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      搖擺式波浪能發(fā)電裝置模型研究

      2019-10-17 09:31:16鐘小龍1葉榮春熊正燁
      中國水能及電氣化 2019年8期
      關(guān)鍵詞:浮子波浪發(fā)電機(jī)

      鐘小龍1 葉榮春 熊正燁

      (1.廣東海洋大學(xué)農(nóng)學(xué)院,廣東 湛江 524088; 2.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,廣東 湛江 524088)

      1 概 述

      海洋中的波浪能利用潛力巨大,全球可利用的波浪能估計高達(dá)1億~10億kW[1]。中國理論上可利用的波浪能高達(dá)7000萬kW,相當(dāng)于數(shù)十個葛洲壩工程發(fā)電量[2]。從1799 年法國的吉拉德父子獲得了首項(xiàng)波浪能發(fā)電專利開始,各國紛紛研究波浪能轉(zhuǎn)換裝置。隨后英國索爾特發(fā)明了點(diǎn)頭鴨式裝置,科克里爾發(fā)明了波面閥式裝置,考文垂理工學(xué)院發(fā)明了海蚌式裝置[3-4]。

      波浪能的發(fā)電方式按中間能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)主要分為機(jī)械式、氣動式和液壓式三大類。從工程性質(zhì)上主要分為振蕩浮子式、越浪式、振蕩水柱式三種類型,其中浮子式和水柱式對海況要求不高。越浪式一般用于潮汐能發(fā)電。越浪式波浪能發(fā)電本質(zhì)是利用水的重力勢能發(fā)電,它對海況要求較高,必須靠近海岸線建設(shè)。振蕩浮子式和振蕩水柱式對海況要求不高,很小的波浪能也發(fā)電。但是由于海況復(fù)雜而且波浪變化莫測,極端天氣的降臨都加大了發(fā)電裝置的負(fù)載,波浪時快時慢增大了對齒輪和傳動軸的考驗(yàn)。由于水柱式發(fā)電機(jī)對于橫向的波浪能轉(zhuǎn)換的效率比較低,因此振蕩浮子式發(fā)電機(jī)是目前最具應(yīng)用前景的波浪發(fā)電裝置[5]。本文對現(xiàn)有的振蕩浮子式發(fā)電機(jī)做了一些改進(jìn),設(shè)計了一種搖擺式波浪發(fā)電裝置,可提高發(fā)電機(jī)使用壽命。

      2 設(shè)計原理

      為提高系統(tǒng)安全性,將發(fā)電裝置(見圖1)固定于水面上方,使之不與海水接觸,這樣可以提高發(fā)電系統(tǒng)的安全性。將俘獲波浪能的浮子和傳動部分置于波浪沖擊水平面,這樣只有部分機(jī)械裝置與海水有接觸,避免電氣部分與海水接觸,便于電氣維護(hù)和水下構(gòu)件的維護(hù)和更換。浮子在波浪的驅(qū)動下擺動帶動齒輪,齒輪通過傳動裝置帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸發(fā)電。

      圖1 改進(jìn)的振蕩浮子式發(fā)電裝置示意

      3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

      為了評估發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)化效率,將發(fā)電裝置置于水槽中。水槽注入水后,以起浪器起浪。浪高約為4cm,周期為0.5s。由于受波浪沖擊的泡木板(圖1中的浮子)寬度l為16cm,發(fā)電裝置受波浪沖擊的功率可由下式計算[6-7]:

      (1)

      式中p——波浪單位長度線(垂直于波傳播線,或沿波面上)上波浪的平均功率;

      ρ——水的密度;

      g——重力加速度;

      Hm0——主浪浪高;

      T——主浪周期。

      代入數(shù)據(jù)可得沖擊發(fā)電裝置的波浪的平均功率約為61.2mW。

      以圖2所示電路完成相應(yīng)測量。圖2中R1為變阻箱,用作輸出電阻,POW1為發(fā)電裝置,圖中沒有標(biāo)注發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻(測量得到發(fā)電機(jī)及電路導(dǎo)線的總內(nèi)電阻為25Ω),整流電路用二極管表示。保持波浪主頻率不變,水箱中起浪水波的幅度不變(約為4cm)。改變電阻箱的電阻,所得測量數(shù)據(jù)見表1。

      圖2 轉(zhuǎn)化效率的測量電路

      RL/ΩUL/VPout/mWPE/mWη/%50.13±0.033.4±1.520.4±9.333±15100.27±0.077.8±3.727±1344±21200.30±0.024.4±0.79.9±1.516±3500.43±0.103.9±1.85.8±2.79.5±4.41000.49±0.052.46±0.483.08±0.595.0±0.92000.68±0.162.4±1.22.7±1.34.4±2.15000.84±0.141.48±0.461.55±0.482.5±0.810000.90±0.120.82±0.210.84±0.211.4±0.4

      表1中,RL為負(fù)載電阻,UL為輸出電壓,即負(fù)載的端電壓;Pout為負(fù)載的功率;PE為發(fā)電機(jī)的總電功率,η為發(fā)電機(jī)模型的功電轉(zhuǎn)化效率。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的總電功率是內(nèi)阻消耗的功率加上外接電阻的功率??傠姽β士捎上率奖硎荆?/p>

      PE=I2R=I2(r+RL)

      (2)

      式中r——發(fā)電機(jī)線圈的內(nèi)阻;

      RL——外接電阻;

      I——流過電阻的電流。

      4 效率與功率的討論

      4.1 功電轉(zhuǎn)化效率討論

      由總電功率除以波浪的平均功率得到發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的功電轉(zhuǎn)化效率(功電轉(zhuǎn)化效率隨外接電阻的變化規(guī)律見圖3)。

      圖3 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)功電轉(zhuǎn)化效率隨外接電阻的變化

      由圖3可以看出,在外接電阻比較小(小于20Ω)或負(fù)載比較大時,功電轉(zhuǎn)化效率較高。外接電阻值約為10Ω時,功電轉(zhuǎn)化效率最大,可達(dá)到45%左右。外接電阻過小,會使發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的電流過大,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)難以轉(zhuǎn)動,從而水的機(jī)械能難以傳遞給發(fā)電機(jī)系統(tǒng);外接電阻過大時,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動部分隨水流轉(zhuǎn)動時,發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流仍然較小,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動部分“隨波逐流”,水的機(jī)械能也難以傳遞給發(fā)電機(jī)系統(tǒng),或者說傳遞效率不高。只有在負(fù)載合適時,水波在推動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)時,能將最多的機(jī)械能“交給”發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。譬如在本實(shí)驗(yàn)中,在水波高度約為4cm的條件下,負(fù)載電阻為10Ω時達(dá)到最大(45%左右)。

      4.2 輸出功率討論

      發(fā)電機(jī)的輸出功率也就是外電阻消耗的電功率,它可由下式表示:

      (3)

      式中的ε為發(fā)電機(jī)線圈所產(chǎn)生的電動勢。如果電動勢為定值,外接電阻RL=r時,輸出功率可達(dá)最大。但對本系統(tǒng),即使波浪能功率相同,但因?yàn)橄到y(tǒng)功電轉(zhuǎn)化效率不同,導(dǎo)致外接不同負(fù)載時,發(fā)電機(jī)線圈中所產(chǎn)生的電動勢并不相同(見圖4)。由圖4可以看出,負(fù)載在10~20Ω時具有較大的功率輸出。

      5 結(jié) 論

      本文研制了波浪發(fā)電系統(tǒng)模型裝置,并對該發(fā)電裝置進(jìn)行相關(guān)測量,得到了以下結(jié)論:波浪發(fā)電的功電轉(zhuǎn)換效率與負(fù)載具有一定關(guān)系,要使系統(tǒng)達(dá)到較高的功電轉(zhuǎn)換效率必須合理調(diào)節(jié)負(fù)載。對于本設(shè)計,負(fù)載約為10Ω時,系統(tǒng)的功電轉(zhuǎn)換效率最高,可達(dá)45%;設(shè)計的波浪發(fā)電裝置在負(fù)載為10~20Ω的范圍內(nèi),可以獲得較好的功率輸出。

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