振荡水柱式波浪能发电技术在航标中的应用

■ 洪茂枝

（1.福建省交通科学技术研究所;2.福建省公路水运工程重点实验室，福州 350004）

1 引言

随着世界经济的发展、人口的激增、社会的进步，人们对能源的需求日益增长。占地球表面积70%的广阔海洋，集中了97%的水量，蕴藏着大量的能源，其中包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等。其中，波浪能由于开发过程中对环境影响最小且以机械能的形式存在，是品位最高的海洋能。据估算，全世界波浪能是现在世界发电量的数百倍，有着广阔的商用前景，因而也是各国海洋能研究开发的重点。自20世纪70年代世界石油危机以来，各国不断投入大量资金人力开展波浪能开发利用的研究，并取得了较大的进展。日、英、美、澳等国家都研制出应用波浪发电的装置，并应用于波浪发电中。我国对波浪能的研究、利用起步较晚，目前我国东南沿海浙江、广东等地区已在试验一些波浪发电装置。

波浪发电是波浪能利用的主要方式，波浪能利用装置的种类繁多，关于波能转换装置的发明专利超过千项。这些装置主要基于以下几种基本机理：利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动；利用波浪压力的变化；利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。经过20世纪70年代对多种波能装置进行的实验室研究和80年代进行的海况试验及应用示范研究，波浪发电技术己逐步接近实用化水平，研究的重点也集中于4种被认为是有商品化价值的装置，包括振荡水柱式装置、摆式装置、振荡浮子式波能转换装置和收缩波道式波能转换装置。本文研究讨论基于振荡水柱式波浪发电技术，将其应用于航标中，供灯浮发电。

2 振荡水柱式波浪能发电技术原理

振荡水柱式波浪能发电技术也称为空气透平式波浪能发电技术，是目前应用最广泛的波浪能发电技术，在国内也有较多振荡水柱式波浪能试验电站在运行。

振荡水柱型装置主要有一个气室，由一个空箱构成，在它淹没于水面以下部分有一个开口，在气室上部有气流通道（空气出入口）。波浪向着空箱移动，当波峰接近空箱前壁时，水进入空箱，推动箱内水位上升，上升的水位使箱内气压增加，气室内空气通过出入孔排出，由于气孔狭小，气体高流速喷出，见图1左图。在波谷接近空箱前壁时，水从空箱抽出，箱内水位下降，下降的水位使箱内气压降低，外面空气通过出入孔高速进入气室，见图1右图，流出流进的气体将推动涡轮机旋转，这就把波浪能转换为机械能。

图1 振荡水柱式波浪能采集基本原理

气室内水面有一个固定的波动频率，冲入气室的水碰到气室后壁反射回来，如能和下降水面同向，将会与波浪共振，选择合适的气室尺寸可以使室内水面振荡与外面波浪频率相近，共振的水面波动幅度会远高出波浪的幅度，大大提高气体的流量从而提高系统效率。

在气流通道内安装气动涡轮机，进出的气流就会推动涡轮机旋转，涡轮机带动发电机发出电来，这就是振荡水柱式波浪能发电的原理。

上面介绍的振荡水柱式波浪能发电装置是靠岸边安装，称为固定式（靠岸式）安装。本文研究振荡水柱式波浪能发电装置在航标中的应用，结构漂浮在海面上，称为漂浮式（离岸式、近岸式）发电装置。图2是下面进水的漂浮式振荡水柱式波浪能发电装置，为振荡水柱式波浪能发电在航标中应用的原理图。

图2 漂浮式振荡水柱波浪能发电装置

3 波浪发电航标灯系统改造

基于振荡水柱式波浪能发电技术，本文研制的航标灯波浪能发电系统如图3所示。

图3 航标灯发电原理方框图

波浪能发电装置的结构由五部分组成：（1）保护帽、（2）整流器和控制器、（3）交流永磁发电机、（4）对称翼型空气透平、（5）转轮室。图4为波浪能发电装置外观图。该装置采用抗海水腐蚀、耐候性好的全玻璃钢外壳，全塑料转轮，耐海水腐蚀铝合金电机壳体，不锈钢紧固件等。装置外形美观，呈大红色，重量轻，便于海上安装。外型尺寸：Φ285×180mm；重量 7kg；法兰口径：Φ202mm；螺栓中心因：Φ260mm；螺栓孔径：Φ12mm；螺栓孔数：6 个；连接螺栓：M10×45mm。

图4 波浪能发电装置外观图

将波浪能发电装置安装于航标上，经改造后波浪能发电灯浮标主要由浮标、波浪能发电装置、蓄电池组和航标灯器四部分组成，见图5。波浪能发电装置垂直安装在带中心管的浮标上，在波浪作用下，浮标随波浪升沉，而中心管内水柱几乎不动，因而水柱象活塞一样排出和吸入空气，产生往复气流进而推动空气透平带动发电机旋转发电，产生的交流电经整流后输入蓄电池，向航标灯供电。

图5 波浪能发电浮标总图

4 航标的投放与测试

4.1 航标的投放

为了对波浪能发电与太阳能发电效果进行对比，该航标上同时安装有波浪能发电装置和太阳能板，航标投放前应再次检查各处接线是否正确，接线点是否牢固，并用万用表检测蓄电池的端电压。航标投放后，当浮标升沉时，靠近浮标可以用耳察听装置发出的气流声和透平的旋转声响来判断装置是否已正常投入工作。投放时，航标应尽可能直立如水，不能横卧入水，以防海水浸入发电机。

本次航标的投放委托福州航标处进行，选定闽江口D6 灯浮位置 （地理坐标为 26°05′20.94″N、 119°43′45.41″E），于2017年9月4日投放至指定地点，现场投放照片如图6所示。

图6 现场投放照片

4.2 航标的测试

航标的测试采用基于AIS的航标无线监控系统，详见图7。AIS基站实时采集其覆盖范围内所有AIS航标的位置信息和运行状况信息，并将信息发送给AIS区域中心，AIS区域中心通过信息通信采集AIS航标信息将其存储在数据库中，并向其它系统提供数据库资源。

航标AIS的信息内容主要包括：（1）航标位置信息如航标类型、航标名称和位置等信息；（2）航标运行状况信息如电源电压、灯器电流、灯开关状态等运行信息。

图7 基于AIS的航标无线监控系统框图

本次基于AIS的航标无线监控系统分别对该航标波浪能发电效果和太阳能板发电效果进行了实时监测，波浪能发电监测时间为2017年9月4日至2017年11月28日，太阳能板发电监测时间为2017年11月30日至2018年1月21日。图8、图9分别给出了波浪能发电的航标遥测日报数据和太阳能电池板发电的航标遥测日报数据，对两者数据进行对比分析，波浪能提供的蓄电池电压为11.9V～13.0V，太阳能提供的蓄电池电压为11.0V～13.5V，两者提供的发电电压相当，此外，波浪能发电航标系统位置未发现明显偏离，航标灯工作状态正常，未出现故障，表明该振荡水柱式波浪能航标系统能满足日常工作要求。

考虑到波浪能作为新能源之一，其分布广总量大，可就地取能，波能发电装置的性能受环境和气候的影响较低，在夜间和恶劣环境下仍可正常工作、性能稳定，填补了太阳能夜间及恶劣环境下不能发电的缺点，此外，波浪能相比太阳能更充足，如将波浪能与太阳能同时安装在航标上，可以相互补充，维持航标日夜正常工作，保证航运安全。

图8 航标遥测日报数据截图（波浪能供电）

图9 航标遥测日报数据截图（太能能供电）

5 结论

本文基于振荡水柱式波浪能发电技术，将其应用于航标上，经航标改造、现场投放和测试，并对比分析了波浪能发电与太阳能发电的效果。结果表明该航标未发现离位状态，航标灯工作状态正常，未出现故障，波浪能提供的蓄电池电压为11.9V～13.0V，与太阳能电池板提供的电压相当，该振荡水柱式波浪能航标系统能满足日常工作要求。该波浪能航标系统的性能受环境和气候的影响较低，在夜间和恶劣环境下仍可正常工作、性能稳定，填补了太阳能夜间及恶劣环境下不能发电的缺点，波浪能相比太阳能更充足，如将波浪能与太阳能同时安装在航标上，可以相互补充，维持航标日夜正常工作，保证航运安全，具有广阔的应用前景。

[1]宋保维，丁文俊，毛昭勇.基于波浪能的海洋浮标发电系统.机械工程学报，2012，48,（12）.

[2]袁伟.面向航标的波浪能利用研究.大连海事大学,2011.

[3]邓启平.一种新型摆式波浪发电装置的研制.大连理工大学,2013（8）:1239-1244.

[4]杜小振,等.浮标式波浪能压电发电技术研究.海洋技术学报，2014,33（6）.

[5]任建莉,等.海洋波能发电的现状与前景,浙江工业大学学报，2006,34（1）:69-73.

[6]游亚戈,等.海洋能发电技术的发展现状与前景.电力系统自动化,2010,34（14）:1-12.

[7]宫广新,等.波浪能发电装置的电力变换和测控系统.2014（2）:14-24.