海上燈浮標晃動發電裝置設計試驗分析

北海航海保障中心大連航標處 崔玉亮

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海上燈浮標晃動發電裝置設計試驗分析

北海航海保障中心大連航標處 崔玉亮

摘要：波浪能是一種分布廣泛、技術環境友好的可再生環保能源，利用波浪能發電為海上燈浮標提供能源補給具有良好的經濟效益和社會效益。介紹將波浪能發電應用于燈浮標發展現狀，結合航標工作實際設計一種新型的燈浮標晃動發電裝置并進行定性試驗分析，最后對裝置的進一步改進提出建議。

關鍵詞：波浪能；燈浮標；晃動發電

目前，海上燈浮標發光所需能源主要是太陽能。太陽能供電系統一般由太陽能電池板、蓄電池、控制系統三部分組成。電池板吸收太陽能給蓄電池充電，蓄電池為浮標燈發光提供電力保障，控制系統則主要控制蓄電池避免充電過載或者電力不足。太陽能海上浮標供電系統主要的問題是設備成本高，太陽能利用率低，天氣因素（如刮風下雨、日照不足、鳥糞遮蔽）的影響大，同時，現在使用的太陽能蓄電池體積和重量都很大，給航標工作人員海上維護造成了很多的安全問題。

海洋波浪是在風的壓力和海平面摩擦力作用下形成的，在風的持續作用下，波浪逐漸生長，形成巨大的涌浪。世界上最豐富的波浪能資源出現在南北緯30°～60°的大洋東面，年平均能流密度可以達到20～100 kW/m2。［1］我國沿海的波浪能資源非常豐富。根據觀測到的波浪資料統計計算表明，我國沿岸波浪能資源理論量為1.29×107kW，以臺灣省沿岸最豐富，其次是浙江、廣東、福建和山東沿岸。全國沿岸波浪能流密度分布，以浙江中部、臺灣省、福建省海壇島以北、渤海海峽為最高，達到了5.11～7.73 kW/m2；其次是西沙、廣東東部、浙江北部和南部等地區。利用海洋中波浪起伏、海流擾動、潮汐等海洋動能，通過晃動的慣性作用將其轉化成電能，為燈浮標上的燈器提供能源補給，一直以來都是廣大航標工作人員的心愿。

一、燈浮標波浪能發電裝置的發展現狀

燈浮標漂浮在海平面上，錨鏈系統牽引著浮標在一定的半徑內隨著波浪耦合運動，利用波浪動力為海上燈浮標發光提供能源不僅成本較低不受天氣因素影響，而且可以大大降低航標工人的維護保養次數，降低勞動強度，具有明顯的社會效益和經濟效益。針對這一設想，國內外科研機構做了大量的探索嘗試，1965年，波浪能發電的浮標燈由日本最先研究制成并應用，1986年韓國首爾工業大學院設計出了利用空氣透平式的浮標燈用的波浪能發電裝置，通過幾十年的研究，已有20～1 000 W的多種型號浮標用發電裝置，到目前為止該系列產品已經生產1 000多臺，在日本、美國等國使用。國內最早研究燈浮標發電裝置的是中國科學院廣州能源研究所于1985年至1987年期間研發的10 W的航標燈用波浪發電裝置，之后又陸續研發了60 W、100 W航標燈（船）。到2003年，他們成功開發利用對稱翼透平的航標燈用波浪發電裝置，在0.3 m浪高、周期3 s浪況下可以滿足航標燈浮標用電。該裝置在廣東沿海珠江口、湛江、泉州、上海等地使用，并出口日本、英國。此外，大連海事大學、北海航海保障中心大連航標處等院校和單位也進行了積極探索嘗試。

二、燈浮標晃動發電裝置方案設計

燈浮標海上晃動發電裝置設計思路由經典的波浪能三級能量轉換組成：第一級是波浪能的俘獲裝置，第二級是將俘獲的波浪能轉換成機械能的轉換裝置，第三級是在發電機的作用下將機械能轉換成電能并輸出裝置。即在波浪的晃動作用下浮標產生上、下、左、右、旋轉等運動，浮標的晃動帶動能量俘獲裝置，獲取波浪能；波浪能通過一系列的機械元件產生往復的機械能，進而驅動發電機工作產生電能。

根據北方海區常用的燈浮標尺寸，結合發光燈器的功率要求，設計了如圖1所示的海上燈浮標晃動發電裝置。裝置由三大部分組成：由擺錘輪、擺桿、中心轉軸組成的波浪能的俘獲裝置，由增速齒輪、上條齒輪、定力矩離合器、上弦飛輪、止回飛輪、發條盒、發電齒輪、調速器組成的機械能轉換裝置，由發電機組成的電能輸出裝置。

圖1 海上燈浮標晃動發電裝置結構圖

燈浮標晃動發電裝置水平固定安裝在浮標的浮鼓上，具有以下優點：一是結構簡單，無須改變浮標的結構形式；二是沒有水下部件，很好地將外部海洋環境和裝置隔離，避免了海水腐蝕、海洋生物附著等影響；三是生存能力顯著，裝置雖然安裝在浮鼓上，但是不影響燈浮標正常工作，這就增強了在惡劣氣候條件下裝置的生存能力，確保輸出電能的連續性。

三、燈浮標晃動發電裝置的工作方式

根據計算，當燈浮標與海平面之間的偏角≥15°時，擺錘輪在浮標晃動力的作用下開始轉動，當擺錘輪逆時針轉動時，通過擺桿帶動中心轉軸作逆時針轉動，中心轉軸的轉動帶動增速齒輪作順時針轉動，增速齒輪經過三級增速后帶動上條齒輪作逆時針轉動，當上條齒輪軸所釋放出來的力矩值低于定力矩離合器所設定的值1.95 N·m時，定力矩離合器處于接合工作狀態，當上條齒輪軸所釋放出來的力矩值高于定力矩離合器所設定的值1.95 N·m時，定力矩離合器處于空轉打滑工作狀態。上條齒輪軸轉動所釋放的力帶動上弦飛輪旋轉，此時上弦飛輪逆時針旋轉帶動發條盒中的發條逆時針旋轉上弦，同時上弦飛輪在止回飛輪的制動下只做軸空轉，不帶動發條上弦工作。順時針方向轉動同理。

當兩個發條盒中的發條儲存的總力矩值大于發電機靜態啟動力矩T靜時，兩個發條盒的發條推動發電齒輪旋轉，帶動低速永磁直流發電機發電，過渡齒輪的作用主要是調節發電齒輪旋轉方向，確保軸旋轉方向一致。根據設計計算，當發電軸的軸轉速R≥85 r/min時，調速器開始啟動工作，降低發電軸的轉速直至不大于85 r/min。當兩個發條盒中發條釋放的總力矩值T≤0.97 N·m時，發電機停止工作。

四、燈浮標晃動發電裝置試驗分析

燈浮標晃動發電裝置安裝在浮標浮鼓上，通過與浮標的耦合運動形式主要有三種，即垂蕩、橫蕩和橫搖。因為裝置波浪能俘獲裝置擺錘垂直于水平面，在理論上垂蕩對擺錘旋轉沒有影響。本文通過一系列的試驗定性分析了不同海況、波浪幅度、波浪周期、擺錘擺長、擺錘質量等因素對發電性能的影響。

通過加工裝置樣機進行模擬實驗，實物內部結構如圖2所示，裝置樣機如圖3所示，由于直接測量擺錘的運動數據比較困難，裝置發電實驗的復雜性導致難以操控，模擬實驗是在穩定的陸地環境下進行的，箱體的晃動周期、傾角等均是在穩定輸出狀態下進行的，同時受模擬波浪裝置的實驗條件限制，因此我們只對裝置進行了定性分析，結果如下：在其他條件一定時，橫蕩幅度越大，平均發電功率越大，橫蕩周期越小，平均發電功率越大；在其他條件一定時，波浪級別的增加對平均發電功率影響有限，不能單純認為波浪級別越高，平均發電功率越大；在其他條件一定時，擺錘質量越大，平均發電功率越大，擺錘擺長越長，平均發電功率越大。

圖2 燈浮標晃動發電裝置樣機內部結構圖

圖3 燈浮標晃動發電裝置樣機模擬實驗

通過試驗分析和實際運行對燈浮標晃動裝置提出了如下改進措施:

（1）根據實驗的定性分析可知，增大擺錘質量、增長擺長均可以提高平均發電功率，考慮到浮標浮鼓的表面積、形狀和浮標晃動的幅度，增長擺長是更為可行的方法，所以在對裝置的改進中，適當增加擺長的長度，降低擺錘的質量，對平均發電功率有著顯著的提升。

（2）燈浮標晃動發電裝置全部構件為機械元件，在實際運行過程中，機械齒輪長時間的咬合增大了磨損，降低了整個裝置的發電效率。在今后的改進中，可以考慮適當減少機械元件，適當使用液壓元件，這樣不僅提升了裝置的發電效率，而且可以提高裝置的可靠性和穩定性。

（3）燈浮標晃動發電裝置在設計時沒有儲電裝置，如遇到長時間的風平浪靜等極端天氣時，對燈浮標的連續正常發光將產生影響。在今后的改進中，應當增加蓄電池和控制器，確保輸出電流的穩定性和連續性。

參考文獻：

［1］游亞戈，盛松偉，吳必軍.海洋波浪能發電技術現狀與前景［M］//第十五屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集.2012:9-16.

DOI:10.16176/j.cnki.21-1284.2016.07.006

作者簡介：崔玉亮（1983—），男，碩士，工程師，E-mail：yuliangcui1983@163.com