浮標(biāo)式波浪能發(fā)電裝置

龍門架安裝在浮標(biāo)上，齒條固定在龍門架上，浮筒通過錨固定于海床上，浮標(biāo)在波浪的作用下上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)齒條在垂直方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，齒條通過浮筒內(nèi)部的換向定向齒輪箱將其上下往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為齒輪箱輸出軸沿同一個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，最后通過蓄能系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵?。該裝置的發(fā)電原理，如圖4所示。

隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步以及對(duì)自然資源的不斷開采，能源問題已經(jīng)成為人們迫切關(guān)心的問題，為了解決人類對(duì)于能源的需求問題，各國都開始了對(duì)風(fēng)能、太陽能、海洋能等可再生能源的探索和研究。

目前，我國已成為世界第二大能源生產(chǎn)國和消費(fèi)國，能源消耗繼續(xù)加劇，能源需求繼續(xù)膨脹，能源問題已經(jīng)迫在眉睫。未來15年我國將不可避免的面臨能源的快速消耗以及需求的快速增長。能源需求預(yù)測(cè)表明：未來10年內(nèi)，我國將至少需要40億噸煤炭，即使最大限度的開采我國煤炭資源，并且大力貫徹節(jié)能減排的政策，我國仍將產(chǎn)生5~6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的巨大缺口，甚至?xí)哌_(dá)10億噸。

到目前為止，我國沿海地區(qū)仍有約433個(gè)有居民居住的海島電能嚴(yán)重缺乏，能源已經(jīng)成為制約海島經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和實(shí)現(xiàn)小康社會(huì)的主要因素之一。鑒于此，為了滿足人類對(duì)能源的需求，也為了緩解人類對(duì)煤、石油、天然氣的過度依賴，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，我國開始了對(duì)風(fēng)能、太陽能、海洋能等可再生能源的探索研究。

海洋可再生能源（海洋能）主要是海流能、溫差能、波浪能、潮汐能、鹽差能、海洋及海島風(fēng)能和太陽能等。海洋可再生能源具有無污染、儲(chǔ)量大、可再生等特點(diǎn)。

海洋可再生能源是我國重要的可再生能源資源，在促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、緩解能源需求壓力等方面起到了重要的作用。但我國對(duì)海洋可再生能源利用率還比較低，開發(fā)利用海洋可再生能源的技術(shù)進(jìn)展緩慢。為了加速我國對(duì)海洋可再生能源利用，更充分地滿足經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，在充分挖掘我國海洋可再生能源資源的前提下，在分析海洋資源利用技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，借鑒國外對(duì)海洋可再生能源開發(fā)利用的經(jīng)驗(yàn)，提出了本文的設(shè)計(jì)思路，研制一種浮標(biāo)式波浪發(fā)電裝置，利用可再生的波浪能進(jìn)行發(fā)電，緩解能源需求帶來的壓力，促進(jìn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

與一般的波能轉(zhuǎn)換裝置一樣，浮標(biāo)式波浪發(fā)電裝置也包括三級(jí)能量轉(zhuǎn)換：第一級(jí)是將波浪能轉(zhuǎn)換為直接與海浪接觸的中間部件的機(jī)械能或者海水的位能、壓能；第二級(jí)是將上一級(jí)的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械的動(dòng)能；第三級(jí)是將上一級(jí)動(dòng)能通過發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電能。如圖2所示的浮標(biāo)式波浪發(fā)電裝置組成簡(jiǎn)圖。

由圖2看出，在浮標(biāo)式波浪發(fā)電裝置中，一級(jí)能量機(jī)構(gòu)是浮標(biāo)，俘獲波浪能轉(zhuǎn)換為浮標(biāo)的機(jī)械能，二級(jí)能量機(jī)構(gòu)是齒輪箱和蓄能系統(tǒng)，將浮標(biāo)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為二級(jí)能量機(jī)構(gòu)的機(jī)械能，三級(jí)能量機(jī)構(gòu)是發(fā)電系統(tǒng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

圖3所示為浮標(biāo)式波浪發(fā)電裝置示意圖，該裝置主要由浮標(biāo)1、浮筒2、龍門架3、齒條4等部分組成，其中浮筒內(nèi)置齒輪箱換向定向系統(tǒng)6、蓄能系統(tǒng)以及發(fā)電系統(tǒng)8等。龍門架固定于浮標(biāo)上，圓齒條通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置5連接在龍門架上，此處可以解決浮標(biāo)在垂直波浪力以及水平波浪力綜合作用下產(chǎn)生繞浮筒轉(zhuǎn)動(dòng)的問題，充分保證了齒輪齒條的嚙合。浮標(biāo)在垂直波浪力作用下沿浮筒上下往復(fù)滑動(dòng)，在浮標(biāo)上鑲嵌青銅軸瓦，保證了浮筒與浮標(biāo)之間的耐磨性。浮筒通過錨固定與海床上。

該裝置位于海洋環(huán)境中，因此要重點(diǎn)考慮該發(fā)電裝置防腐和密封問題。

（1）裝置密封

對(duì)于該裝置密封，主要位于浮筒與上下端蓋的連接處以及齒條與浮筒上端蓋接觸位置處，齒條通過浮筒上端蓋的導(dǎo)向套穿過上端蓋與浮筒內(nèi)部齒輪箱嚙合，該處的密封屬于動(dòng)密封。浮筒與上下端蓋通過法蘭進(jìn)行連接，連接處的密封屬于靜密封，對(duì)于靜密封通常用“O”型橡膠圈，或者利用橡膠墊片進(jìn)行密封。對(duì)于動(dòng)密封，考慮到齒條通過浮筒上端蓋的導(dǎo)向套往復(fù)運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)的方形齒條難以滿足耐磨、密封的要求，因此選擇圓齒條，一方面可以通過軸瓦加強(qiáng)耐磨性，另一方面便于密封。其次，通過采用機(jī)械的方法，加長導(dǎo)向套的高度避免海水飛濺進(jìn)入浮筒內(nèi)部，該處密封會(huì)在以后的研究中繼續(xù)進(jìn)行完善。

2）防腐

海水屬于自然狀態(tài)下的強(qiáng)電解質(zhì)，大部分金屬結(jié)構(gòu)會(huì)遭到海水腐蝕，受到腐蝕影響會(huì)破壞材料的耐腐蝕性能。因此，海洋環(huán)境中該裝置的腐蝕主要包括兩方面，一是飛濺區(qū)的腐蝕；二是大氣中的腐蝕。

在海洋環(huán)境中，飛濺區(qū)是指在潮汐和波浪共同作用下時(shí)干時(shí)濕的區(qū)域。飛濺區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)表面在海水、風(fēng)浪的綜合作用下，腐蝕比較特殊。這個(gè)部位生成的腐蝕產(chǎn)物不僅不能抑制腐蝕作用，反而對(duì)腐蝕過程起了促進(jìn)作用。因此導(dǎo)致飛濺區(qū)腐蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重。

海洋環(huán)境下的金屬結(jié)構(gòu)中，一直與海水無接觸的區(qū)域稱為海洋大氣的腐蝕環(huán)境。鋼鐵表面在大氣中水蒸氣的作用下產(chǎn)生一層薄水膜，這層薄水膜會(huì)使鋼鐵產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。。同時(shí)海水中含有氯化鈉，鋼鐵表面會(huì)吸附氯化鈉粒子，這樣更有助于在鋼鐵表面形成腐蝕性水膜，腐蝕將不斷地繼續(xù)發(fā)展。海洋大氣環(huán)境的腐蝕性，隨溫度的升高而增強(qiáng)。海洋大氣區(qū)的腐蝕往往受多種因素影響，是各種不同因素相互作用引起的。

由于受到環(huán)境因素的影響，海洋環(huán)境中的鋼鐵結(jié)構(gòu)，必須采用一些防腐蝕措施，比如耐蝕材料熱噴涂、陰極保護(hù)或者進(jìn)行表面處理等。

該裝置通過選擇浮筒與浮標(biāo)的材料進(jìn)行防腐，根據(jù)實(shí)際情況，選擇浮體的材料為玻璃鋼。玻璃鋼即纖維強(qiáng)化塑料，是一種新型工程材料，具有質(zhì)輕而硬，不導(dǎo)電，機(jī)械強(qiáng)度高，回收利用少，耐腐蝕性能好，可以代替鋼材制造機(jī)器零件和汽車、船舶外殼等，并且可設(shè)計(jì)性好，根據(jù)需要可以靈活的設(shè)計(jì)出各種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

玻璃鋼在水面艦船中應(yīng)用廣泛。美國是最早在船舶工業(yè)中應(yīng)用玻璃鋼的國家，早在1946年就制造了第一艘玻璃鋼交通艇。我國自1958年以來也研制了各種玻璃鋼船。目前，玻璃鋼雖然在船舶與海洋工程中已獲得廣泛應(yīng)用，但由于存在彈性模量低、長期耐高溫性能差、有老化現(xiàn)象、耐磨性差等缺點(diǎn)，玻璃鋼用于建造大型艦船，目前尚受到一定限制，有待進(jìn)一步研究。

在實(shí)際海況條件下，海浪在海面上的風(fēng)力，海底及海岸附近的火山、地震，大氣壓力，日、月引潮力的作用下，海浪是無規(guī)律的時(shí)時(shí)刻刻變化著，即波浪能是不穩(wěn)定的。對(duì)于本浮標(biāo)式波浪發(fā)電裝置來說，輸入是不穩(wěn)定的，在類似正弦波浪作用下，齒條的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率不斷變化，并且行程也是變化的，導(dǎo)致齒輪箱輸出軸的輸出雖然轉(zhuǎn)向是沿一個(gè)方向，但是轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，呈現(xiàn)波動(dòng)。這樣對(duì)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性以及發(fā)電效率產(chǎn)生一定影響，產(chǎn)生的電能也不穩(wěn)定。

因此，在齒輪箱輸出后應(yīng)該連接蓄能系統(tǒng)，進(jìn)行蓄能，當(dāng)海浪正常時(shí)，蓄能器首先蓄能，等海浪強(qiáng)度小時(shí)或者海面平靜無海浪時(shí)，蓄能器釋放能量，保證輸出軸的正常平穩(wěn)輸出，而不受實(shí)際海況的影響，發(fā)電機(jī)正常發(fā)電。

蓄能系統(tǒng)主要功能包括兩方面，一方面能夠使輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)更加平穩(wěn)，消除其速度波動(dòng)，使輸出軸的輸出轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)更加穩(wěn)定，另一方面就是蓄能，在波浪很小的情況下蓄能系統(tǒng)釋放儲(chǔ)存的能量進(jìn)行蓄能，使發(fā)電裝置正常發(fā)電。蓄能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將在以后的工作中進(jìn)行設(shè)計(jì)，作為對(duì)本浮標(biāo)式波浪發(fā)電裝置的完善。

波浪能是海洋能中最不穩(wěn)定的一種能源,但其分布最廣且能流密度大[6]。波浪在風(fēng)、氣壓和水的重力等多種自然因素的綜合作用下起伏運(yùn)動(dòng)，具有一定的動(dòng)能和勢(shì)能。波浪能的大小取決于波高和周期，具有無污染、密度低、分布廣、可再生、儲(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn)，但利用率較低。所謂波浪能發(fā)電，即把海洋中的波浪能轉(zhuǎn)換為電能的一種方式。

波浪發(fā)電主要利用海面波浪的水平運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)和海浪中水壓變化產(chǎn)生的能量進(jìn)行發(fā)電。根據(jù)基本原理，波浪能發(fā)電裝置大致可以分為四種：一是利用波浪上下的運(yùn)動(dòng)，直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械傳動(dòng)，即機(jī)械式波能轉(zhuǎn)換裝置；二是利用波浪上下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的氣流或者水流驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，例如振蕩水柱式，如圖1所示；三是利用波浪裝置的擺動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的氣流或水流驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電；四是把低壓大波浪變成小體積高壓水，然后引入高位蓄水池產(chǎn)生水頭驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電，例如收縮水道式波能轉(zhuǎn)換裝置，如圖1所示。

齒輪箱換向定向系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)波浪能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化和輸出，發(fā)電系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化和輸出。齒輪箱與發(fā)電機(jī)之間通過同步帶輪傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

（1）發(fā)電機(jī)選擇

由于浮標(biāo)在波浪的作用下上下起伏位移一定，從而齒條位移一定，帶動(dòng)齒輪箱輸入齒輪往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率高，速度呈正弦變化，從而使得齒輪箱輸出軸轉(zhuǎn)速較低、不穩(wěn)定，并且力矩不大，在沒有蓄能系統(tǒng)的情況下對(duì)發(fā)電機(jī)的要求很高。因此，對(duì)于發(fā)電機(jī)，考慮采用低速低啟動(dòng)力矩的發(fā)電機(jī)，它體積小，速度低，充分節(jié)省浮筒內(nèi)部的空間。并且在該波能發(fā)電裝置試驗(yàn)初期，研究小型波力發(fā)電裝置，選擇小功率發(fā)電機(jī)。

（2）同步帶輪設(shè)計(jì)同步帶輪是通過帶齒與輪齒的嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，與摩擦型帶傳動(dòng)相比，同步帶傳動(dòng)兼有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的一些特點(diǎn)。具有傳動(dòng)比精確、效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音低、使用壽命長、中心距允許范圍大、軸上壓力小、能承受一定的沖擊、不需潤滑、較其他類型帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

在浮標(biāo)式波浪發(fā)電裝置中，選用同步帶輪將齒輪箱的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，充分利用了同步帶輪傳動(dòng)比精確、效率高、中心距允許范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于同步帶齒形的選擇，選擇周節(jié)制的梯形齒。

江河波浪能稍有別于海洋波浪能，主要以水平方向運(yùn)動(dòng)所具有的動(dòng)能為主，同時(shí)存在勢(shì)能，其能量相對(duì)于海洋波浪能較低。為實(shí)現(xiàn)對(duì)江河波浪能的充分利用，必須解決目前江河波浪能發(fā)電所而臨的三大難題:一是固定問題，由于江河多為水運(yùn)要道，發(fā)電裝置須不影響航運(yùn)，且由于波浪能很不規(guī)律，浮于水而的發(fā)電裝置易受波浪沖擊;二是穩(wěn)定性問題，由于波浪的運(yùn)動(dòng)沒有規(guī)律性和周期J哇，受技術(shù)限制，波浪能發(fā)電裝置只能將吸收來的不穩(wěn)定波浪能轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的電能;三是效率問題，江河中的波浪能相較于海洋波浪能能量較小，必須提高波浪能的利用效率才有實(shí)用價(jià)值。

江河波浪能是一種取之不盡的可再生清潔能源，且其分布而廣，以武漢為例，就有長江、東湖等水系。目前江河波浪能的利用僅限于小功率發(fā)電，主要應(yīng)用于導(dǎo)航浮標(biāo)、燈塔等設(shè)備，波浪能的利用仍有很大的開發(fā)空間，具有良好的應(yīng)用前景。

點(diǎn)吸收液壓式波浪能發(fā)電裝置主要利用液壓缸、蓄能器、液壓馬達(dá)等液壓裝置傳遞其波浪能量，也包括三級(jí)能量轉(zhuǎn)化過程，首先浮子吸收波浪能，然后驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化為液壓油的液壓能沖擊液壓馬達(dá)單向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)發(fā)電。美國的Electric Buoy、愛爾蘭的Wave Bob、瑞士的Ocean Harvest等點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置均采用液壓傳遞波浪能。