淺談光能潮汐能互補發電系統設計與分析

袁廣民　朱日程　杜鑫鑫

摘 要：本文以當前能源緊缺，新型能源崛起為背景，基于一款潮汐能聯合發電裝置，首先通過實體建模對此套裝置進行介紹，然后對裝置合理性進行理論性分析，最后開展系統設計推廣的探究討論。旨在歸類總結當前能源兩大熱點方向聯合的可能性和適配性。

關鍵詞：聯合發電技術；潮汐能利用；適配性討論

0 前言

為了更好地落實能源有效開發、能源節約這一發展戰略，通過建模、設計的形式分析潮汐能與光能的聯合發電系統是極為必要的，在掌握系統工作原理、工作方式的基礎上，大大提高系統利用率，確保所供應的電能及時滿足生產、生活需要，為實現南海戰略發展提供可靠的能源平臺。從中能夠看出，本文針對潮汐能光能互補發電系統建模與設計的探討這一論題全面分析，具有重要的現實意義。

1 光能潮汐能發電系統介紹

傳統斯特林機是一種以化石燃料為能源的閉循環回熱式外燃機，依靠外燃燃料供能就會出現對燃料純度要求高且能量耗損大的問題。采用的酒精燈供能方式，燃燒效率低，且對酒精純度有較高要求。而對于潮汐能的利用方面，通常采用平面轉輪槳葉模型來采集能源。采用的平面轉輪槳葉存在著對于潮汐能利用率低，葉片耗損大的弊端。現對新型潮汐能風能聯合發電設備進行如下簡介。

1.1 系統組成

此套裝置主要有三個方面組成。具體為：斯特林聚光機組、旋轉槳葉式潮汐吸收發電機組、“超—連”集合裝置。其中斯特林聚光包括聚光鏡、斯特林機（熱氣缸、 冷氣缸、散熱片、 熱氣缸活塞、冷氣缸活塞、回熱器、熱氣缸連桿、冷氣缸連桿、套筒、曲軸）。旋轉槳葉式潮汐吸收發電機組包括大齒輪、小齒輪、反式軸向立式槳葉。“超—連”集合裝置包括超越離合器、錐齒輪、發電機、飛輪、鼓形齒式聯軸器、橢球型穩定器。值得指出，發電機也是整套發電機組的主要組成部分，它主要發揮能量轉換工作，即機械能轉變為電能；采用鉛蓄電池可儲存發電系統的過剩產能，且規避同頻率并網的難題，確保生產、生活用電需要得到持續性滿足。

1.2 系統結構

具體結構（如圖1所示）左端為斯特林聚光機組，中間部分為“超—連”集合裝置，通過超越離合器與鼓形齒式聯軸器相互配合，實現兩種能源的聯合，最右端為旋轉槳葉式潮汐吸收發電機組。

2 原理介紹與理論分析

由于此套裝置所涉及內容較多，系統結構較為復雜，因此針對部分重點內容進行詳述。

此套裝置機械部分主要包括聚光鏡，斯特林機，飛輪，鼓形齒式聯軸器，反式軸向立式槳葉，橢球型穩定器，發電機等裝置。

聚光鏡為一個半球形的球面反射鏡，安裝于斯特林機的熱氣缸底部，聚焦太陽能加熱斯特林機的熱氣缸來為其提供熱能，球面反射鏡的球心位于熱氣缸中軸線上。在太陽能利用領域，菲涅爾主要作為光伏聚光設備的聚光核心部件，將光線從大范圍光區通過折射轉化為小范圍光區。廉價的菲涅爾透鏡一般由透明塑料壓鑄或模塑而成，其尺寸可以在做得比玻璃大的同時更輕、更經濟，因此，大型的菲涅爾透鏡也被廣泛用在太陽灶聚集陽光或是太陽能熱水器上。

斯特林機[1]為一個以聚焦太陽光為熱源的外燃機，主要結構有熱氣缸、冷氣缸、散熱片、活塞、迷宮回廊回熱器、連桿、曲軸、套筒。散熱片是位于冷氣缸上的銅質同心圓環薄片，用于增加冷氣缸的散熱效率。回熱器位于連接冷熱氣缸的通道中，熱氣缸向冷氣缸排氣時氣體對回熱器散熱，冷氣從冷氣缸回流至熱氣缸時從回熱器吸收熱量，充分利用熱能，即太陽能使得熱氣缸活塞先動，然后帶動冷氣缸活塞動，從而依次交替運動，提高發電機效率。套筒內圈的軸瓦為黃銅，曲軸為鋼材，二者配合可以降低摩擦，提高零件的使用壽命。連桿和活塞鉸接，連桿可以繞活塞有小角度的轉動。

飛輪為一個六孔鋼制輪盤，在曲軸運轉至上下死點（即當壓力角等于90度時，連桿對從動件的驅動力或力矩為零的情形）時可以利用簡單的機械驅動裝置（旋轉飛輪）驅動飛輪旋轉使曲軸沖過死點開始運轉。飛輪具有較好的質量，可以儲存釋放角動能使得斯特林機運轉更加平穩。由于曲軸轉速是隨轉動位置而變化的，當曲軸轉速增高時，飛輪的動能增加，把角動能貯蓄起來；當曲軸轉速降低時，飛輪動能減少，把角動能釋放出來。同時，飛輪可以用來減少曲軸運轉過程的速度波動，使運轉更加平穩。

反式軸向立式槳葉（如圖2所示）是由一個弧形葉片繞主軸陣列旋轉形成的，具有結構強度高、潮汐能利用率大的優點，擴大水下能量采集裝置的工作面積，使對于潮汐現象引起的海水流動所產生的能量進行吸收、轉化。并與錐齒輪連接，經超越離合器，將扭矩匯聚至鼓形齒式聯軸器，最終傳遞至發電機。

橢球型穩定器可減少水下負載對整體裝置的拉力，同時增大轉動慣量，提高裝置穩定性與抗損性。

曲軸末端與發電機連接的一端還連接有飛輪，用于儲存角動能，穩定裝置。

電路控制部分主要集中在控制菲涅爾透鏡的追光性。為保證透鏡聚焦太陽光的效率最高，應使透鏡的聚焦中心實時追蹤太陽光。此外考慮到灰塵堆積、太陽高度角變化以及光敏電阻在同環境下的敏感度不同問題，設計多控制變量的敏感電路。

斯特林機熱力循環過程如下：

定溫壓縮過程：承接自定容冷卻中的熱氣缸運動，循環開始，冷氣缸連桿推動冷活塞向上移動，熱活塞不動，冷氣缸中氣體被壓縮，向氣缸外放出熱量，氣體溫度不變。

定容加熱過程：冷氣缸連桿繼續推動冷活塞上移，在氣體壓力與熱氣缸連桿控制下熱活塞向下移動，冷氣缸中的氣體通過回熱器進入熱氣缸，氣體通過回熱器時溫度升高壓力升高。

定溫膨脹過程：高溫氣體膨脹推動熱活塞向下移動，對外做功，加熱源使熱氣缸中氣體在膨脹做功時溫度不變，減緩氣壓下降，熱活塞移動到下死點。

定容冷卻過程：熱氣缸連桿控制熱活塞向上移動，冷活塞向下移動，氣體通過回熱器時對其放熱，溫度降低，壓力下降，等冷熱活塞移動到各自端頭整個循環完成。

可見此種光能潮汐能集成發電裝置，采用基于斯特林循環利用太陽能熱效應的發電方式，完全替代單晶硅、多晶硅材料，降低生產能耗，減少污染。采用反式軸向立式槳葉，增加槳葉在水下的穩定性，擴大水下能量采集裝置的工作面積，使對于潮汐現象引起的海水流動所產生的能量進行吸收、轉化。采用橢球型穩定器減少水下負載對整體裝置的拉力，同時增大轉動慣量，提高裝置穩定性與抗損性。

3 系統設計推廣分析

過去的十年間，新型能源發電裝置不斷涌現，其中光伏發電產業和自適應性潮汐能源產業已受到了各國政府的大力支持，發展清潔能源已經被提到國家戰略層面，光伏發電一直以清潔為宣傳口號，但其所使用的硅光板的生產需要消耗大量的能源，也會產生很大的污染。而采用以太陽能為熱源的斯特林循環發電，不需要使用能耗高、污染大的單晶硅、多晶硅材質的光伏板，真正發揮了太陽能清潔能源的特點。同時，因地制宜地利用廣袤無垠海洋中海浪流動、起伏的能量發展潮汐能，解決沿海經濟發展受制能源限制的困境，將成為未來的一大發展趨勢。

為了解決現有能源緊缺問題，提高諸如南海等特殊地區的能源補給率，充分利用環境資源，實現可循環可再生發展。此套光能潮汐能集成發電裝置：基于斯特林循環利用太陽能的熱效應發電，避免使用制作成本大能耗高污染的光伏發電板。利用反式軸向立式槳葉，增加軸向轉動力矩，避免平面槳葉易破損的弊端，增強裝置結構穩定性，以此適應潮汐變化對裝置的侵蝕。橢球型穩定器為中空的橢球型囊腔，可用于減少水下負載對整體裝置的拉力，增大轉動慣量，提高裝置穩定性與抗損性。所采用的菲涅爾透鏡具有結構輕巧，聚光度高，光能穿透損失小的特點。終端所采用蓄電池簡化圖如圖3所示。

在匹配問題上，實際上是指光能潮汐能系統對于現有環境的貢獻度以及兩種能源的相互干涉。通過采用“超—連”集合裝置，“超”即超越離合器，可實現扭矩的定向傳遞，互不干擾。“連”即鼓形齒式聯軸器，可消除因聯軸器前后兩軸不共軸線而帶來的曲軸內力。通過中間的曲軸連接，可以實現兩種能源的互補發電不受影響。

4 結論

基于上述系統特點，可見，針對南海等偏遠地區，此套裝置具有很大的發展空間。同時光能潮汐能的聯合技術，不僅實現了對于沿海地區所蘊含豐富的潮汐能的利用，光能的加入也使得發電更加趨于穩定。這對我國實施南海戰略提供了堅實的能源支撐，有利于我國對于偏遠地區的開發與發展。

參考文獻：

[1]趙征，吳艷輝. 一種風光聯合發電機[P].西北工業大學，2017.

[2]李薔，高郭平，安佰超，程靈巧.白令海峽及其鄰近海域潮汐潮能數值模擬[J]. 極地研究，2018，30（1）：2-10.