摇荡式波浪能发电装置设计

任志宇，王晓杰，张成雷*，曹金霆，韩利庆

（临沂大学机械与车辆工程学院，山东 临沂 276000）

0 引言

从经济角度出发，海洋能开发逐渐形成产业化，是未来经济发展新的增长点。从社会发展角度出发，海洋能开发是我国社会可持续发展的需要亦是环境保护的需要。我国波浪能、潮流能等能源开发利用工作尚处于起步阶段，未来具有较大的发展潜力。波浪能发电技术可以替代部分常规能源，为边远海域的国防、海洋开发等活动提供能量[1]。开发稳定可靠高效海洋能发电装置对我国能源战略具有重要意义。

对海洋资源包括能源在内的开发，从国家经济层面来说，正逐步加大产业化进程，这无疑也正成为世界各国将来经济的新一个爆发点。我们从国家社会发展这一角度来看，我国社会可持续发展和环境保护迫切需要海洋能源开发这一不可或缺的环节。但是我们也必须看到，我们对海洋中诸如波浪能、潮流能等这些海洋能源的开发及利用，还在起始时期，但是我们已经都看到了它所蕴含的巨大潜力。波浪能发电技术可以替代部分常规能源，为边远海域的国防、海洋开发等活动提供能源[1]。发展稳定、可靠、高效的船舶发电设备对我国能源战略具有重要意义。

目前国内外学者已经提出多种形式发电装置，比如振荡浮子式、摆式、筏式以及鸭式发电装置等[2]。

根据以上我们总结发现，现有波浪能发电装置普遍存在吸收波浪能方向单一，潮位适应力差，转化过程能量损耗较多等缺点。因此开展摇荡式波浪能发电装置设计显得极为必要。

1 摇荡式波浪能发电装置设计

1.1 总体设计

针对波浪能收集发电装置易受恶劣海况和海水的腐蚀，创新提出的摇荡式波浪能发电装置[3]构想，从外部壳体设计，自适应系泊系统，波浪能转化整流结构和发电装置的设计等多个方面来解决现今波浪发电装置的发电效率低，建造维护费用高，使用寿命短等问题。通过建立理论结构模型到模型样机开发，再到推广到实际工程海域这一过程。

设计出一种摇荡式波浪能发电装置，整套发电系统分为外部壳体，自适应系泊系统，波浪能转化整流结构和发电装置，所示图1（P292）为摇荡式波浪能发电装置设计流程图。

图1 摇荡式波浪能发电装置设计流程图

1.2 基于海水特点选择合适的装置外壳

表1 国内外研究现状

为防止海水对发电装置结构的腐蚀，本装置封闭在壳体之中。对于圆柱体尺寸以及球形或者椭球形尺寸，需要对其在波浪中运动进行分析，在同样的波浪环境下获得更剧烈的摇荡运动。壳体最上面的平盖为圆形塑料制成，在其圆心处加装有安装摆轴的轴承以减小摩擦阻力，其下是带有系绳拉环和支架的浮筒。在保持强度的情况下减小制作难度及成本。

由于海水具有较强的腐蚀性，对比现有的方法和技术开发出摇摆式发电装置为本团队研究目标。利用软件建立三维壳体模型并采用OpenFOAM[4]开源代码库对不同形状壳体在波浪中运动进行仿真。通过计算对壳体进行初步分析，综合考虑壳体恢复力和力矩，阻尼，附加质量以及内部结构的空间布局，选取外壳形状为半球形。以下是半球形外壳在规则波中响应曲线（见图2）。

图2 半球形外壳在规则波中响应曲线

1.3 机械储能装置

针对波浪功率随季节和时间影响的问题进行机械储能装置的研究。该系统采用ETA28921自动上链装置和大储能发条，其换向部件主要包括两个换向爪及两个换向片。

在海洋中波浪的周期性运动过程中，根据重锤的重心和其本身的回转中心不在同一位置，在诸如地球引力及惯性的影响下，重锤的组件尅围绕其凸台的两个不同方向进行转动，进而使得自动锤轮一起转动。在自动锤部件推动锤轮进行顺时针旋转时，此时此刻自动二轮的部件便会相应的进行逆时针转动，自动二齿轴与此同时驱动换向轮的上片进行顺时针转动，换向轮上片凸台顶住上片换向爪顺时针方向旋转，由于换向爪的驱动下，传动片会向顺时针方向旋转。此外，基于传动片与换向轮轴紧紧地配合，因此换向齿轴也会发生顺时针旋转，进而换向齿轴带动自动四轮部件发生逆时针旋转，并且自动四齿轴也会驱动自动五轮片进而使其顺时针转动，在此过程中，其本身还会带动自动六轮进行逆时针旋转，与此同时自动六齿轴会驱动上条棘轮展开顺时针运动，况且上条棘轮方孔还和条轴铣方交融，因此条轴在进行顺时针旋转的时候，会上紧发条。

当重锤组件带动锤轮逆时针转动时，自动二轮部件顺时针转动，自动三轮部件逆时针转动，带动换向轮下片顺时针转动，换向轮下片凸台顶住下片换向爪顺时针方向旋转，在换向爪的带动下传动片顺时针方向旋转，换向轮轴顺时针转动上条，原理同上所述，上条棘轮顺时针转动，带动条轴顺时针旋转上紧发条。在此工作过程中，换向轮上片在自动二轮部件的带动下逆时针旋转，上片换向爪在其中打滑，不能带动传动片工作，所以上片换向爪这时不起作用。

重锤上的力矩传递到条轴上时，要经过一组减速齿轮完成，减速齿轮的传动比通常在1/150左右。2892采用的是埋入式自动机构，空间尺寸比较小所以减速机构的齿轮比较小，采用了6级减速传动自动二轮部件、自动四轮部件和自动六轮部件采用了类似于跨轮的结构形式，即夹板上有细而长的位钉作为这种齿轮的回转轴，换向轮的传动片采用青铜材料加工，增强耐磨损性能（见图3）。

图3 机械储能装置示意图

1.4 恒定力矩输出设计

由于发条在实际释放力矩时也存在类似力矩输出不稳定的问题，为了解决这个问题，利用杠杆作用来抵消发条的扭力下降，设计了ST8700型号中的恒动力系统。这个系统在设置之初，便与双条盒驱动的传动系和杠杆式擒纵调速系统具有较强的联系。其本质仍是会把再次之前不断降低的主传动链力矩存在于恒动游丝里，这样的游丝能够带动擒纵机构正常运转大约十秒，因此也可以称之为微型的发条。据此原因，其中的力矩便可以具有较大的活动空间，并表现出一定的周期性，譬如十秒的锯齿形波。但是我们也发现它的力矩平均値是极其稳定的，进而能够保证在较长储备能量的过程中，擒纵机构所能接收到的力矩不致过大且稳定，进而实现对当发条盒在输出周期性变化的扭矩时，能够引起像走时误差这样的误差。在满条时，可以避免激摆；在发条松弛状态时，仍保持摆轮摆幅恒定。

此设计的工况如下：条盒轮会在发条所产生的力矩驱动下进而转动，并且会慢慢变紧，此时此刻我们的设计是恒动游丝的其中某一头会被紧固在下层秒轮的部件上，此外我们又将游丝的另一自由端与上层秒轮部件相紧密结合，我们会发现，恒动游丝会带动上层秒轮部件旋转，究其原因仍是卷紧储存的弹性势能在起作用。并且三角凸轮将旋转六十度角，在这个过程中擒纵叉杠杆部件会摆动使得入瓦将锁定的单齿轮释放，单齿轮顺时针旋转180度直到遇到另一颗锁定叉瓦一出瓦并被再次锁定为止，此过程历经10秒钟，需要注意的是：发条动力带动下层秒轮部件旋转，因为下层秒轮片与固定在单齿轮上的秒过齿轴啮合，所以单齿轮旋转的动力来源于下层秒轮部件。在单齿轮被释放开始到再次被锁定这10秒钟的时间里，下层秒轮轴会将动力传输给擒纵轮，从而驱动擒纵调速机构运转。与此同时摆轮兼顾恒定动力擒纵系统的循环上链机制。并且这将会一直反复，直到条盒的发条力矩下降到不能再次驱动恒定动力擒纵系统为止。

1.5 自适应系泊[5]系统设计

近海区域海水会产生潮涨与潮落，为了使装置能够在不同水位始终处于最佳的浮态，本装置采用可调节式系泊与锚系统进行定位。关于系泊系统的选择需要根据不同海域波浪环境以及装置在波浪中受力确定。

通过计算分析整个装置受力以及布置海域海况，选取合适的系泊方式以及系泊材料。采用直接打入海底的桩基用绳索与桶体相连。其特点是操作简单，结构牢靠。

2 结语

海洋蕴含着丰富的各种资源，海洋能的开发利用越来越吸引全球各国的科研投入，对波浪能、潮流能等能源开发利用具有较大的发展潜力。本文设计了摇荡式波浪能发电装置，其可以利用各个方向波浪能，通过内部传动结构将装置摇荡运动转化为稳定的转动，从而带动发电机产生电能。此外，本设计基于自适应系泊系统，保证装置潮位适应能力。通过采用简化传动设计，提高了装置能量转化效率。