漂浮式直驱波浪能装置初步设计方案

❶ 浮标式波浪发电装置是什么

浮标抄式波浪发电装置就是利用袭海浪的上下运动所产生的空气流来发电的装置。这种发电装置有一个空气管，管内的水面（相当于一个活塞）是相对静止的，而水面可以上下运动。因为海浪的起伏波动而使浮标作上下运动，这样浮标体内的空气活塞室里的空气就被水面这个“活塞”所压缩和扩张，使空气从空气活塞室里冲出来，从而推动气轮发电机组发电。

日本还研制一种锥形浮体式海浪发电装置，也是浮标式发电装置，但它是利用共振原理来发电。这种发电装置的浮体，其固有频率与海浪上下运动的频率相等，因而出现共振，正是利用这种共振来发电。浮体的下端为锥体，锥体的顶端有一个能作正向和逆向转动的螺旋桨。当浮体与海水作相对运动时，便驱使螺旋桨转动而带动发电机发电。

❷ 漂浮式振荡水柱发电装置工作原理

根据工作原理的不同,波能利用技术主要分为振亩耐运荡浮子技术、越浪式技术、振荡水柱技术。 振荡浮子技术主要是利用两个或多个结构物在波浪的作用下迅梁产生相对运动,将波浪能转化为结构物的机械能,然后连接液压系统或机械结构,驱动发电装置发电,或者直接使用直线电机将波浪能直接转化为电能。 该类型的装置存在着材料利用率低(双或多浮体)、浮体间相撞问题不可避免、投放时间长(浮态调节需要时间和设备),结构复杂、装置基体体积大不可拆分、其性价比的提高受到技术限制。 越浪式技术主要是利用波浪的爬坡亩镇特性,利用水道的变窄将其引入到高位水库,将波浪能转化为势能利用水轮机发电。 该类型装置的发电量取决于转换载体的重量,因此其结构扎实并规模庞大,系泊系统设计复杂,海生物附着影响大,成本高昂,维护维修不便利。 振荡水柱技术是以空气为工作介质,利用往复振荡的水柱像活塞一样推动气室内的空气往复通过喷嘴,往复气流推动空气透平旋转带动电机发电。 该类型装置的特点是单浮体,材料利用率高、不存在相撞问题,透平和发电机位于水面上不受海生物影响,但该类型装置目前还存在结构复杂、体积大、拆装和更换不方便的问题,导致其与浮标等小型海上装置的配合性差。

❸ 浅谈波浪能发电装置发电机优化设计

浅谈波浪能发电装置发电机优化设计

引言：发电机的三相输出接到风光互补控制器上，通过控制器可以得到48V的稳定电压，可将稳定的电能存储在蓄电池中。以下是我来浅谈波浪能发电装置发电机优化设计，希望对你们有帮助。

【论文摘要】 本文在上海海洋大学研制的“浪流一体化发电装置”的基础上，对其发电机进行了优化设计，去掉了发电机和水轮机的中间转换装置，满足了海洋能直驱发电的形式，通过电机实验室性能测试验证了其可行性，提高了发电效率和可靠率，降低了维护成本，可以应用于实际生产中。

【关键词】浪流一体化;发电装置;发电机;优化设计;直驱发电

0 前言

上海海洋大学研制的“浪流一体化发电装置”同时可以捕获波浪和海流的向前的推力，在接受到海洋能量之后产生惯性而发生连续转动;通过主轴带动发电机旋转而产生电能。为海洋观测、岛礁生活、海洋养殖、海水淡化等提供稳定的电能，并用于解决边远海域的国防设施、部分电网未覆盖的有居民海岛、偏远无居民海岛生态建设中的供电需求。本文以此发电装置为研究对象，对其水轮机匹配的发电机进行了优化设计，克服了传统的海洋能需要经过三个部分转换的缺点，没有齿轮箱，减少了传动损耗，采用发电机输出电压稳定控制器，实现了浪轮机的输出转速稳定，提高了发电效率，降低了运行维护成本。尤其是在低转速环境下，效果更加显著。

1 研究对象与方法

本项目设计的发电机是满足海洋能直驱发电形式的。然而，齿轮箱的存在却成为制约海洋能发电机组发展的因素之一：机组运行过程中齿轮箱一直处于高速旋转，增加了系统损耗，降低了能量利用率;海洋能发电机组往往安装在海平面或海水之中，经受严寒酷暑，海水腐蚀、温度变化大，环境条件恶劣，导致升速齿轮箱的工况严峻，维护保养工作量大;为了能适应恶劣的运行环境，齿轮箱毕竟造价昂贵，更由于海洋能能量多变，往往会造成过载，这样就更容易损坏齿轮箱，使得系统运行成本增大。

因此，本设计取掉了中间转换环节，水轮机主轴右端通过联轴器和电机连接在一起，直接带动电机发电，中间不经过任何环节，这就实现了绝对的直驱。本文研制海洋能直驱发电方式有以下几个方面优点：

(1)提高了发电效率高。直驱式发电没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率，尤其是在低转速环境下，效果更加显著。

(2)提高了可靠性。直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。同时，机组在低转速下运行，旋转部件少，可靠性更高。

(3)运行及维护成本低。采用无齿轮直驱技术可减少发电机组装置零部件数量，避免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本。

然而，这样的海洋能直驱发电方式就需要发电机具有低速运行的'特性，并且有较高的效率，更者要求发电机要能在海水中运行。

2 直驱发电机设计

2.1 直驱发电机结构设计

发电机采用盘式结构：波浪能单位体积所携带的能量有限，要能高效的收集这些能源，发电机则成为本装置中能源转换的关键设备之一。波浪能发电机，最多每分钟几百转，因此发电机的技术指标、经济性等决定本装置在市场中的竞争力。常用发电机分为盘式和圆柱式两种：圆柱式发电机的气隙磁场延轴向分布，要想获得较高的发电效率，圆柱式发电机必须运行在高速下，而盘式发电机的定转子为平行结构，克服了圆柱式发电机定子包容转子的结构缺点，轴向尺寸小，没有叠片和铆压工序，工艺好，因此盘式发电机可以运行在低速条件下。因此发电机选用盘式发电机结构，能够在低转速下达到额定功率，从而满足了波浪能发电系统对发电机的技术要求，提高了效率。

2.2 发电机输出电压稳定控制器设计

发电机的三相输出接到风光互补控制器上，通过控制器可以得到48V的稳定电压，可将稳定的电能存储在蓄电池中。控制器的原理是将输入的交流电流通过三相桥式全控整流电路转化成直流电流，直流电流通过升降压斩波电路将电压输出控制在48V。值得注意的是发电机转速达到54r/min控制器输出端才会有电流输出。控制器如图2所示，经过控制器流出的电流为直流，将控制器后面的电池组“+”“-”接到蓄电池的接口即可，反面细节如图3所示。

2.3 直驱电机工作原理

2.3.1 三相桥式全控整流电路

在三相桥式全控整流电路中，如图4所示，晶闸管KP1和KP4接a相，晶闸管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，而晶闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。

2.3.2 升降压斩波电路原理

如图5所示为升降压斩波电路原理，V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。

3 实验分析

在实验室中模拟不同工况水流下轮机所具有的转数，并以可控转数电动机带动发电机测试其发电性能。为此，我们搭建了发电机测试平台。发电机测试平台如图7所示，通过机架将发电机固定，通过联轴器与传感器相连。在发电机测试平台中，右边是直流电动机，模拟水轮机的作用，作为动力的出入。通过联轴器与电动机相连的是传感器，这种传感器连接显示屏后可以看到瞬态的扭矩、转速、功率。其中功率可是为发电机的输入功率，这样我们测出输出功率后可以得到发电机的效率。电阻箱、整流器与扭矩仪如图8所示，扭矩仪上的3个显示屏即为扭矩、转速、功率。

发电机所发出的是三相交流电，三相交流电输入电子测试平台，通过电子测试平台，可以得到三相交流电的瞬态电压、电流、功率、功率因数。流出整流器的电流经过整流变为直流电流，流入功率计，并将滑动变阻箱串联到整个电路中。

4 电机方案总结与展望

方案采用直驱式发电形式不仅增加了发电效率，而且提高的发电装置的可靠性，无障碍运行时间满足了要求。发电机采用盘式发电机结构，其能够在低转速下达到额定功率，从而满足了波浪能发电系统对发电机的技术要求，提高了效率。装置发出的三相交流电通过控制器后，经实际测量，电压基本维持在48V左右，且为直流电，这将电能存储到蓄电池中提供了条件，并最终达到了我们的要求。

但是发电机组安装在海平面或海水之中，经受严寒酷暑，海水腐蚀、温度变化大，环境条件恶劣，容易遭受海水腐蚀，因此今后可以做的研究方向还有以下几个方面：

1)发电机本身要具有良好的机械密封设计，评估不同海水深度、压力下密封系统的可靠性。研究海水环流条件下，涉海材料在淤泥、深海、浅海、浪花飞溅、海雾等不同区域环境下，其腐蚀规律，设计相应的耐腐蚀材料;

2)发电机外部可增设防水箱，使发电机与海水具有了隔离层，不仅达到了防水的效果，也使发电机无需浸泡在海水中。

【参考文献】

[1]游亚戈.我国海洋波浪能的发展进展[J].中国科技成果，2006(2)：17-19.

[2]李允武.海洋能源开发[M].海洋出版社，2008.

[3]盛松伟，游亚戈，马玉久.一种波浪能实验装置水动力学分析与优化设计[J].海洋工程，2006，24(3)：107-112.

[4]张峰，游亚戈，吴必军，李甫杰.中国海洋能专利研究[J].可再生能源，2007，25(2)：79-81.

❹ 波浪能发电的发展

大规模波浪能发电的成本还难与常规能源发电竞争，但特殊用途的小功率波浪能发电，已在导航灯浮标、灯桩、灯塔等上获得推广应用。在边远海岛，小型波浪能发电已可与柴油发电机组发电竞争。今后应进一步研究新型装置，以提高波浪能转换效率;研究聚波技术，以提高波浪能密度，缩小装置尺寸，降低造价;研究在离大陆较远、波浪能丰富的海域利用工厂船就地发电、就地生产能量密集的产品，如电解海水制氢、氨及电解制铝、提铀等，以提高波浪能发电的经济性。预计随着化石能源资源的日趋枯竭， 技术的进步， 波浪能发电将在波浪能丰富的国家逐步占有一定的地位。
我国技术成果
记者从中科院广州能源研究所获悉，由该所研制的“鹰式一号”漂浮式波浪能发电装置，在位于珠江口的珠海市万山群岛海域正式投放，并成功发电，这标志着我国海洋能发电技术取得了新突破。
随着新能源成为人们关注的热点，海洋能发电技术以其独特优势和战略地位吸引了人们的注意，世界各主要海洋国家普遍重视对海洋的开发利用。作为海洋波浪能利用技术的一种，“鹰式一号”漂浮式波浪能发电装置由中科院广州能源研究所究所课题组历经一年半研制完成。课题组不断优化和改进装置模型，共制作了5套装置模型，分别在二维水槽和三维水槽内进行大量试验，最终将实海况装置的设计方案定型为轻质波浪能吸波体与半潜船的结合。
该新型发电装置采用外形经过特殊设计的轻质波浪能吸收浮体，使得浮体的运动轨迹能与波浪运动轨迹相匹配，可最大程度吸收入射波而最小程度减少透射和兴波。日前首次投放的该发电装置安装有两套不同的能量转换系统，总装机20kW，其中液压发电系统装机10kW，直驱电机系统装机10kW，两套系统均成功发电。试验表明，该新型设备实现了快捷、安全和低成本研发海洋波浪能发电装置的目标，为规模化开发利用海洋波浪能打下坚实基础。据介绍，该发电装置由国家海洋可再生能源专项资金项目——“10kW水母式波浪能发电装置研究”专项资助完成。

❺ 波浪能的开发

波浪所蕴涵的能量主要是是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。台风导致的巨浪，其功率密度可达每米迎波面数千kW，而波浪能丰富的欧洲北海地区，其年平均波浪功率也仅为20~40kW/m^2中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为2~7kW/m^2。
全世界波浪能的理论估算值也为109kW量级。利用中国沿海海洋观测台站资料估算得到，中国沿海理论波浪年平均功率约为1.3X10^7kW。但由于不少海洋台站的观测地点处于内湾或风浪较小位置，故实际的沿海波浪功率要大于此值。其中浙江、福建、广东和台湾沿海为波能丰富的地区。
波浪能量如此巨大，存在的如此广泛，自古吸引着沿海的能工巧匠们，想尽各种办法，企图驾驭海浪为人所用。水力可以满足全世界3倍的能源。
将波浪能收集起来并转换成电能或其他形式能量的波能装置有设置在岸上的和漂浮在海里的两种。按能量传递形式分类有直接机械传动、低压水力传动、高压液压传动、气动传动4种。其中气动传动方式采用空气涡轮波力发电机，把波浪运动压缩空气产生的往复气流能量转换成电能，旋转件不与海水接触，能作高速旋转，因而发展较快。波力发电装置五花八门，不拘一格，有点头鸭式、波面筏式、波力发电船式、环礁式、整流器式、海蚌式、软袋式、振荡水柱式、多共振荡水柱式、波流式、摆式、结合防波堤的振荡水柱式、收缩水道式等十余种。

❻ 波浪能的案例

大约15年前，美国俄勒冈州就着手开发利用波浪能，但由于当时技术限制，波浪能发展计划未能顺利进行；然而据《纽约时报》报道，随着技术进步，美国首个获得商业许可的并网波浪能发电装置日前已经进入了最后的测试阶段，计划于2012年10月在俄勒冈州正式下水。该装置由海洋电力技术公司设计，8月获得了美国联邦政府的批准，并网之后足以为1000户家庭提供电力。