綜合利用波浪勢(shì)能與流能的發(fā)電裝置

徐丙州，臧天朔，王澤豪，張文博

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

波浪能是海洋能中最主要的能源之一，其波能能量密度高，是風(fēng)能的4～30 倍，且其受天氣影響較小。中國沿海波浪能平均理論功率高，約是中國電力常量一半。但是現(xiàn)有的波浪能發(fā)電設(shè)備往往只能對(duì)波浪能的某一種形式進(jìn)行收集，且多是早期的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)笨重，轉(zhuǎn)換效率低，約為10%～35%?；谝陨媳尘埃O(shè)計(jì)了一款綜合利用波浪勢(shì)能與流能的發(fā)電裝置。

1 設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目主要通過文丘里管對(duì)垂直方向低速高能的波浪進(jìn)行加速，實(shí)現(xiàn)波能轉(zhuǎn)換；利用自動(dòng)開合葉片對(duì)海平面附近的流能進(jìn)行收集，不同方向的波浪能經(jīng)過齒輪調(diào)速模塊調(diào)整方向之后傳遞到輸出軸，同軸的兩個(gè)輸出模塊的能量經(jīng)過逆向差速器之后傳遞到發(fā)電機(jī)組，從而實(shí)現(xiàn)波浪能發(fā)電。整體裝置如圖1 所示。

圖1 整體裝置簡(jiǎn)圖

本裝置主要由勢(shì)能收集模塊、流能收集模塊、齒輪調(diào)速模塊、差速整合模塊組成。

1.1 勢(shì)能收集模塊

勢(shì)能收集模塊由浮子、文丘里管兩部分組成。文丘里管隨浮子上下浮動(dòng)，實(shí)現(xiàn)勢(shì)能的收集，其內(nèi)部為渦輪機(jī)與齒輪調(diào)速模塊結(jié)合的裝置。

1.1.1 浮子

本作品的浮子選擇圓錐形浮體，浮子受到海浪的沖擊，帶動(dòng)文丘里管上下浮動(dòng)。

在海洋中，浮子會(huì)隨著波浪進(jìn)行上下起伏運(yùn)動(dòng)，主要利用的是垂直方向波浪能，因此在計(jì)算浮體的波浪力時(shí)只考慮垂直波浪力。

由振蕩浮體吸收的波浪能一部分轉(zhuǎn)化為浮體在不同位置的勢(shì)能，一部分轉(zhuǎn)化為浮體垂蕩運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，且兩者可以相互轉(zhuǎn)化。所以，浮體吸收的波浪能可以用浮體的機(jī)械能表示為：

式（1）中：M 為浮體的質(zhì)量；A0為浮體垂蕩運(yùn)動(dòng)的振幅。

從AQWA 軟件的仿真實(shí)驗(yàn)中得到，在質(zhì)量、體積、平衡位置截面積、入射波相同的情況下，圓錐形浮體吸收的波浪能最多[2]，因此，本作品選擇圓錐形浮體。

1.1.2 文丘里管提速模塊

本裝置文丘里管與喉道處內(nèi)置渦輪葉片可以產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

該部分將安放于海平面以下30～40 m 處[2]，上方浮子浮在水面。由于垂直方向波浪流速較小，具有低速高能的特點(diǎn)[1]，所以采用文丘里管提速模塊。當(dāng)波浪發(fā)生起伏時(shí)，浮子帶動(dòng)文丘里管上下浮動(dòng)，此時(shí)由于深處的海水較為穩(wěn)定，會(huì)有水流通過文丘里管裝置內(nèi)部，帶動(dòng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)。

長徑比和面積比是影響文丘里管內(nèi)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速的兩大因素，L 為文丘里管收縮段長度，d 為文丘里管喉部直徑。實(shí)驗(yàn)表明，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速約在長徑比L/d=1.5 處取得極大值，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速增加約40%[3]；面積比A1/A2=8.27 時(shí)，可使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速增加50%左右。收縮管錐度以α表示，喉段收縮比為小圓半徑與大圓半徑之比[3]。由試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出，當(dāng)收縮管錐度為50°、喉段收縮比為5/12 時(shí)進(jìn)水量達(dá)到最大值，因此，收縮比與錐度設(shè)計(jì)為5/12 和50°。

1.1.3 齒輪調(diào)速模塊

由于文丘里管會(huì)上下浮動(dòng)，所以渦輪機(jī)對(duì)軸的動(dòng)力輸出方向不能確定，而流能收集模塊對(duì)軸的動(dòng)力輸出方向是始終保持不變的，所以對(duì)其旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行調(diào)整。該模塊利用棘輪與齒輪相互配合，當(dāng)渦輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)棘輪A 嚙合，B 空轉(zhuǎn)，反之亦然。此模塊可使軸的轉(zhuǎn)向在任何時(shí)候都保持不變，與自動(dòng)開合葉片動(dòng)力輸入方向保持一致，可以使動(dòng)力輸出更平穩(wěn)，提高發(fā)電效率。整套齒輪結(jié)構(gòu)將置于渦輪機(jī)葉片與軸的連接處。

1.2 流能收集模塊

流能收集模塊利用海水在水平方向的流動(dòng)趨勢(shì)，通過自動(dòng)開合葉片，提高對(duì)海水能量的利用效率，其由自動(dòng)開合葉片和輸出動(dòng)力軸系組成。自動(dòng)開合葉片裝置如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)開合葉片裝置圖

本作品的自動(dòng)開合葉片為被動(dòng)式，利用波浪的阻力實(shí)現(xiàn)開合。如圖2 所示，A 側(cè)為迎浪側(cè)，當(dāng)受到波浪的沖擊時(shí)，兩塊合頁會(huì)被撐開，使受力面積變大；B 側(cè)為背浪側(cè)，在波浪的沖擊下趨向于閉合。

由于此處流速比深處的海水流速大，所以水平捕能裝置將放置在浮子下方靠近海平面處。

1.3 差速整合模塊

差速整合模塊由兩個(gè)不同動(dòng)力輸入軸和中間行星輪組成。利用差速器的逆向運(yùn)行，整合兩動(dòng)力輸入軸的扭矩，輸出到電機(jī)主軸上。差速器如圖3 所示。

圖3 差速器

該裝置放于電機(jī)軸與動(dòng)力軸的連接處。C 動(dòng)力輸入軸為渦輪機(jī)動(dòng)力軸，D 動(dòng)力輸入軸為自動(dòng)開合葉片動(dòng)力軸，兩軸旋轉(zhuǎn)方向相同但是轉(zhuǎn)速不同。D 軸中空，內(nèi)徑略大于C 軸，C 軸穿過D 軸傳輸動(dòng)力，通過中間的行星輪E 實(shí)現(xiàn)差速整合。

差速器是一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于兩輸出軸間分配扭矩，并保證兩輸出軸可以以不同的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，保證各半軸的動(dòng)力傳遞。本作品設(shè)計(jì)了新的差速器結(jié)構(gòu)，利用差速器的逆向運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了扭矩的整合，將兩輸入軸的不同角速度整合到單個(gè)輸出軸上。

當(dāng)裝置工作時(shí)，流能和勢(shì)能兩收集裝置產(chǎn)生的動(dòng)力軸角速度不同，產(chǎn)生的扭矩不同。逆向差速器通過行星輪的自轉(zhuǎn)消除差速，通過公轉(zhuǎn)將動(dòng)力輸出，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的整合。

2 理論分析

海洋表面存在浪高差異，會(huì)帶動(dòng)浮子和文丘里管加速模塊上下浮動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)。由于該模塊上下兩側(cè)入口處的橫截面積較大，而喉管處的橫截面積較小，所以當(dāng)流量一定時(shí)，低速高能的水流通過喉管會(huì)被加速，從而實(shí)現(xiàn)波浪勢(shì)能的高效利用。

據(jù)計(jì)算，在波高H=1.5 m，波長λ=56.178 m，波峰長度B=3 m 時(shí)，該裝置垂直方向的效率為：

水平方向海浪沖擊自動(dòng)開合葉片，使得葉片旋轉(zhuǎn)。使用多組并聯(lián)式結(jié)構(gòu)可以在提高發(fā)電功率的同時(shí)提高其穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)波浪流能的收集。該裝置水平方向的效率為：

勢(shì)能收集模塊與流能收集模塊通過逆向差速器整合扭矩，總動(dòng)力軸輸出動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)波浪能發(fā)電。

3 結(jié)語

本作品采用新型逆向差速器結(jié)構(gòu)，綜合利用了海洋中的波浪勢(shì)能與流能，解決了傳統(tǒng)海上發(fā)電裝置工作方式單一、能量利用率較低的問題，提高了海上發(fā)電設(shè)備的工作效率。整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造成本與維修費(fèi)用低，兼具安裝位置受限小、海上適應(yīng)能力強(qiáng)、發(fā)電效率高等優(yōu)點(diǎn)，安裝的規(guī)模不受限制，在近海和深海都可以使用。在海上作業(yè)供電、海岸居民用電等方面具有較為廣闊的開發(fā)前景。