荡浮子波浪发电实验装置的开发，配套开展相应的实验课程，对于培养学生的工程实践素质和创新意识有着重要意义。

1 振荡浮子式波浪发电原理

振荡浮子式波浪发电装置，也称点吸收式波浪发电装置，其基本原理是利用浮子随波浪的升沉运动捕获波浪能，再经能量转换装置转换为液压能或机械能等，最终驱动发电机发电[13-15]。能量转换装置的类型分为液压式、滑轮式、齿条式等。

液压式是将浮子随波浪起伏的动能和势能转换为液压装置的液压能，最终通过液压马达和发电机等装置将液压能转换为电能;滑轮式则采用滑轮组和齿轮组将浮子随波浪起伏的动能和势能转换为机械能，然后驱动发电机发电;齿条式通常与链条相配，而链条连于发电机轴，从而将浮子吸收的波浪能转化为机械能，并最终转换为电能。

2 滑轮式振荡浮子波浪发电装置实验

2.1 发电装置组成

整个实验装置如图1所示，包括浮子组块(浮子，链条、绳索)、齿轮传动组块(齿轮组、滑轮组)和发电组块(发电机)。核心部件——齿轮传动组块结构如图2所示，其主要功能是将浮子的升沉运动转换为发电机的单向转动。

1-水下基座,2-滑轮组,3-浮子,4-升降绳,5-水上基座,6-齿轮组,7-发电机

图1 滑轮式振荡浮子波浪发电装置整体结构图

1-轴承座,2-传动轴,3-链轮,4-传动齿轮,5-顺时针离合器,6-逆时针离合器,7-发电机传动齿轮,8-发电机

图2 齿轮传动组件结构图

该实验装置的具体工作原理：滑轮式振荡浮子波浪发电装置利用能量捕获系统——浮子组块捕获垂直运动方向上的波浪能，并通过滑轮组将波浪能转换为升降绳上下运动的机械能，进而通过链轮和链条将机械能传导到能量转换系统——齿轮传动组块中，再通过发电组块将机械能转换为电能输出。

齿轮传动组块(见图2)的工作原理如下：当浮子向下运动，链轮3顺时针转动，使传动轴(与链轮固定)顺时针转动，带动逆时针离合器6中的大齿轮逆时针转动。由于此时顺时针离合器5受传动齿轮驱动，其中小齿轮逆时针转动，与大齿轮分离，大齿轮运动不受小齿轮约束，故逆时针离合器6中大齿轮会驱动发电机传动齿轮7(与发电机固定)顺时针转动，进而使发电机发电。

当浮子向上运动，链轮3逆时针转动，使传动轴(与链轮固定)逆时针转动，带动顺时针离合器5中的大齿轮顺时针转动。由于此时逆时针离合器6受传动齿轮驱动，其中小齿轮顺时针转动，与大齿轮分离，大齿轮运动不受小齿轮约束，故顺时针离合器5中大齿轮会驱动逆时针离合器6中大齿轮逆时针转动，也驱动发电机传动齿轮7(与发电机固定)顺时针转动，进而使发电机发电。

这样就保证不管浮子向上还是向下运动，都使得发电机顺时针转动发电，故而产生直流电压。

上述齿轮传动组块的核心机构就是离合器，分为顺时针离合器和逆时针离合器。图3所示为逆时针离合器的基本构成。其工作原理：当小齿轮2顺时针转动时，传动转子3会顺时针运动，受向心力及重力影响，会与大齿轮4分离，无法约束大齿轮4运动，达到空转的目的；当小齿轮2逆时针转动时，传动转子3会逆时针运动，受向心力及重力影响，传动转子3会在一定程度上与大齿轮4的沟槽契合，进而推动大齿轮4逆时针转动，达到传动的目的。

1-定位轴,2-小齿轮,3-传动转子,4-大齿轮

顺时针离合器和逆时针离合器工作原理一致。

2.2 实验设计与实施

(1) 实验设备。本实验是在中国石油大学(华东)船舶与海洋工程实验室中的小型波浪水槽内进行，如图4所示。水槽整体是钢结构和有机玻璃材质，长约15 m，宽0.4 m，深0.5 m，如图4(a)所示。水槽一端安装有机械摇杆推板造波机，如图4(b)所示;另一端有消波设施。数据采集系统采用DH5922动态测量设备和DHDAS动态信号采集分析系统，如图4(c)所示，DHDAS系统可以将DH5922设备传来的电压信号传输给计算机进行处理，获得实时电压数据。

(a)波浪水槽(b)造波系统(c)数据采集系统

图4 振荡水柱式波浪发电实验

(2) 实验工况与数据处理。基于设计开发完成的实验装置，考虑6种不同的入射波频率及波高工况，分别记录输出电压信号。实验静水深35 cm，连续采集的波峰个数为15～20 个。每个工况下的实验重复3 次，以消除外界环境、实验仪器等引起的系统误差，取3 次结果的平均值为最终实验结果。表1为不同工况下输出的峰值电压均值。图5所示为工况5下装置性能较为稳定的一段时间内(10～12 s)输出电压随时间变化图，图6为输出的峰值电压均值与入射波频率的对应关系。

表1 不同工况下输出的峰值电压均值

图5 工况5下输出电压随时间变化图

(3) 实验结论。

① 由图5可以看出，输出的电压峰值并不稳定。

图6 峰值电压均值随入射波频率变化图

原因在于浮子随波浪的运动并非严格的垂直运动，一定程度上会发生左右前后摇摆运动，进而影响到输出电压的稳定性。

② 由图6可以看出，随着入射波频率的增加，波高随之增大，输出的峰值电压均值先是逐步增大到最大值，之后开始减小。当频率为27 Hz，波高为6.7 cm时，输出的峰值电压均值最大，达到1 043 mV。此时，装置的发电性能较好。

③ 由图6可以看出，在入射波频率为15～27 Hz时，输出的峰值电压均值与波浪频率近似成线性关系。

事实上，对滑轮式振荡浮子波浪发电装置性能研究时，还需要考虑浮子的形状、浮子的自振频率、齿轮传动效率等参数的影响。本实验是在成型的发电装置基础上，仅选取了6种波浪工况进行研究，旨在增强学生的感性认识，提高学生的实践能力，培养学生的创新意识。本实验装置的进一步优化设计与开发，可作为大学生创新实验课题等进行研究。

3 结 语

振荡浮子式波浪发电装置结构较为简单，适用面广，是目前开发利用较高的一种波浪发电装置。通过设计开发滑轮式振荡浮子波浪发电装置，并进行实验可以使学生掌握该装置的发电基本原理，理解波高、周期等因素对发电装置性能的影响规律，启发学生进一步优化发电装置的思考。实验过程中，锻炼了学生的问题探究与规律总结能力，培养了学生的动手能力与团队合作精神，激发了学生的创新思维和创新意识。本文设计开发的装置除了可以用于波浪发电实验，还可以用于科研及生产等领域。

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