浮力擺式波浪能發(fā)電裝置

波浪是取之不盡、用之不竭的可再生能源。由于波浪力具有隨機性，利用波浪時很難從理論上取得波浪對于浮力擺的力作用形式及其隨時間變化的規(guī)律，這就給浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的設計帶來了困難。無論是浮力擺翼型的設計，還是液壓系統(tǒng)中各液壓元件的選型，以及發(fā)電機的選型，都與波浪力的作用形式有著密切的關(guān)系，所以波浪力的計算與仿真在浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的設計是一個至關(guān)重要的問題。除此之外，如果可以解決波浪力作用在浮力擺上的作用形式，就可以在實驗室完成對于浮力擺式發(fā)電裝置真實海況下發(fā)電的模擬，從而減少發(fā)電裝置在實地實驗時出現(xiàn)意外情況的概率，在實驗室進行部分深海實驗的模擬以及裝置的改進，增加海試實驗的成功率。

海水波浪起制約作用的物理因素是重力，黏性力一般可略而不計，因此波浪力分析時多采用理想流體的勢流理論。即便如此，確定波浪作用在浮力擺上的力也是一項很復雜的工作。即使對于長方體薄板，計算其波浪力的作用也十分復雜，那么對于具有復雜翼型的浮力擺就更難得到波浪力的數(shù)值。而且，浮力擺在波浪力的作用下作往復運動的同時，周圍的流場也會隨著變化，從而導致波浪力也會發(fā)生變化。所以，浮力擺與波浪之間是一個相互耦合的作用問題。

由于波浪本身的隨機波動性，不可避免地造成了波浪能發(fā)電裝置輸出功率的不穩(wěn)定，所以這自然成為浮力擺式波浪能發(fā)電裝置設計過程中的關(guān)鍵問題之一。解決功率穩(wěn)定性的問題實際上就是要穩(wěn)定系統(tǒng)中的能量波動，現(xiàn)在的浮力擺式裝置中通常采用飛輪和蓄能器這兩種元件作為儲能元件來減緩系統(tǒng)中的能量波動。當波速大時，液壓馬間通過飛輪連接。當波速大時，液壓馬達轉(zhuǎn)速高，飛輪儲存能量;反之，當波速小時，液壓馬達轉(zhuǎn)速低，飛輪釋放能量。這樣，緩和了系統(tǒng)中的能量波動，穩(wěn)定發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

但由于飛輪本身會消耗一定的能量，而且飛輪的安裝和維修均不方便，所以現(xiàn)有的波浪能發(fā)電裝置中的液壓系統(tǒng)很少使用飛輪作為儲能元件。相較于飛輪，蓄能器具有安裝方便、使用壽命長、噪聲小、作為補給裝置、保持系統(tǒng)安全壓力、波動小等諸多優(yōu)點，蓄能器在波浪能發(fā)電液壓系統(tǒng)中廣泛應用。浪速大時，液壓系統(tǒng)油壓增大，此時蓄能器儲能;浪速小時，液壓系統(tǒng)中的油壓隨之降低，蓄能器釋放儲存的能量。在這樣一個周期限性的過程中，系統(tǒng)中的壓力和流量得到穩(wěn)定，從而穩(wěn)定了系統(tǒng)的輸出功率。常規(guī)液壓系統(tǒng)蓄能器蓄能穩(wěn)壓基本都針對某一確定范圍的工作壓力而設定，而波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)的壓力在零到極限壓力之間波動，因此蓄能器的設計及計算并不能照搬常規(guī)方法。

中國國家海洋技術(shù)中心浮力擺式波浪能發(fā)電裝置

中國國家海洋技術(shù)中心于2012年研發(fā)100kW浮力擺式波浪能發(fā)電裝置，目前該電站在山東省即墨市大管島進行海試運行。波浪能發(fā)電系統(tǒng)采用離岸浮力擺形式，由擺板、液壓傳動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)三部分組成。擺板的擺軸位于擺板底部，擺板在波浪的作用下偏離平衡位置，此時擺板在浮力作用下向平衡位置恢復，同時擺板還受到重力和水的阻力作用，從而使擺板繞擺軸前后擺動。

海洋波浪能發(fā)電裝置大部分有3~4級能量轉(zhuǎn)換過程，如圖所示 。在具有三級能量轉(zhuǎn)換部分的裝置中，一級能量轉(zhuǎn)換裝置與波浪直接接觸，捕獲波浪能并轉(zhuǎn)換成為裝置的機械能，或泵送海水將水位升高轉(zhuǎn)換為水的勢能;一級能量轉(zhuǎn)換所得到的能量在二級能量轉(zhuǎn)換裝置中通過水力透平、空氣透平或液壓馬達等轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的動能;最后，旋轉(zhuǎn)動能在三級能量轉(zhuǎn)換裝置中通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能，系統(tǒng)最終完成波浪能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電過程。在四級能量轉(zhuǎn)換過程中，和上述三級系統(tǒng)相比，在二級與三級能量轉(zhuǎn)換過程中增加了一級能量轉(zhuǎn)換過程，始端和末端的能量轉(zhuǎn)換過程基本相同，而中間能量轉(zhuǎn)換過程中，一級能量轉(zhuǎn)換所得到的能量在二級能量轉(zhuǎn)換時，通過液壓或氣壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為液壓能或氣壓能;二級能量轉(zhuǎn)換裝置中所獲得的液壓能或氣壓能，在三級能量轉(zhuǎn)換裝置中通過液壓/氣壓馬達被轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)動能。具有四級能量轉(zhuǎn)換部分的波浪能發(fā)電裝置的主要優(yōu)點是，增加了中間環(huán)節(jié)的液壓或氣壓能的過渡過程。利用液壓或氣壓系統(tǒng)良好的可控性和平穩(wěn)性。

如圖可以看出，在一級能量轉(zhuǎn)換裝置中，海洋波浪力直接作用在浮力擺上，將波浪能轉(zhuǎn)換為擺的機械能。在二級能量轉(zhuǎn)換裝置中，液壓/氣壓系統(tǒng)將浮力擺捕獲的能量轉(zhuǎn)換成為液壓/氣壓能。液壓/氣壓馬達是液壓/氣壓系統(tǒng)的一部分，作為其與發(fā)電機系統(tǒng)的銜接部分，是三級能量轉(zhuǎn)換部分，將液壓/氣壓能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能。在四級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，發(fā)電機系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換成為電能，從而系統(tǒng)完成整個發(fā)電過程。從總體結(jié)構(gòu)來看，浮力擺式波浪能發(fā)電裝置主要由機械部分與電氣部分組成。