氣筒風光式海浪電站的結構及前景

邢志光

（唐山鋼鐵集團有限責任公司物流分公司 唐山 063000）

氣筒風光式海浪電站的結構及前景

邢志光

（唐山鋼鐵集團有限責任公司物流分公司 唐山 063000）

由于傳統的化石燃料能源體系造成環境污染、燃料儲量逐漸減少等后果以及人類希望改變以掠奪地球的方式獲得能源等因素，新能源項目（主要包括自然界中的太陽能、風能、海浪能等）以其綠色無污染的巨大優勢在世界各地紛紛興起，但自然能源雖總量大但具體到單位面積能量微小、收集困難、設備昂貴且較不穩定。海洋能是其中能量較集中、分布較廣且較穩定的能源，但目前尚未找到好的大規模利用的方式，將多種自然能源同時集中聯合利用應是未來發展方向。海岸是海浪能、風能、太陽能集中的地點之一，氣筒風光式海浪電站以海浪能為基礎，將上述3種自然能源匯聚于一點加以聯合利用，希望能為新能源的利用做出新的嘗試。

海浪能；風能；太陽能；新能源；電力工業；海洋新興產業

海浪可分為風浪、涌浪和近岸浪3種，海浪是海面起伏形狀的傳播，就某一點來說是水質點離開平衡位置做上下周期性振動并向一個方向傳播而形成的一種波動。水質點的振動能產生動能、海浪的起伏能產生勢能，這兩種能量的累計數量是驚人的，全球海洋僅風浪和涌浪產生的總能量就相當于到達地球外側太陽能量的50%。

1 氣筒風光式海浪電站的原理

根據阿基米德浮力定律以及作用力與反作用力原理，漂浮在海面上的漂浮體其浮力大小等于物體浸入水中部分排開海水體積的重量，方向為垂直向上；海面每時每刻不停處于上下起伏運動狀態，漂浮體同樣隨海面做上下起伏運動。

如果在海面上設置高度適當并固定的倒立的n個打氣筒，將各個打氣筒的出氣口互相連通，連桿下面連接浮漂，通過海浪的上下起伏推動浮漂、連桿、皮碗將氣筒中的氣體壓入密閉容器，與發動機、火力發電機和燃氣輪機利用氣體做功的原理相同，能量轉化過程為海浪能→壓縮氣體→推動渦輪機做功。同時輔以太陽能將收集的壓縮氣體加熱，通過熱脹冷縮原理將氣體體積進一步放大以增大壓強；在渦輪機出風口接入引風，加速風流速度，進一步提高輸出功率。

2 氣筒風光式海浪電站的結構

2.1 總體結構

氣筒風光式海浪電站由風能、海浪能和渦輪機、太陽能以及蓄能器4部分組成。其中：風能部分主要包括風機、引風機、引風筒、連管等；海浪能和渦輪機部分主要包括浮筒、氣筒、單向閥、集氣包、框架、導向、連管、渦輪發電機等；太陽能部分為曲面反射板（圖1）。

圖1 氣筒風光式海浪電站總體結構

2.2 工作過程

隨著海浪的起伏，浮筒上下運動。在海浪向波谷運動時，由于自身重量因素浮筒向下運動，帶動連桿、皮碗向下運動，氣筒內空間增大、壓強減小，出氣單向閥關閉，進氣單向閥打開，氣筒完成吸氣過程（圖2左）；在海浪向波峰運動時，海水對浮筒產生浮力，首先克服浮筒的自重和集氣包中的壓強，這時浮筒浸入海中一部分、消耗一部分浮力，但浮筒沒有上升（圖2中）；隨著海浪繼續上升，浮力進一步增大，推動浮筒向上運動，帶動連桿、皮碗向上運動，氣筒內空間減小、壓強增大，進氣單向閥關閉，出氣單行閥打開，將氣體壓入集氣包（圖2右）。

圖2 氣筒風光式海浪電站工作過程

集氣包是由數根相連通的管道組成的具有較大空間的氣體壓力容器，其下方設置與其曲率相同的太陽能反射板將太陽能熱量反射到集氣包上，加熱其中的氣體，壓縮氣體進入渦輪機帶動發電機做功輸出電力；同時，出風口與引風筒相連，通過設置在引風筒外的風機扇葉，由自然風提供動力，帶動引風筒內的引風機扇葉高速轉動，加速氣流流動速度，進一步提高功率；特殊情況氣壓較低時，由蓄能器向集氣包補充氣流。

2.3 蓄能器

在海浪較大時，集氣包總的氣壓過大，超過渦輪機輸出壓強和流量，這時這部分氣體將進入與集氣包相連的蓄能器中，進行有效存儲；在海浪較小、供氣壓力不足時，蓄能器中的氣體進入集氣包補充進氣量，保持系統進入渦輪機的氣壓穩定，使輸出功率平穩。

2.4 框架結構和其他

在整個結構中，框架起著承受整個海浪浮力、對各個海中構件進行固定和支撐的作用，基本框架結構如圖3所示。立柱與海底固定，從上到下設置3層平臺，分別是起重平臺、集氣包和反射板平臺以及氣筒固定和檢修平臺；浮筒為長方體形狀，每個浮筒的4根立柱位于其對角線的延長線上，浮筒的4個角上設置滾輪，滾輪可沿立柱滾動，這樣就限定浮筒必須沿立柱做上下直線運動。由于浮筒長期浸入海水中，宜選擇耐腐蝕、密度小且具有一定強度的材料，一般以泡沫材料較為適合。

圖3 框架結構

氣筒宜采用多級伸縮式單作用氣缸，考慮到潮汐（潮差1～2 m）的原因，對氣缸的伸縮長度要求較高；集氣包采用鋼制材料，表面可做一定處理，使其具有增大吸收太陽能并保溫的作用；集氣包下方設置太陽能反射板，可設置為卡入式，方便清洗、維護和更換。

圖3所示的為1個浮筒單元，電站由n個這樣的單元構成，且2個相鄰的浮筒可使用同一個立柱。

3 主要參數

3.1 以汽輪機蒸汽參數為例計算電站主要參數

以杭州汽輪機廠產品為參考，選擇型號為N1.5-1.27（產品代碼Q05）、額定功率1 500 k W、進氣參數壓力1.275 M Pa、進氣量10.0 t／h、溫度340℃的汽輪機參數為例，進行計算。

3.2 壓強

根據海浪線平行于岸線和盡量減少占海面積的考慮，浮筒形狀選為長方體（圖3）。在海浪高度一定的情況下，浮筒的體積和氣筒的直徑決定壓力和流量的大小，現以以下數據為例進行計算。

海浪高度：1.5 m；浮筒尺寸和體積：長×寬×高= 2.5 m×1.6 m×2 m=8 m3；浮筒浸入海中0.5 m時海水的浮力：體積=2.5 m×1.6 m×0.5 m=2 m3，浮力=2 m3×1 000 kg=2 000 kg（水的密度為1 t／m3）；氣筒直徑為14 cm，截面積：S=πr2=7 cm×7 cm× 3.14=153.86 cm2≈154 cm2=0.015 386 m2。

海浪由波谷向波峰運動時浮力需要克服兩個阻力：①浮筒、連桿重量。浮筒可采用泡沫材料（密度約為30 kg／m3），體積為4 m3，重量G=4×30= 120 kg；連桿可選用鋁合金或鋼制材料，由于直徑較小、重量較輕，上述二力對浮力（浸入0.5 m、浮力2 000 kg）來說可忽略不計。②集氣包中的氣體壓強。據汽輪機參數，集氣包中的氣體壓強為1.275 M Pa；如果浮筒上升0.5 m，則浮力為2.5× 1.6×0.5×1 000=2 000 kg，壓強為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時，氣筒內氣體壓強超過設定壓強，氣流打開進氣單向閥進入集氣包。

3.3 單個氣筒單次壓入氣體量

海浪高度為1.5 m，其中0.5 m海浪高度用來克服自重和系統壓強，剩余1 m高度為浮筒上升高度，單個氣筒單次壓入氣體量為0.015 386 m2× 1 m=0.015 386 m3

3.4 氣筒數量

海浪是發生在海洋中的一種波動現象，其周期為0.5～25 s，波長為幾十厘米到幾百米，一般波高為幾厘米到20 m，在罕見情況下波高可達30 m以上。

海浪平均周期為：（0.5+25）／2=12.75 s；每分鐘單個氣筒打氣量：（60／12.75）×0.015 386≈0.073 85 m3／m；根據過熱蒸汽密度表，在340℃、壓力1.1 M pa（與汽輪機參數最為接近）、蒸汽密度為3.903 kg／m3、汽輪機進氣量10.0 t／h時，汽輪機每分鐘所需蒸汽的體積為：（10×1 000 kg／60 min）／3.903 kg／m3≈42.702m3／min，氣筒數量為：42.702／0.073 85≈578個

在氣筒風光式海浪電站中，一個氣筒處于海浪上升打氣階段；另一個氣筒則處于海浪下降吸氣階段，因此最少氣筒數量為：578×2=1 156個≈1 200個。

3.5 占海面積

浮筒位于4根立柱之間，本著盡量減小占海面積的原則，4根立柱間的面積為長×寬=3 m×2 m= 6 m2，氣筒數量與浮筒數量相同，則電站（1 200個浮筒）占海面積為1 200×6=7 200 m2，約相當于一個標準足球場的面積（7 140 m2）。

4 電站輸出功率相關因素

氣筒風光式海浪電站的海浪部分輸出功率主要取決于浪高、波長、周期、浮筒體積、氣筒直徑、氣筒數量等因素，電站建設要根據電站地址的海況參數確定電站設備的相關尺寸。由于是近岸海浪，在浪高較小時可采用減小氣筒直徑來增大壓強，減小部分的氣體流量可通過增加氣筒數量來彌補；當浪高過小時將增加電站建設成本，從而使其失去利用價值。一般近岸海浪的形態為不斷形成平行于海岸的一條海浪線向海岸推進，而浮筒為長方形且其長度方向平行于岸線，可采取減小浮筒寬度、增大浮筒長度來適應海浪波長的變化，且浮筒寬度越小越好。如果海浪周期過短，在浮筒沒有被舉起或舉起不足時波峰就已掠過，將嚴重影響電站輸出功率。

5 與其他海浪能發電裝置的比較

5.1 海浪能發電歷史和現狀

人類探索海浪能發電已有上百年的歷史，自日本于1964年首次研制成功世界上第一個由海浪能發電供電的航標燈以來，英國、丹麥、芬蘭、美國、加拿大等國也在這方面進行大量研究工作，其中英國的海浪能發電技術處于領先地位。

海浪能發電領域被稱為“發明家的樂園”，發電類型根據能量獲取的方式不同有多種分類方法，其中根據動能到電能的傳遞方式可以歸納為4類，分別為液壓方式、氣壓方式、機械式和直驅式。

液壓方式是一個由n節構成的漂浮在海面上并被固定在海底的繩子牽引的圓筒，每相鄰2節間有一個銜接的模塊，模塊里包含液壓系統和傳動電機，利用海浪的起伏波動產生電能；其缺點是結構較復雜，而且液壓系統一旦泄露將對海水造成污染。

氣壓方式也稱為震蕩水柱式，是利用海浪的起伏波動將氣體壓入或吸出，推動渦輪機實現電力輸出（圖4）；其缺點是由于海浪起伏所產生的風壓較小，從而輸出功率較小。

圖4 氣壓方式示意

機械式海浪發電裝置種類較多，如圖5所示的一種為例，通過浮漂的上下運動，框架、繩索、鏈輪等部件將上下直線運動轉變為轉動，帶動發電機輸出電力；其缺點也是輸出功率較小。

圖5 一種機械式海浪發電裝置示意

直驅式系統一般采用直線發電機直接將海浪的上下運動轉換為電能，其結構為朝上和朝下的兩

個交錯的蓋子，兩個蓋子中間充滿空氣，下面的蓋子是固定的，上面的蓋子可以隨海浪的起伏上下運動，在海浪處于波峰時上面的蓋子向下移動，在海浪處于波谷時上面的蓋子向上移動；在兩個蓋子中分別安裝永磁鐵和線圈，通過兩個蓋子的相對運動輸出電力；其最大特點是不需要經過其他方式的能量轉換。

盡管海浪能發電的方式多種多樣，但其共同的缺點主要包括：海浪本身單位面積能量有限，如果希望獲得大功率輸出就必須增加裝置的數量，從而產生較大建設成本和維護成本；由于裝置在海水中運行，給機械部分帶來不確定性，維護較困難；輸出電力到岸上較困難；占海面積也較大，且由于存在多個獨立裝置，相關海域無法航行。

5.2 氣筒風光式海浪電站與傳統方式的比較

（1）氣筒風光式海浪電站是將自然界的太陽能、風能、海浪能同時疊加利用，較利用單一能源具有較大輸出功率和效率，且海浪部分采用氣筒結構，根據壓強公式P=F／S，通過調整水中浮筒的體積和氣筒的內徑，可以獲得較大壓強的氣流。

（2）傳統海浪能發電裝置大部分浸入海水中，裝置工作環境惡劣，對以鋼鐵構成的運動、轉動部件的潤滑造成困難，為裝置的正常運行造成較大隱患且維護困難；氣筒風光式海浪電站浸入海水中的部分只有1個浮筒，其上面的連桿、氣筒均位于水面以上，為長期正常運行和維護提供保障。

（3）氣筒風光式海浪電站系統中設置蓄能器，通過蓄能器能量存儲功能，自然能源利用效率大大提高，這是傳統海浪能發電裝置無法實現的。

（4）氣筒風光式海浪電站在海中構成框架結構，具有較大的穩定性。

6 結語

氣筒風光式海浪電站的最大優勢在于其處于海岸的地理位置。一般海岸常年風力較大，也造成晴朗天氣時間較長，是海洋能、風能、太陽能匯聚的最佳地點之一，可解決利用單一能源能量不穩定、功率小的缺陷，為較大規模聯合利用自然能源開辟新的途徑。在實際應用中，由于壓縮空氣和水蒸氣是兩種不同概念的氣體，電站能量轉化設備為渦輪機，一般情況下輸出功率小于汽輪機，但計算中尚未包括太陽能和風能對功率的貢獻，且隨著氣筒和風機數量的增加可以實現更大的功率輸出。

氣筒風光式海浪電站結構簡單，對材料和工藝要求不高，無特殊精密設備；雖然需要海洋施工，但電站采用半水半岸形式的近岸建設，海深較淺（2～5 m），便于施工和后期的運營管理。設計過程中需要充分考慮材料設備的防腐以及海洋生物和極端惡劣天氣對其造成的不良影響。

海浪發電具有火力發電無法比擬的優勢，具有廣闊的商業市場前景；同時我國海島眾多，電力供應將是海島開發的基礎工作之一，海浪發電作為海島供電優選方式將大有可為。如果能建成試驗電站并獲得成功，未來將在中國新型清潔能源發電領域占有一席之地，也將帶動相關裝備制造安裝產業的迅猛發展，并可向全球推廣。

氣筒風光式海浪電站中風能和太陽能的利用方式并不僅僅局限于上述方法，在未來自然能源聯合利用的探索過程中，人類將有無限的想象空間。

注：“氣筒風能式海浪電站”已由國家知識產權局專利局授予實用新型專利（專利號201520216400.6），“氣筒風光式海浪電站”是其改進形式。

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，研究方向為海浪能、風能、太陽能聯合利用，電子信箱：annecbjxingzg＠126.co m