一种新型机械式波浪能高效发电系统设计与研究

杨志坚 唐诗雨 叶佳林 向萌 王彬

（重庆交通大学航运与船舶工程学院船舶与海洋工程系，重庆 400000）

一种新型机械式波浪能高效发电系统设计与研究

杨志坚 唐诗雨 叶佳林 向萌 王彬

（重庆交通大学航运与船舶工程学院船舶与海洋工程系，重庆 400000）

针对传统的机械式波力发电装置结构笨重、可靠性差、发电效率低等固有缺点，设计一套可高效利用波浪能发电的新型机械式波浪能高效发电系统，旨在有效解决太阳能板供电和风力供电的固有环境天气因素缺陷，直接高效利用波浪能来为海洋平台等离岸海洋观测设备供电。

波浪发电；机械式；重力飞轮；试验装置

传统能源的消耗殆尽，有害气体的排放造成的环境问题，使新能源成为当今世界各国争相研究的问题。我国的海域面积广阔，海岸线曲折而绵长，大陆海岸线长约1.8万km，海岛海岸线长约1.4万km，其中蕴藏着丰富的波浪能，具有储量大、污染小、再生性极强的特点。因此，我国波浪能开发利用的潜力巨大，对解决海洋离岸观测设备和海岛岛礁的电力供应问题具有重大意义［1］。

1 设计方案

本文结合已有波力发电装置，创新提出一种可高效利用波浪能发电的新型传动装置的设计方案。通过理论推导与实验观测加以完善实现，本作品充分利用波浪能，将之通过能源的转换最终以电能的形式输出，实现能量的最大化利用，顺应节能减排、绿色能源的时代趋势［2］。

1.1 波能转化原理

要实现波浪能转化为电能输出，理论上来讲，需经过2次能量转化。简单来说，刚开始波峰推动浮子向上运动时，顺向带动重力轮（但此时连接杆不能转过最高点）；当波谷来到，浮子向下运动，由于安置有单向齿轮，重力轮不会逆向转动。接着波峰来浮子向上摆动更多，波谷来又向下，如此反复。直至连接杆做定轴转动，重力轮转动平稳流畅，波峰推动浮子向上运动时，顺向带动重力轮（此时连接杆能转过最高点）；当波谷来到，浮子向下运动，也就能顺向带动重力轮，能量全波吸收，使得重力轮周而复始转动。这样一来，就可以通过2次能量的转化来产生持续的电能输出［3］。

1.2 结构设计

1.2.1 重力轮结构设计。考虑到如果重力轮的质量与半径设计的过大，会产生2个问题，一是浮子带不动重力轮转动，二是主体过于笨重；而如果设计的太小，重力轮定轴转动的惯性与转动惯量不够带动重力轮转动。因此，采用镂空式重力轮，既保证了重力轮的惯性大小，又

保证其转动惯量，使得重力飞轮能发挥储存波浪动能并提高发电转子的转速和提高发电效率的作用。

1.2.2 带有单向齿轮的轴承结构设计。考虑到波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源，贮存的能量通过摩擦和湍动而消散，其消散速度的大小取决于波浪特征和水深。深水海区大浪的能量消散速度很慢，从而导致了波浪系统的复杂性。因此，重力轮的转动轴承上设计单向齿轮，消除浮体的运动轨迹与波浪运动轨迹不匹配问题，最大程度减少透射和兴波，使得浮子只能单向带动重力轮，避免波浪的复杂不稳定性对重力轮转动带来的影响［4］。

1.2.3 带有避震器的连接长杆结构设计。浮子运动易受海浪不定向性冲击，使得连接长杆易断。因此，在其上加了避震器，防止链接长杆易断问题。

2 模型制作与模型试验

2.1 模型应用仿真

本作品在基于前期的原理设计后，利用CAD软件进行新型机械式波浪能高效发电系统的模型应用仿真制作，将本作品应用到海上航标和海洋平台上。

2.2 模型试验

首先是尺寸设计。设计透射波能E，波浪周期T一定时，改变浮子直径B、连接长杆长度K、连接杆长度J、重力轮直径D和重力轮质量m数据如表1所示。

表1杆件设计尺寸试验表（部分数据）

然后利用控制变量法，通过比较效率值，得出浮子直径B、连接长杆长度K、连接杆长度J、重力轮直径D和重力轮质量m的一组最优设计尺寸值，如表2所示。

表2杆件设计尺寸最优设计表（模型值）

3 应用前景与推广

①本作品有效解决太阳能板供电和风力供电的固有环境天气因素缺陷，直接高效利用波浪能来为海洋平台等离岸海洋观测设备供电。

②大规模波浪能发电的成本还难与常规能源发电竞争，但设计的小型离岸式波浪能高效发电系统，可以实质性地在近海或是内河导航灯浮标、灯桩、灯塔等上获得推广应用。

③本作品设计的波浪能发电装置由标准的机械零部件组成，因此，结构简单，安装拆卸简便，易于维护，制造成本低廉；且机械设备不与海水直接接触，减少了海水带来的腐蚀。

④该装置可以用来研究在离大陆较远、波浪能丰富、波浪周期短的海域，利用工厂船就地发电、建立波能发电厂以提高波浪能发电的经济性，可解决部分电网未覆盖的有居民海岛、偏远无电的无居民海岛或建设生态岛的供电问题。

［1］熊焰.我国洋可再生能源开发利用发展思路研究［J］.海浪术，2009（2）：106-110.

［2］杨家武，辛玉超，杨帆.海浪发电的典型装置和发展趋势［J］.科技创新导报，2015（9）：72-73.

［3］G.Iglesias，R.Carballo.Wave power for Lalsla Bonita［J］. Fuel&Energy Abstracts，2010（12）：5013-5021.

［4］冯庆熙.电液伺服海浪模拟系统设计与实践［D］.秦皇岛：燕山大学，2008.

Design and Research of a New Type of Mechanical Wave Energy Efficient Power Generation System

Yang ZhijianTang ShiyuYe JialinXiang MengWang Bin
（Department of Ship and Ocean Engineering，School of Shipping and Marine Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400000）

Aiming at the inherent shortcomings such as heavy structure,poor reliability and low efficiency of power generation,a new type of mechanical wave energy efficient power generation system with high efficiency of wave ener⁃gy generation was designed for the traditional mechanical wave power plant,in order to effectively solve inherent envi⁃ronmental weather factors of solar panel power supply and wind power supply,the wave energy was efficientl and di⁃rectly used to supply power for offshore observation equipment,such as offshore platforms.

wave power generation；mechanical；gravity flywheel；test device

TM612

A

1003-5168（2016）10-0089-02

2016-09-21

杨志坚（1995-），男，本科，研究方向：波浪能的发电利用。