海浪发电装置的创新型研究

马德柱 王龙旭 刘佶岩 张龙旭 于鸿宇

【摘  要】论文围绕海浪发电开展创新型研究，设计一种新型浮子式海浪发电机，将海浪发电与创新结构框架相结合，使其运动结构简单，在满足电能产生的同时降低成本，实现对海浪能的高效利用。

【关键词】海浪发电;波浪能;水动力学分析;优化设计

【Abstract】Focusing on the innovative research of wave power generation， the paper designs a new type of float wave generator， which combines wave power generation with innovative structure framework， makes its motion structure simple， meets the demand of power generation and reduces the cost， so as to realize the efficient use of wave energy.

【Keywords】wave power generation; wave energy; hydrodynamic analysis; optimal design

1 引言

為了更为高效地利用波浪能，本文围绕海浪发电关键技术问题开展创新型研究，设计一款创新型海浪发电装置及相关系统，在保证达到预期效果的基础上尝试探索低成本、可持续性的设计方案，具有积极的现实意义。

2 创新型海浪发电装置的设计

2.1总体设计

本文通过对海浪发电现状分析、海浪发电机的发电方式、结构进行研究与设计，以海洋发电要求为目标，在调研现有技术基础上，研制一个新型海浪发电机，采用类似浮子式发电方式[1]，由浮拍摆动传递能量的海浪发电机设计方案。模拟空间摆动运动方式，以齿条为纽带驱动电机动子往返运动，和波浪的垂荡运动特点相结合简化了波浪能的转化过程，提高了能量的转化效率。从前期分析结果发现，新设计的海浪发电机结构简单，性能稳定，适用于不同类型的海域。

2.2自由度的设计

本装置的发电原理由其运动特性决定，当浮体受海浪作用时，会进行六个自由度的运动，其中包括沿三个坐标轴的平动模式和三个绕坐标轴的转动模式，运动特性极为复杂且不易实现。而本装置当浮体在垂直方向上做平行运动时，由于发电机动子在竖直方向上进行固定，发电机的动子在其驱动下与定子发生相对运动并在线圈内形成感应电动势，完成发电过程。

2.3 浮子形状的选择

本装置利用浮子的上下振动吸收波浪能，在设计过程中，浮子的选择要保证最大程度吸收波浪能，提高电机的工作效率，这也是本设计的关键之处。采用弗汝德·克雷洛夫假定法计算作用在浮体上的波浪力，假定入射波动场原来的波压强分布不因潜体的存在而改变，先计算出未受扰动的入射波压强对浮体的作用力，再乘以反映质量效应的绕射系数C进行修正。

采用F-K假定，作用在浮体上的波浪力一般表达式为：

px：浮体表面任一点上未扰动入射波的波压强在水平方向上的分量;

pz：浮体表面任一点上未扰动入射波的波压强在垂直方向上的分量;

S：浮体浸没在海水中的总表面积;

Ch：水平绕射系数;

Cv：垂直绕射系数。

利用弗汝德·克雷洛夫假定法计算大尺度浮体上的波浪力理论，结合上式进行面积分，再选定适度的绕射系数C，作用在浮体上的波浪力便可得到。对于浮体来说应波面的力做功相对垂直面很小，忽略不计，通过计算，最终得到类水滴型浮体的方案，较球体、长方体等其他方案最能吸收波浪能。

2.4 浮拍创新型设计

传统浮拍设计为阀式波力发电装置，本装置的三节阀采用铰链链接，阀块间的夹角随波浪的运动不断改变，推动阀上的双向油压活塞和发电机进行发电。该装置发电效率低下，仅可达到50%。

本文设计的装置按照水浅处波浪冲击力大的原理进行设计，根据具体实际波浪运动情况选择相应设计参数以达到最佳吸收波浪能效果。这种装置采用陀螺蓄能，陀螺旋转依靠本身发电维持，提取能量的工作轴与水滴体运动轴正交，波高决定转动幅度。经过实际实验测量得到，当圆筒部分的直径是波长的1/8时，吸收效率最大，可达到80%以上，根据实际情况的需求可以进行大规模发电。

2.5浮体臂结构设计

浮体臂链接浮体和齿轮，长度较长，弯矩较大，因此应选用抗弯性较好的材料，同时，为了避免装置过重而降低发电效率，装置整体应呈现出质量较轻的特点。另外，由于各个侧面都会受到海水冲击，也要要求各个侧面结构尽量相同从而抵消部分海水冲击。初步设计示意图如下：

3 发电效率的计算

3.1 浮体在海浪中的受力分析

在实际工作中，发电机动子被固定在垂直方向上，分析时仅需分析浮体在垂直方向上的直线运动，根据牛顿第二定律得：

其中：m为系统中垂直方向上做振动运动部件的总质量;fe为海浪作用于浮体上产生的力;fr为浮体振动和海水相互作用产生的力;fb为浮体的静浮力;fv、ff 分别为流体黏性和摩擦产生的阻力，一般情况下忽略不计;fg为电机的电磁力。

3.2 装置的动力学方程建立

设浮体在水面静止时的位置为平衡位置，则有：

其中K为静浮力系数;x为浮体偏移平衡位置的位移。

在浮体振动幅度较小的情况下，根据波浪理论，在规则海浪激励下，其中ma、Ra分别为附加质量和阻尼，其数值是关于海浪频率的非线性函数。

采用理想流体模型不考虑粘滞性与摩擦，上式分析最终得到在规则海浪激励下发电装置的动力学方程为：

3.3 发电机吸收功率

在近海中，多数情况海浪的变化较小，往往在几个小时内可以近似处理为规则波具有较好的预测性，当有一些极端条件发生时，极端气象条件改变必然会引起海浪冲击强度变化，此时海浪发电装置的附加质量和附加阻尼也随之改变。在规则波驱动的海浪发电系统中，电磁力可以表示为速度和位移的线性组合：

其中Rg为阻尼系数，反映了发电机吸收有功功率的能力;Kg为弹性系数，反映了发电机吸收无功功率的能力。

海浪发电输出功率并不恒定，在大时间尺度上变化较大，在分析系统的瞬时功率的基础上，研究一段时间内海浪发电输出的平均功率，对分析海浪发电的特性更具有价值。假设海浪周期已知并可测，在一个完整周期内的理想条件下，为了提高精度，尽可能多次等间隔测量功率以求取平均值即可得到一个周期的有效功率值，海浪发电装置的周期平均功率能够更为系统地反映装置的能量吸收能力，进而为装置的改进设计提供有效依据。

4 结语

为了提高对波浪能的利用效率，本文围绕海浪发电关键技术问题开展了创新型研究，以对海浪能高效利用为目标，将海浪发电与创新结构框架相结合，采用弗汝德·克雷洛夫假定法设计了一款结构简单、成本低廉的创新型海浪发电装置，并对其结构及工作原理进行了介绍。该新型海浪发电机可适用于不同海域，针对不同地点可更换不同大小浮拍，波浪越大，产生电能越多，实际使用时可将该装置通过电气焊与深海油气平台焊接一起为其提供电能，生活用电时则可以组成发电阵列，提高电力以供储备或使用，从而提供一种新的波浪能转化为电能的途径。

【参考文献】

【1】焦永芳，刘寅立.海浪发电的形状及前景展望[J].中国高新技术企业，2010，147（12）：113.