船舶上可装载的波浪能发电装置设计

周广钰

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，黑龙江哈尔滨150080)

船舶上可装载的波浪能发电装置设计

周广钰

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，黑龙江哈尔滨150080)

摘要:人类社会步入21世纪，传统化石能源供应日趋紧张，而由于传统石化能源燃烧所带来的环境问题日益威胁着人类社会的可持续发展，开发清洁无污染的可再生能源成为人类可持续发展的重要议题。海洋能是众多可再生能源的一种，其蕴含着不可估量的能量，并且存在形式多种多样。海洋波浪能由于其不间断、利于获取、环境友好等特点日益受到英国、挪威、日本、美国等海洋大国的重视，这些国家均开发出了波浪能发电装置的试验与示范工作。本文对海洋中波浪能发电背景进行概述，并设计了一种新型的船舶上可装载的浮动式波浪能发电装置。该发电装置结构简单，系统稳定，在海洋能发电领域具有广阔的应用前景。

关键词:海洋能;波浪能;发电系统

Design of ship loaded wave energy power device

ZHOU Guang-yu
(Heilongjiang Province Water Conservancy＆Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Haerbin 150080，China)

Abstract:Entering the twenty-first century，the supply of traditional fossil became energy shortage，and environmental problems are increasingly threatening the sustainable development of human society due to the traditional fossil combusting．Therefore，the development of clean and renewable energy becomes more and more important．Ocean energy is a kind of renewable energy which contains a huge energy and has various existing form．Ocean energy also has many advantages contained uninterrupted，easy obtain near coast，and environment friendly and be valued by the many maritime power governments such as Britain，Norway，Japan，and American．All these countries have developed the wave energy power generation device for test and demonstration work．In this paper，we have summarized the background of the wave energy power generation system，and designed a new floating type ship loaded wave energy power generation device; this wave energy power generation device has the characteristics of simple structure and durable system，and shows broad application prospects in ocean energy power generation system．

Key words:ocean energy; wave energy;power generation system

0　引言

随着煤炭、石油等能源的逐渐耗尽以及自然环境的日益恶劣，人类对开发新清洁能源的需求越来越迫切。人类对于风能、太阳能、核能等能源形式都展开了研究和探索，由于地球表面70%以上的面积被海水覆盖，因此人类将视线转移到海洋，希望能够开发海洋能源，来取代或补充煤与石油日益稀

少所带来的能源危机。

海洋能是一种储量丰富，取之不尽用之不竭的清洁可再生能源［1］。海洋能有很多种形式:有利用潮汐的涨落来发电的潮汐能;有利用海水的温度差异发电的海水温差能;还有利用盐度的差异进行发电的盐差能;还有利用海水的流动进行发电的海流能;还有一种利用波浪进行发电的波浪能。

本文对波浪能展开研究，设计一款新型的波浪能发电装置，可装载在船舶上，通过放置于海水中进行发电，为船舶提供电能。主要工作原理是，船舶驶到合适的地方，然后抛锚来固定整个系统，通过附着于船只边缘的漂浮体来捕获能量，漂浮体在波浪能作用下上下运动，将波浪能传递到其发电装置进行发电。

1　波浪能概述

波浪能是海洋表面的波浪所蕴藏的动能和势能的总称。波浪能发电系统的工作原理是，先将波浪能转换机械能，然后再由机械能转换为电能。波浪能与常规能源比较，具有以下特点:

1)波浪能是一种清洁无污染能源，其产生过程不会对自然环境造成任何形式的污染;

2)波浪能是一种可再生能源，具有取之不尽，用之不竭的特点;

3)波浪能的能力密度比较高，而且蕴藏储量比较丰富;

4)波浪能的能量分布和能量强度都具有很强的规律性和可循性，十分方便科学工作者根据规律展开设计和研究。

由于波浪能具有这么多的优点，国内外的学者专家都对波浪能进行了研究。从20世纪70年代以来，许多海洋国家逐渐认识到发展清洁能源的重要性，海洋能自然成了大家关注的焦点，其中波浪能成为了一个研究热点。多个国家对波浪能展开了专门研究，并且取得了较大成果。目前，波浪能在各国的研究和推动下，其开发利用技术已经趋于成熟，目前正在步入商用阶段。

人类对海洋能的利用由来已久，早在二百多年前，巴黎就申请了世界上第1个波能转换装置的专利。英国是世界上波浪能资源最丰富的国家之一。从20世纪70年代开始，英国就对波浪能展开了专门的研究，并逐渐成为当时世界波浪能的研究中心。在亚洲，以海洋文化著称的日本，发明了著名的“海明”号波力发电船，其功率可以高达兆瓦级。2008年9月，世界第1座可以商用的波浪能发电厂在葡萄牙出现，该发电厂通过3根显目的红色“海蛇”相连接，蔚为壮观，如图1所示。

图1　葡萄牙制造的“红色海蛇”海洋能发电系统Fig.1 The“Red Sea Snakes”Ocean energy power generation system made by Portugal

英国、挪威、日本、美国等海洋大国对波浪能都比较重视，均开发出了波浪能发电装置的试验与示范工作。反观我国，我国对于波浪能发电的研究起步比较晚，开始于20世纪70年代末，近年来获得较快发展，取得了突出的进步，目前已经掌握了世界领先的小型岸式波力发电技术。虽然该项技术研究起步较晚，但在国家多项科技政策的支持下发展速度比较快。

2　波浪能发电原理

波浪能发电系统的工作原理是，通过波浪运动转化为机械能带动发电机进行发电，实现将波浪蕴藏的动能和势能转变成电能。

波浪能发电装系统按照功能，大体可分为以下3个部分:

1)波浪能收集系统，主要功能是是捕捉海洋中波浪的动能和势能，获取能量;

2)机械能转换系统，主要功能是将波浪能收集系统捕获到的波浪能转换为相应的机械能;

3)发电系统，主要功能是通过发电设备，将

波浪能转换的机械能发电，将其转化为电能。

波浪能的根本来源是海风，海风吹动海水带动海水运动，形成波浪，将能量传递给海洋表面，因此波浪能的来源是空气流动的动能。所以波浪能能量的大小，能量的传递速率都和风速相关，同时也与风与水两者相互作用有关。由于风和波浪的运动不规则，所以波浪能没有一个非常精准的计算公式，只能采用统计学来进行计算和处理。

3　浮动式波浪能发电装置设计

自古以来，人们对开发海洋波浪能的设想非常丰富，波浪能转换方法从古到今层出不穷，波浪能转换专利也数量巨大，并且目前仍有大量的波浪能转换装置和设想不断涌现，从研究人员到普通民众对海洋中蕴藏的巨大能量开发都有极高的热情。目前，波浪能的利用研究主要集中在波能转换装置上，现有的波浪能装置按照系统按照方式的不同分为固定式和漂浮式。

基于上述研究，本文提出一种新型的波浪发电系统，可装载于船舶上，置于海中发电，因此具有重要实际意义［2］。本文设计的波浪能转换系统主要是为了利用波浪能转换的电能，为船舶提供电能。

因此，开发一种能够装载在船舶上，并且在海底固定的波浪能发电装置，是一种较为理想的解决此类装置能量供给的方式。一方面，减少了长距离布线的成本。另一方面，利用自身发电大大减少了设备的工作和维护费用。

因此，船载的系泊于海底的漂浮式波浪能发电装置比较适合这种情况。船舶驶到合适的地方，一般是远离海岸的海区，因为波浪一般都较大并且持续存在，系统可长时间的依靠环境中的自然能量做功发电。然后船舶抛锚，系泊于海底，固定锚起到固定整个系统的作用。船只将通过附着于船只边缘的漂浮体来捕获能量，漂浮体在波浪能作用下上下运动，将波浪能传递到其他能量转换机构，因此波浪与漂浮体的关联运动是波浪能转换的第一步［3］。

与传统波浪能发电设备不同的是，该发电机制不必应对狂风暴雨，在天气情况不好时，可以将船泊在港口。传统的固定的波浪发电机在设计时必须能应对狂风暴雨，这会大大增加成本。本装置中的船只可通过对现有船舶翻新改进而成，因此可进一步削减成本。

图2　浮动式波浪能发电系统组成Fig.2　The consistent of the floating type wave power generation system

如图2所示，漂浮于海面的漂浮体是波浪能的吸收体，在波浪力的作用下，漂浮体进行上下运动;漂浮体下端链接可活动的钢索;钢索下端链接一个液压缸，液压缸内置回复弹簧;液压缸活塞杆顶端链接锚链;锚链的作用为将整个系统固定在海底。另外，液压缸链接压软管，将液压油吸入缸内或者排出缸外，油路中安装有三通、单向阀、压力表等仪表设备。油路的末端链接系统内的储能器，同时链接油路开关、调速阀和液压马达等。

本系统中发电原理是，利用船舶上放置的漂浮体来吸收波浪能，然后与漂浮体连接的液压结构将漂浮体的上下运动能量转化为相应的液体压力，然后液体压力驱动发电机组发电，从而产生我们所需的电能，实现波浪能的发电。

系统中液压缸为系统产生液压能的装置，为了让系统能够顺利进行执行吸油和排油动作的循环，在液压缸的上级上采用弹簧回复液压缸，目的是在液压内活塞走到行程尽头时，依靠液压缸内置的回复弹簧将活塞杆拉回，同时从油箱内吸油，为下次来浪时漂浮体牵引液压缸运行产生高压油做准备。液压缸的下端油路链接蓄能器和液压马达。蓄能器起缓冲压力和蓄能的作用，液压马达可以将液压转换为动能，进而再链接发电机

将机械能转化为电能。

本系统中的液压传动主要由以下4个部分组成:

1)动力元件:液压泵。它负责将机械能转化为压力能，给系统提供液压油。

2)执行元件:液压缸或液压马达。它负责将压力能转换成机械能，推动负载做功。

3)控制元件:液压阀(流量、压力、方向控制阀等)。这部分元件负责对系统中的油液压力、流量和方向进行控制和调节。

4)辅助元件:系统中除了上述三部分外的元件，例如油箱、管路、过滤器、蓄能器、管接头、压力表、开关等。由这些元件把系统连接起来，以支持系统的正常运作。

之所以选择液压传动来进行能量转换，是由于液压传动有着以下一些优点:

1)能够方便的实现无级调速，调速范围大。

2)体积较小，重量较轻，更适合应用于海上漂浮式发电装置。

3)工作相对平稳，换向冲击较小，便于实现频繁换向。

4)工作油液可以使传动零件进行自润滑，装置损伤较小，因此可以保障较长的工作寿命。

5)操作简单方便，便于实现系统的自动化，特别是与电器控制联合使用时，易于实现自动循环［5］。

6)液压系统具有一定的行业标准，业能够实现通用，便于设计、生产和推广［4］。

图3　浮动式波浪能发电系统运动形式Fig.3 The form of floating type wave power generation system movement

液压系统各个组成部分及主要运动过程如图3所示。系统各个组成机构的连接次序如下:浮体下端通过钢索与回复液压缸底部连接，在受到漂浮体下行的压力时，液压缸内的活塞杆伸向下端，并通过锚链系泊于海底。由系统的组成以及其各部件的连接情况，可明显的看出系统各组成机构的运动形式和运动次序。

基本的工作过程是，当海浪到来时，漂浮体受到浮力的作用，受到向上的作用力。由于漂浮体与钢索是连在一起的，而钢索与液压缸连载一起，因此漂浮体向上的作用力会牵引与钢索连接的液压缸向上运动。而液压缸内的活塞是通过锚链系泊于海底的，锚链重量很大，所以活塞没有办法跟随液压缸体向上运动，只能相对静止的牢牢的沉在海洋底部。这样液压缸与活塞之间变形成了相对运动，该相对运动就会对腔体内的液压油做工，排挤腔体内的液压油。由于液压与蓄能器相连接，被排挤的液压油于是向蓄能器内压油，蓄能器逐步的积累压能量，当蓄能器压力达到一定值时，油路开关被打开，蓄能器内液压油冲击液压马达，对液压马达做功，将液压能转换为机械能，之后通过液压马达，将转换的机械能转换为最终所需要的电能。

该液压系统的做功形式除了发电，还可以用来存储能量、驱动执行装置等。在波浪力的带动下，系统中的各组成机构，按照顺序依次运动。在一个周期内其整个运动过程按先后顺序是，波浪的运动带动漂浮体的运动，飘浮体的运动带动钢索和液压缸运动，液压缸与活塞形成相对运动，液压缸与活塞之间的相对运动挤压液压油运动，液压油积累压力带动液压马达运动，液压马达带动发电机运动，最后发电机完成发电。

图4　浮动式波浪能发电系统能量转换原理Fig.4　The energy conversion principle of floating type wave power generation

从波浪能到电能的转换途径多种多样，系统的能量转换方式和能量转换过程与我们采取什么

样的能量转换机构密切相关，并且各机构的运动形式又直接影响能量的转换方式。在本系统中，能量转换主要经由海上漂浮体、液压缸、蓄能器和液压马达。它们的运动形式在上一节中已经进行了介绍，即由波浪运动到浮体运动，由浮体运动到液压缸运动，最后到高压液压油驱动液压马达运动。

波浪能发电系统能量转换过程如图4所示。由装置的组成和各机构的依次运动可知，系统工作时，能量在系统各组成单元间传递:浮体在波浪的作用下运动，带动液压缸与活塞杆作相对运动，将波浪能转换为液压能:作为液压能的载体的液压油经过蓄能器后平稳地驱动液压马达，将液压能转换为液压马达的机械能，最后液压马达驱动发电机，将液压马达的机械能转换为电能，最终实现由波浪能到电能的转换。

4　结语

本文设计了一种新型的波浪能发电系统，该装置可以装置在船舶上，通过抛锚来固定船体，通过船上的漂浮体捕捉波浪能进行发电，为船舶提供电力。在上述环境中依靠海洋自身蕴藏的波浪能作为能量供给源是易实现且廉价的，海洋中无固定平台，所以本文确定采用漂浮式系泊结构来解决装置的存在方式问题。在能量的转换关键环节中，因为液压机构有诸多其他机构不具有的优点，如由于液压系统在同等功率情况下，具有体积小、重量轻、结构紧凑、方便灵布置等优点，确定主要采用液压机构来实现波浪能发电装置的能量转换。本文设计的波浪能发电系统结构简单、经济实用、系统稳定，在海洋能发电领域具有广阔的应用前景。

参考文献:

［1］李建，赵凌志，刘宝林．一种阀式磁流体波浪能直接发电系统的研究［J］．机床与液压，2010，38(16)．LI Jian，ZHAO Ling-zhi，LIU Bao-lin．Research on valvetype liquid metal magnetohydrodynamic ocean wave energy conversion system［J］．Machine tool and Hydraulics，2010，38(16)．

［2］任建莉，钟英杰，张雪梅，等．海洋波能发电的现状与前景［J］．浙江工业大学学报，2006，34(1) :69－73．REN Jian-li，ZHONG Ying-jie，ZHANG Xue-mei，et al．State of arts and prospects in the power generation from oceanic wave［J］．Journal of Zhejiang University，2006，34 (1) :69－73．

［3］许玉玉．一种应用液压系统的新型波浪发电实验模型设计［J］．机床与液压，2010，38(10)．XU Yu-yu．A model design of a new wave power generation with hydraulic system J］．Machine Tool and Hydraulics，2010，38(10)．

［4］李博，莫军．海流对水下运载器航行安全的影响评估［J］．舰船科学技术，2012，34(8) :31－34．LI Bo，MO Jun．Evaluation of ocean current impacting on the navigational safety of the underwater carries machine ［J］．Ship Science and Technology，2012，34(8) :31－34．

［5］戴余良，刘祖源，俞科云，等．近水面潜艇波浪力计算研究评述［J］．舰船科学技术，2007，29(2) :41－46．DAI Yu-liang，LIU Zu-yuan，YU Ke-yun，et al．A comment on the calculation methods of wave forces for a submarine under waves［J］．Ship Science and Technology，2007，29 (2) :41－46．

作者简介:周广钰(1970－)，男，本科，高级工程师，主要研究方向为水利水电工程电气、自动化系统设计及水利工程信息化。

收稿日期:2014－09－18;修回日期: 2014－12－27

文章编号:1672－7649(2015) 07－0216－05doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.051

中图分类号:P943．2

文献标识码:A