一种小型海浪发电装置的研究实践＊

2022-09-17詹映柔潘永馨王英如刘朕廷

科技与创新 2022年18期

关键词：峰值高峰海浪

詹映柔，潘永馨，王英如，刘朕廷，马颖

（1.广州大学物理与材料科学学院，广东广州 510006；2.中国科学院大学国家天文台，北京 100101）

海浪是一种凌乱的波动现象，浪高和波形都会发生变化且同调性很差[1]。因为海浪具有凌乱、反复无常的特性，将其转化为机械能再用于发电具有较大困难，所以至今为止，仍然没有任何一项海浪发电装置能够实现真正的商业运转。

1 现有海浪发电装置分析

目前国内外已有的海浪发电装置主要可分为衰减式、点吸收式、摆荡式、越顶式、水柱振荡式、沉潜压差式六大类型，外加不易归纳的其他类型。

1.1 衰减式

“海蛇号”为此类装置的代表。工作时装置沿海浪传播方向漂浮于水面上。取能浮体在海浪作用下做上下起伏运动带动各节铰接处相对转动，从而推动内部的液压缸往复运动将流体压入储能器中，液压马达在高压流体作用下旋转带动电机以输出电能。但是该类装置取能浮体质量较大难以适应海浪的快速变化。装置较为精密难以维修且只能拦截有限范围内的海浪[2]。

1.2 点吸收式

该类装置的取能浮体漂浮海面，在海浪作用下带动水下管内部的活塞上下运动，一般也取用活塞推动液压缸压缩流体使液压马达旋转的方式带动电机工作。但此类装置只能利用海水上下运动的动能，且装置的成本较高。较为著名的有PowerBuby 装置。

1.3 摆荡式

这种类型以Oyster 装置为代表。装置的浮力摆被浸泡在水中，在海浪的作用下做来回摆动运动。浮力摆驱动水压活塞产生高压流体，再通过在海底用长管路将高压流体输送到陆地的蓄能装置并驱动涡轮发电。但是摆动时装置背后会激起波浪导致能量耗散。

1.4 越顶式

此类装置先让海浪越过蓄水装置边缘进入蓄水系统，利用积蓄的海水的势能推动叶轮机带动电机发电。这类装置没有直接利用海水的动能，效率较低。

1.5 水柱振荡式

该类装置空腔中的水柱在海浪的作用下被推动，做上下往复运动。水柱的运动驱动空腔中的气体。在共振情况下，空腔中的气体将会在装置通道中做往复运动，从而驱动涡流机发电。但该装置对工作水深与岸线长度有较高的要求[3]，且海面升降的速度相对较快，能量转换效率不高。

1.6 沉潜压差式

查阅相关资料，该类海浪发电装置至今未有实际完成的海浪发电装置模型。

以上几种类型的海浪发电装置存在不少局限：能量转化的次数较多，转化效率不高；采用的取能浮体和机械较为笨重，对海浪的迅速变化不能及时响应；还有部分装置设计较精密，维护成本高；还有的装置施工和加工困难[4]。

2 创新海浪发电装置设计的提出

现有海浪发电装置的设计思路大多是先将混乱的海浪能转化成稳定的机械能，再将稳定的机械能转化为稳定的电能，如图1所示。这种设计思路的局限在于，将混乱的海浪能转化为稳定的机械能的过程中能量损耗较多，造成浪费。

图1 现有海浪发电装置设计思路

设计团队针对性地提出一种创新的海浪发电装置设计思路，如图2所示。方案思路创新之处在于将混乱的海浪能直接转化为不稳定的电能，从而避免了使用精密的笨重机械将其转化为稳定的机械能的过程。且现有的技术能便捷地实现将不稳定的电能高效地转化成稳定的电能输出。

图2 自制海浪发电装置设计思路

装置设计方案：构建一个海上平台将发电机芯悬浮于海面上，取能浮体直接随海水摆动从而驱动发电机芯中的强磁体切割磁感线感应发电，将凌乱的海浪能直接转化成不稳定的电能，再通过成熟的整流技术将不稳定的电能转化成较稳定的电能。

3 海浪发电装置制作

设计团队所制作的直驱式海浪发电装置主要由海上平台、浮筒、直驱式发电装置、取能浮体和发电显示装置构成。

海上平台如图3所示，用于挂载取能浮体和直驱式发电装置，可视实际需要延长其横梁长度以挂载多组装置和抵御风浪。且随着海上平台的延长，海上平台的稳定性也越高。

图3 海上平台

制作了如图4所示的浮筒，可以托起海上平台，且浮筒下部安装阻滞板，使装置整体能在海中保持相对固定的位置。

图4 浮筒

自行制作的直驱式发电机芯，如图5所示，与取能浮体连接的线经滑轮调整方向后牵引强磁体在线圈管中往复运动，磁体切割磁感线感应发电。

图5 直驱式发电机芯

采用高密度泡沫材料制作了取能浮体，如图6所示，其质量与转动惯量都较小，能及时响应海浪的波动。工作时取能浮体随海水摆动，因设计形状独特，当其向下摆动时，后部不易激起浪花，避免了由此造成的能量浪费且能利用各个方向的海浪能。

图6 取能浮体

直驱式海浪发电装置如图7所示。选取发光二极管焊接的广州塔模型作效果展示用，如图8所示，发电装置工作时可以同时供广州塔模型上的64 盏LED灯发光。

图7 直驱式海浪发电装置

图8 装置发电效果

4 海浪做功与发电的功率计算

设取能浮体所受重力和海浪作用力的合力为F（t），在足够长的时间内，浮体上下摆动高度变化可视为零，故此合力对浮体做的功等于海水对浮体做的功。忽略海水对取能浮体的黏滞力，设发电装置负载时磁阻力Fmd与取能浮体速度成正比，且β为比例系数，有：

则取能浮体的运动方程为：

方程的解为：

其中：

由式（1）可求得海浪对取能浮体做功功率为：

功转化为电能的功率为：

而取能浮体动能的变化率为：

可得：

式（2）（3）中：K为浮体动能。

在较长时间间隔T中转化为电能的功为：

在时间足够长的情况下，发电装置发电的功率可视作等于海浪对取能浮体做功的功率。

5 装置试验

试验过程采用一个大型水箱来模拟海浪环境。将一组发电装置放置在水面上，并在设置水位尺记录模拟浪高，将海浪发电装置的输出端接于电流表上。用大块泡沫以手动方式按一定频率推动箱中的水，并观察发电装置附近浪高的变化以及海浪发电装置输出端的电流峰值变化。当浪高峰值在15 s 内不发生明显变化时，记录下浪高峰值与输出端电流峰值。多次重复操作试验，并记录多组试验数据。

6 数据分析

试验过程的原始数据记录如表1所示。其中，“浪高”是指模拟海浪水面与静止水面的高度差。图9 中I表示输出端电流峰值，h表示浪高峰值。通过试验可知当浪高峰值达到6.5 cm 时，装置输出端的电流峰值可达到119 mA。

表1 浪高峰值与输出端电流峰值试验数据记录表

图9 浪高峰值与输出端电流峰值关系图

将试验采集的数据，通过python 软件直接分析的方法[5]，计算出浪高峰值与输出端电流峰值之间的相关系数全部大于0.93，如表2所示，即浪高峰值与输出端电流峰值之间的相关系数较高，说明二者之间具有较强相关性。

表2 浪高峰值与输出端电流峰值的相关性

海浪发电装置输出端电流峰值随着浪高峰值升高而升高，但是升高速度越来越慢，最终趋于稳定，表明装置发电量是有限的。相对于该装置的较小体积，其发电量已是较为可观的[6]。

7 总结与讨论

利用python 软件对“浪高峰值与输出端电流峰值平均值关系曲线”进行拟合，如图10所示，得到多项式拟合曲线为0.042 26x5－0.108 2x4－6.243x3+52.28x2－127x+153.7，且得到了较好的拟合优度：R2=0.995 1。通过图10 的拟合曲线可以预测得到当海浪高度达到0.1 m 时，输出端电流可达到1 012.199 mA。