搖蕩式波浪能發電裝置設計

任志宇，王曉杰，張成雷*，曹金霆，韓利慶

（臨沂大學機械與車輛工程學院，山東 臨沂 276000）

0 引言

從經濟角度出發，海洋能開發逐漸形成產業化，是未來經濟發展新的增長點。從社會發展角度出發，海洋能開發是我國社會可持續發展的需要亦是環境保護的需要。我國波浪能、潮流能等能源開發利用工作尚處于起步階段，未來具有較大的發展潛力。波浪能發電技術可以替代部分常規能源，為邊遠海域的國防、海洋開發等活動提供能量[1]。開發穩定可靠高效海洋能發電裝置對我國能源戰略具有重要意義。

對海洋資源包括能源在內的開發，從國家經濟層面來說，正逐步加大產業化進程，這無疑也正成為世界各國將來經濟的新一個爆發點。我們從國家社會發展這一角度來看，我國社會可持續發展和環境保護迫切需要海洋能源開發這一不可或缺的環節。但是我們也必須看到，我們對海洋中諸如波浪能、潮流能等這些海洋能源的開發及利用，還在起始時期，但是我們已經都看到了它所蘊含的巨大潛力。波浪能發電技術可以替代部分常規能源，為邊遠海域的國防、海洋開發等活動提供能源[1]。發展穩定、可靠、高效的船舶發電設備對我國能源戰略具有重要意義。

目前國內外學者已經提出多種形式發電裝置，比如振蕩浮子式、擺式、筏式以及鴨式發電裝置等[2]。

根據以上我們總結發現，現有波浪能發電裝置普遍存在吸收波浪能方向單一，潮位適應力差，轉化過程能量損耗較多等缺點。因此開展搖蕩式波浪能發電裝置設計顯得極為必要。

1 搖蕩式波浪能發電裝置設計

1.1 總體設計

針對波浪能收集發電裝置易受惡劣海況和海水的腐蝕，創新提出的搖蕩式波浪能發電裝置[3]構想，從外部殼體設計，自適應系泊系統，波浪能轉化整流結構和發電裝置的設計等多個方面來解決現今波浪發電裝置的發電效率低，建造維護費用高，使用壽命短等問題。通過建立理論結構模型到模型樣機開發，再到推廣到實際工程海域這一過程。

設計出一種搖蕩式波浪能發電裝置，整套發電系統分為外部殼體，自適應系泊系統，波浪能轉化整流結構和發電裝置，所示圖1（P292）為搖蕩式波浪能發電裝置設計流程圖。

圖1 搖蕩式波浪能發電裝置設計流程圖

1.2 基于海水特點選擇合適的裝置外殼

表1 國內外研究現狀

為防止海水對發電裝置結構的腐蝕，本裝置封閉在殼體之中。對于圓柱體尺寸以及球形或者橢球形尺寸，需要對其在波浪中運動進行分析，在同樣的波浪環境下獲得更劇烈的搖蕩運動。殼體最上面的平蓋為圓形塑料制成，在其圓心處加裝有安裝擺軸的軸承以減小摩擦阻力，其下是帶有系繩拉環和支架的浮筒。在保持強度的情況下減小制作難度及成本。

由于海水具有較強的腐蝕性，對比現有的方法和技術開發出搖擺式發電裝置為本團隊研究目標。利用軟件建立三維殼體模型并采用OpenFOAM[4]開源代碼庫對不同形狀殼體在波浪中運動進行仿真。通過計算對殼體進行初步分析，綜合考慮殼體恢復力和力矩，阻尼，附加質量以及內部結構的空間布局，選取外殼形狀為半球形。以下是半球形外殼在規則波中響應曲線（見圖2）。

圖2 半球形外殼在規則波中響應曲線

1.3 機械儲能裝置

針對波浪功率隨季節和時間影響的問題進行機械儲能裝置的研究。該系統采用ETA28921自動上鏈裝置和大儲能發條，其換向部件主要包括兩個換向爪及兩個換向片。

在海洋中波浪的周期性運動過程中，根據重錘的重心和其本身的回轉中心不在同一位置，在諸如地球引力及慣性的影響下，重錘的組件尅圍繞其凸臺的兩個不同方向進行轉動，進而使得自動錘輪一起轉動。在自動錘部件推動錘輪進行順時針旋轉時，此時此刻自動二輪的部件便會相應的進行逆時針轉動，自動二齒軸與此同時驅動換向輪的上片進行順時針轉動，換向輪上片凸臺頂住上片換向爪順時針方向旋轉，由于換向爪的驅動下，傳動片會向順時針方向旋轉。此外，基于傳動片與換向輪軸緊緊地配合，因此換向齒軸也會發生順時針旋轉，進而換向齒軸帶動自動四輪部件發生逆時針旋轉，并且自動四齒軸也會驅動自動五輪片進而使其順時針轉動，在此過程中，其本身還會帶動自動六輪進行逆時針旋轉，與此同時自動六齒軸會驅動上條棘輪展開順時針運動，況且上條棘輪方孔還和條軸銑方交融，因此條軸在進行順時針旋轉的時候，會上緊發條。

當重錘組件帶動錘輪逆時針轉動時，自動二輪部件順時針轉動，自動三輪部件逆時針轉動，帶動換向輪下片順時針轉動，換向輪下片凸臺頂住下片換向爪順時針方向旋轉，在換向爪的帶動下傳動片順時針方向旋轉，換向輪軸順時針轉動上條，原理同上所述，上條棘輪順時針轉動，帶動條軸順時針旋轉上緊發條。在此工作過程中，換向輪上片在自動二輪部件的帶動下逆時針旋轉，上片換向爪在其中打滑，不能帶動傳動片工作，所以上片換向爪這時不起作用。

重錘上的力矩傳遞到條軸上時，要經過一組減速齒輪完成，減速齒輪的傳動比通常在1/150左右。2892采用的是埋入式自動機構，空間尺寸比較小所以減速機構的齒輪比較小，采用了6級減速傳動自動二輪部件、自動四輪部件和自動六輪部件采用了類似于跨輪的結構形式，即夾板上有細而長的位釘作為這種齒輪的回轉軸，換向輪的傳動片采用青銅材料加工，增強耐磨損性能（見圖3）。

圖3 機械儲能裝置示意圖

1.4 恒定力矩輸出設計

由于發條在實際釋放力矩時也存在類似力矩輸出不穩定的問題，為了解決這個問題，利用杠桿作用來抵消發條的扭力下降，設計了ST8700型號中的恒動力系統。這個系統在設置之初，便與雙條盒驅動的傳動系和杠桿式擒縱調速系統具有較強的聯系。其本質仍是會把再次之前不斷降低的主傳動鏈力矩存在于恒動游絲里，這樣的游絲能夠帶動擒縱機構正常運轉大約十秒，因此也可以稱之為微型的發條。據此原因，其中的力矩便可以具有較大的活動空間，并表現出一定的周期性，譬如十秒的鋸齒形波。但是我們也發現它的力矩平均値是極其穩定的，進而能夠保證在較長儲備能量的過程中，擒縱機構所能接收到的力矩不致過大且穩定，進而實現對當發條盒在輸出周期性變化的扭矩時，能夠引起像走時誤差這樣的誤差。在滿條時，可以避免激擺；在發條松弛狀態時，仍保持擺輪擺幅恒定。

此設計的工況如下：條盒輪會在發條所產生的力矩驅動下進而轉動，并且會慢慢變緊，此時此刻我們的設計是恒動游絲的其中某一頭會被緊固在下層秒輪的部件上，此外我們又將游絲的另一自由端與上層秒輪部件相緊密結合，我們會發現，恒動游絲會帶動上層秒輪部件旋轉，究其原因仍是卷緊儲存的彈性勢能在起作用。并且三角凸輪將旋轉六十度角，在這個過程中擒縱叉杠桿部件會擺動使得入瓦將鎖定的單齒輪釋放，單齒輪順時針旋轉180度直到遇到另一顆鎖定叉瓦一出瓦并被再次鎖定為止，此過程歷經10秒鐘，需要注意的是：發條動力帶動下層秒輪部件旋轉，因為下層秒輪片與固定在單齒輪上的秒過齒軸嚙合，所以單齒輪旋轉的動力來源于下層秒輪部件。在單齒輪被釋放開始到再次被鎖定這10秒鐘的時間里，下層秒輪軸會將動力傳輸給擒縱輪，從而驅動擒縱調速機構運轉。與此同時擺輪兼顧恒定動力擒縱系統的循環上鏈機制。并且這將會一直反復，直到條盒的發條力矩下降到不能再次驅動恒定動力擒縱系統為止。

1.5 自適應系泊[5]系統設計

近海區域海水會產生潮漲與潮落，為了使裝置能夠在不同水位始終處于最佳的浮態，本裝置采用可調節式系泊與錨系統進行定位。關于系泊系統的選擇需要根據不同海域波浪環境以及裝置在波浪中受力確定。

通過計算分析整個裝置受力以及布置海域海況，選取合適的系泊方式以及系泊材料。采用直接打入海底的樁基用繩索與桶體相連。其特點是操作簡單，結構牢靠。

2 結語

海洋蘊含著豐富的各種資源，海洋能的開發利用越來越吸引全球各國的科研投入，對波浪能、潮流能等能源開發利用具有較大的發展潛力。本文設計了搖蕩式波浪能發電裝置，其可以利用各個方向波浪能，通過內部傳動結構將裝置搖蕩運動轉化為穩定的轉動，從而帶動發電機產生電能。此外，本設計基于自適應系泊系統，保證裝置潮位適應能力。通過采用簡化傳動設計，提高了裝置能量轉化效率。