一種滑輪式振蕩浮子波浪發電實驗裝置的開發

包興先， 汪 聰

(中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

0 引 言

波浪能是一種清潔的可再生的能源，分布廣泛，能量密度高，是海洋能開發的熱點[1-4]。波浪能裝置按能量傳遞方式可分為振蕩水柱式、振蕩浮子式、越浪式、點吸收式、鴨式、擺式等幾種形式；按安裝位置可分為岸式和離岸式；按固定方式可分為固定式和漂浮式[5]。振蕩浮子式波浪能發電裝置是目前發展較好的一種波能利用裝置。

實驗教學是高等教育的重要組成部分，在人才培養中占有重要的戰略地位[6-12]。本文通過滑輪式振蕩浮子波浪發電實驗裝置的開發，配套開展相應的實驗課程，對于培養學生的工程實踐素質和創新意識有著重要意義。

1 振蕩浮子式波浪發電原理

振蕩浮子式波浪發電裝置，也稱點吸收式波浪發電裝置，其基本原理是利用浮子隨波浪的升沉運動捕獲波浪能，再經能量轉換裝置轉換為液壓能或機械能等，最終驅動發電機發電[13-15]。能量轉換裝置的類型分為液壓式、滑輪式、齒條式等。

液壓式是將浮子隨波浪起伏的動能和勢能轉換為液壓裝置的液壓能，最終通過液壓馬達和發電機等裝置將液壓能轉換為電能;滑輪式則采用滑輪組和齒輪組將浮子隨波浪起伏的動能和勢能轉換為機械能，然后驅動發電機發電;齒條式通常與鏈條相配，而鏈條連于發電機軸，從而將浮子吸收的波浪能轉化為機械能，并最終轉換為電能。

2 滑輪式振蕩浮子波浪發電裝置實驗

2.1 發電裝置組成

整個實驗裝置如圖1所示，包括浮子組塊(浮子，鏈條、繩索)、齒輪傳動組塊(齒輪組、滑輪組)和發電組塊(發電機)。核心部件——齒輪傳動組塊結構如圖2所示，其主要功能是將浮子的升沉運動轉換為發電機的單向轉動。

1-水下基座,2-滑輪組,3-浮子,4-升降繩,5-水上基座,6-齒輪組,7-發電機

圖1 滑輪式振蕩浮子波浪發電裝置整體結構圖

1-軸承座,2-傳動軸,3-鏈輪,4-傳動齒輪,5-順時針離合器,6-逆時針離合器,7-發電機傳動齒輪,8-發電機

圖2 齒輪傳動組件結構圖

該實驗裝置的具體工作原理：滑輪式振蕩浮子波浪發電裝置利用能量捕獲系統——浮子組塊捕獲垂直運動方向上的波浪能，并通過滑輪組將波浪能轉換為升降繩上下運動的機械能，進而通過鏈輪和鏈條將機械能傳導到能量轉換系統——齒輪傳動組塊中，再通過發電組塊將機械能轉換為電能輸出。

齒輪傳動組塊(見圖2)的工作原理如下：當浮子向下運動，鏈輪3順時針轉動，使傳動軸(與鏈輪固定)順時針轉動，帶動逆時針離合器6中的大齒輪逆時針轉動。由于此時順時針離合器5受傳動齒輪驅動，其中小齒輪逆時針轉動，與大齒輪分離，大齒輪運動不受小齒輪約束，故逆時針離合器6中大齒輪會驅動發電機傳動齒輪7(與發電機固定)順時針轉動，進而使發電機發電。

當浮子向上運動，鏈輪3逆時針轉動，使傳動軸(與鏈輪固定)逆時針轉動，帶動順時針離合器5中的大齒輪順時針轉動。由于此時逆時針離合器6受傳動齒輪驅動，其中小齒輪順時針轉動，與大齒輪分離，大齒輪運動不受小齒輪約束，故順時針離合器5中大齒輪會驅動逆時針離合器6中大齒輪逆時針轉動，也驅動發電機傳動齒輪7(與發電機固定)順時針轉動，進而使發電機發電。

這樣就保證不管浮子向上還是向下運動，都使得發電機順時針轉動發電，故而產生直流電壓。

上述齒輪傳動組塊的核心機構就是離合器，分為順時針離合器和逆時針離合器。圖3所示為逆時針離合器的基本構成。其工作原理：當小齒輪2順時針轉動時，傳動轉子3會順時針運動，受向心力及重力影響，會與大齒輪4分離，無法約束大齒輪4運動，達到空轉的目的；當小齒輪2逆時針轉動時，傳動轉子3會逆時針運動，受向心力及重力影響，傳動轉子3會在一定程度上與大齒輪4的溝槽契合，進而推動大齒輪4逆時針轉動，達到傳動的目的。

1-定位軸,2-小齒輪,3-傳動轉子,4-大齒輪

順時針離合器和逆時針離合器工作原理一致。

2.2 實驗設計與實施

(1) 實驗設備。本實驗是在中國石油大學(華東)船舶與海洋工程實驗室中的小型波浪水槽內進行，如圖4所示。水槽整體是鋼結構和有機玻璃材質，長約15 m，寬0.4 m，深0.5 m，如圖4(a)所示。水槽一端安裝有機械搖桿推板造波機，如圖4(b)所示;另一端有消波設施。數據采集系統采用DH5922動態測量設備和DHDAS動態信號采集分析系統，如圖4(c)所示，DHDAS系統可以將DH5922設備傳來的電壓信號傳輸給計算機進行處理，獲得實時電壓數據。

(a)波浪水槽(b)造波系統(c)數據采集系統

圖4 振蕩水柱式波浪發電實驗

(2) 實驗工況與數據處理。基于設計開發完成的實驗裝置，考慮6種不同的入射波頻率及波高工況，分別記錄輸出電壓信號。實驗靜水深35 cm，連續采集的波峰個數為15～20 個。每個工況下的實驗重復3 次，以消除外界環境、實驗儀器等引起的系統誤差，取3 次結果的平均值為最終實驗結果。表1為不同工況下輸出的峰值電壓均值。圖5所示為工況5下裝置性能較為穩定的一段時間內(10～12 s)輸出電壓隨時間變化圖，圖6為輸出的峰值電壓均值與入射波頻率的對應關系。

表1 不同工況下輸出的峰值電壓均值

圖5 工況5下輸出電壓隨時間變化圖

(3) 實驗結論。

① 由圖5可以看出，輸出的電壓峰值并不穩定。

圖6 峰值電壓均值隨入射波頻率變化圖

原因在于浮子隨波浪的運動并非嚴格的垂直運動，一定程度上會發生左右前后搖擺運動，進而影響到輸出電壓的穩定性。

② 由圖6可以看出，隨著入射波頻率的增加，波高隨之增大，輸出的峰值電壓均值先是逐步增大到最大值，之后開始減小。當頻率為27 Hz，波高為6.7 cm時，輸出的峰值電壓均值最大，達到1 043 mV。此時，裝置的發電性能較好。

③ 由圖6可以看出，在入射波頻率為15～27 Hz時，輸出的峰值電壓均值與波浪頻率近似成線性關系。

事實上，對滑輪式振蕩浮子波浪發電裝置性能研究時，還需要考慮浮子的形狀、浮子的自振頻率、齒輪傳動效率等參數的影響。本實驗是在成型的發電裝置基礎上，僅選取了6種波浪工況進行研究，旨在增強學生的感性認識，提高學生的實踐能力，培養學生的創新意識。本實驗裝置的進一步優化設計與開發，可作為大學生創新實驗課題等進行研究。

3 結 語

振蕩浮子式波浪發電裝置結構較為簡單，適用面廣，是目前開發利用較高的一種波浪發電裝置。通過設計開發滑輪式振蕩浮子波浪發電裝置，并進行實驗可以使學生掌握該裝置的發電基本原理，理解波高、周期等因素對發電裝置性能的影響規律，啟發學生進一步優化發電裝置的思考。實驗過程中，鍛煉了學生的問題探究與規律總結能力，培養了學生的動手能力與團隊合作精神，激發了學生的創新思維和創新意識。本文設計開發的裝置除了可以用于波浪發電實驗，還可以用于科研及生產等領域。

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