一種新型機械式波浪能高效發電系統設計與研究

楊志堅 唐詩雨 葉佳林 向萌 王彬

（重慶交通大學航運與船舶工程學院船舶與海洋工程系，重慶 400000）

一種新型機械式波浪能高效發電系統設計與研究

楊志堅 唐詩雨 葉佳林 向萌 王彬

（重慶交通大學航運與船舶工程學院船舶與海洋工程系，重慶 400000）

針對傳統的機械式波力發電裝置結構笨重、可靠性差、發電效率低等固有缺點，設計一套可高效利用波浪能發電的新型機械式波浪能高效發電系統，旨在有效解決太陽能板供電和風力供電的固有環境天氣因素缺陷，直接高效利用波浪能來為海洋平臺等離岸海洋觀測設備供電。

波浪發電；機械式；重力飛輪；試驗裝置

傳統能源的消耗殆盡，有害氣體的排放造成的環境問題，使新能源成為當今世界各國爭相研究的問題。我國的海域面積廣闊，海岸線曲折而綿長，大陸海岸線長約1.8萬km，海島海岸線長約1.4萬km，其中蘊藏著豐富的波浪能，具有儲量大、污染小、再生性極強的特點。因此，我國波浪能開發利用的潛力巨大，對解決海洋離岸觀測設備和海島島礁的電力供應問題具有重大意義［1］。

1 設計方案

本文結合已有波力發電裝置，創新提出一種可高效利用波浪能發電的新型傳動裝置的設計方案。通過理論推導與實驗觀測加以完善實現，本作品充分利用波浪能，將之通過能源的轉換最終以電能的形式輸出，實現能量的最大化利用，順應節能減排、綠色能源的時代趨勢［2］。

1.1 波能轉化原理

要實現波浪能轉化為電能輸出，理論上來講，需經過2次能量轉化。簡單來說，剛開始波峰推動浮子向上運動時，順向帶動重力輪（但此時連接桿不能轉過最高點）；當波谷來到，浮子向下運動，由于安置有單向齒輪，重力輪不會逆向轉動。接著波峰來浮子向上擺動更多，波谷來又向下，如此反復。直至連接桿做定軸轉動，重力輪轉動平穩流暢，波峰推動浮子向上運動時，順向帶動重力輪（此時連接桿能轉過最高點）；當波谷來到，浮子向下運動，也就能順向帶動重力輪，能量全波吸收，使得重力輪周而復始轉動。這樣一來，就可以通過2次能量的轉化來產生持續的電能輸出［3］。

1.2 結構設計

1.2.1 重力輪結構設計。考慮到如果重力輪的質量與半徑設計的過大，會產生2個問題，一是浮子帶不動重力輪轉動，二是主體過于笨重；而如果設計的太小，重力輪定軸轉動的慣性與轉動慣量不夠帶動重力輪轉動。因此，采用鏤空式重力輪，既保證了重力輪的慣性大小，又

保證其轉動慣量，使得重力飛輪能發揮儲存波浪動能并提高發電轉子的轉速和提高發電效率的作用。

1.2.2 帶有單向齒輪的軸承結構設計。考慮到波浪能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源，貯存的能量通過摩擦和湍動而消散，其消散速度的大小取決于波浪特征和水深。深水海區大浪的能量消散速度很慢，從而導致了波浪系統的復雜性。因此，重力輪的轉動軸承上設計單向齒輪，消除浮體的運動軌跡與波浪運動軌跡不匹配問題，最大程度減少透射和興波，使得浮子只能單向帶動重力輪，避免波浪的復雜不穩定性對重力輪轉動帶來的影響［4］。

1.2.3 帶有避震器的連接長桿結構設計。浮子運動易受海浪不定向性沖擊，使得連接長桿易斷。因此，在其上加了避震器，防止鏈接長桿易斷問題。

2 模型制作與模型試驗

2.1 模型應用仿真

本作品在基于前期的原理設計后，利用CAD軟件進行新型機械式波浪能高效發電系統的模型應用仿真制作，將本作品應用到海上航標和海洋平臺上。

2.2 模型試驗

首先是尺寸設計。設計透射波能E，波浪周期T一定時，改變浮子直徑B、連接長桿長度K、連接桿長度J、重力輪直徑D和重力輪質量m數據如表1所示。

表1桿件設計尺寸試驗表（部分數據）

然后利用控制變量法，通過比較效率值，得出浮子直徑B、連接長桿長度K、連接桿長度J、重力輪直徑D和重力輪質量m的一組最優設計尺寸值，如表2所示。

表2桿件設計尺寸最優設計表（模型值）

3 應用前景與推廣

①本作品有效解決太陽能板供電和風力供電的固有環境天氣因素缺陷，直接高效利用波浪能來為海洋平臺等離岸海洋觀測設備供電。

②大規模波浪能發電的成本還難與常規能源發電競爭，但設計的小型離岸式波浪能高效發電系統，可以實質性地在近海或是內河導航燈浮標、燈樁、燈塔等上獲得推廣應用。

③本作品設計的波浪能發電裝置由標準的機械零部件組成，因此，結構簡單，安裝拆卸簡便，易于維護，制造成本低廉；且機械設備不與海水直接接觸，減少了海水帶來的腐蝕。

④該裝置可以用來研究在離大陸較遠、波浪能豐富、波浪周期短的海域，利用工廠船就地發電、建立波能發電廠以提高波浪能發電的經濟性，可解決部分電網未覆蓋的有居民海島、偏遠無電的無居民海島或建設生態島的供電問題。

［1］熊焰.我國洋可再生能源開發利用發展思路研究［J］.海浪術，2009（2）：106-110.

［2］楊家武，辛玉超，楊帆.海浪發電的典型裝置和發展趨勢［J］.科技創新導報，2015（9）：72-73.

［3］G.Iglesias，R.Carballo.Wave power for Lalsla Bonita［J］. Fuel&Energy Abstracts，2010（12）：5013-5021.

［4］馮慶熙.電液伺服海浪模擬系統設計與實踐［D］.秦皇島：燕山大學，2008.

Design and Research of a New Type of Mechanical Wave Energy Efficient Power Generation System

Yang ZhijianTang ShiyuYe JialinXiang MengWang Bin
（Department of Ship and Ocean Engineering，School of Shipping and Marine Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400000）

Aiming at the inherent shortcomings such as heavy structure,poor reliability and low efficiency of power generation,a new type of mechanical wave energy efficient power generation system with high efficiency of wave ener?gy generation was designed for the traditional mechanical wave power plant,in order to effectively solve inherent envi?ronmental weather factors of solar panel power supply and wind power supply,the wave energy was efficientl and di?rectly used to supply power for offshore observation equipment,such as offshore platforms.

wave power generation；mechanical；gravity flywheel；test device

TM612

A

1003-5168（2016）10-0089-02

2016-09-21

楊志堅（1995-），男，本科，研究方向：波浪能的發電利用。