一種近岸波浪動(dòng)能發(fā)電裝置

1、第34卷 第4期 廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào) V ol.34 No.42014年8月 Journal of Guangdong Ocean University Aug. 2014收稿日期:2014-03-17基金項(xiàng)目:廣東省博士啟動(dòng)項(xiàng)目(1209386,廣東海洋大學(xué)博士啟動(dòng)項(xiàng)目(E11098一種近岸波浪動(dòng)能發(fā)電裝置童軍杰1,凌長(zhǎng)明1,馬曉茜2(1. 廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院,廣東 湛江 524006;2. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院 廣東 廣州510641摘 要:設(shè)計(jì)了一種近岸波浪動(dòng)能發(fā)電設(shè)備,其特有的雙通道結(jié)構(gòu)可將海水的雙向流動(dòng)轉(zhuǎn)化為葉輪的單向旋轉(zhuǎn)。同時(shí),根據(jù)近岸波浪能的特點(diǎn),分析了近岸海水動(dòng)能和遠(yuǎn)離海岸波浪

2、波高的關(guān)系,研究了通過發(fā)電設(shè)備的水流速度和設(shè)備的流通面積。關(guān)鍵詞:雙通道;波浪能;近岸中圖分類號(hào):TV139.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1673-9159(201404-0080-04A Coastal Wave Kinetic Energy Power GenerationTONG Jun-jie 1,LING Chang-ming 1,MA Xiao-qian 2(1. Guangdong Ocean University of Technology , School of Engineering , Zhanjiang 524006, China ; 2. South China U

3、niversity of Technology, School of Electric Power , Guangzhou 510641,China Abstrac t: Here introduced was a coastal wave kinetic energy power generation with a unique dual channel structure, by which twoway coastal current was transformed into single direction rotation of the impeller . Also accordi

4、ng to coastal wave energy characteristics, the relationship of inshore sea water kinetic energy and the wave amplitude away from the coast are analyzed. In addition, the water velocity and flow area of equipment through power generation equipment are studied. Key words : dual channel ;wave energy ;i

5、nshore波浪能是海洋能中分布最廣的一種可再生能源。對(duì)波浪能的利用占海洋能源總利用率50%以上1-2。近年來,出現(xiàn)了以波浪能發(fā)電為代表的一類海洋能源機(jī)械強(qiáng)勁發(fā)展的勁頭。然而,目前對(duì)波浪能的利用主要為遠(yuǎn)離海岸的深海區(qū)域3-6,對(duì)近岸波浪能的利用較少。當(dāng)海岸傾斜角度較小(<15°時(shí),與深海區(qū)域波浪能表現(xiàn)為海水的位能不同,近岸波浪能主要表現(xiàn)為海水的動(dòng)能,流動(dòng)形式表現(xiàn)為海水的雙向流動(dòng)。本文介紹了一種近岸波浪動(dòng)能發(fā)電設(shè)備的設(shè)計(jì),其特有的雙通道結(jié)構(gòu)將海水的雙向流動(dòng)轉(zhuǎn)化為單向旋轉(zhuǎn),使得裝置內(nèi)的葉輪始終沿著同一方向旋轉(zhuǎn),提高了能量輸出的穩(wěn)定性。同時(shí),分析了波浪波高與近岸海水動(dòng)能關(guān)系,研究了通

6、過發(fā)電設(shè)備的海水流量和迎流面積。1 雙通道發(fā)電設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理筆者研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的雙通道海流能發(fā)電設(shè)備結(jié)構(gòu)主要由變速裝置、葉輪、發(fā)電機(jī)和閥門等部件組成,其結(jié)構(gòu)和工作原理分別如圖1和圖2所示。如圖1所示,雙通道發(fā)電設(shè)備結(jié)構(gòu)主要由閥門、擋板、底板、頂板、側(cè)板、變速裝置和發(fā)電機(jī)組成。閥門的系列開關(guān)組合分別形成了海水向右流動(dòng)或童軍杰等:一種近岸波浪動(dòng)能發(fā)電裝置81 者向左流動(dòng)的通道。海水推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn),進(jìn)而通過變速裝置帶動(dòng)發(fā)電機(jī)做功。如圖2所示,海水向右流動(dòng)或者向左流動(dòng)的通道形成過程如下:當(dāng)流體從左側(cè)流入時(shí),由于流體的推動(dòng)作用,閥門1和閥門2在擋板位置封閉;閥門3和閥門4向右旋轉(zhuǎn)打開,形成向海水向右流動(dòng)

7、的通道,海水推動(dòng)葉輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)做功。 1-發(fā)電機(jī);2-變速裝置;3-葉輪;4-閥門;5-軸;6-擋板; 7-底板;8-側(cè)板圖1 雙通道發(fā)電設(shè)備結(jié)構(gòu)(去掉頂板Fig.1 The structure of dual channel electric powerequipment (removing roof 1-復(fù)位彈簧;2-閥門1;3-葉片;4-葉輪軸;5閥門2;6-閥門3;7-擋板;8-閥門4圖2 雙通道發(fā)電設(shè)備工作原理(海水向右流動(dòng) Fig.2 Dual channel power generation equipmentworks(seawater flow to right同理,當(dāng)流體從

8、右側(cè)流入時(shí),由于流體的推動(dòng)作用,閥門3和閥門4在擋板位置封閉;閥門1和閥門2向左旋轉(zhuǎn)打開,形成海水向左流動(dòng)的通道,海水推動(dòng)葉輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)做功。波浪動(dòng)能在近岸的主要表現(xiàn)形式為海水的雙向流動(dòng),當(dāng)海水分別向右或者向左流動(dòng)時(shí),雙通道發(fā)電設(shè)備分別形成海水向右或者向左流動(dòng)的通道,使得葉輪向同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn),因而減小了能量輸出的不穩(wěn)定性。雙通道發(fā)電設(shè)備的進(jìn)出口設(shè)計(jì)為漸縮型通道結(jié)構(gòu),能有效增加海水的輸入能量。2 近岸波浪能分析當(dāng)海岸傾斜角度較小(<15°時(shí),近岸波浪能主要表現(xiàn)為海水的動(dòng)能,對(duì)近岸波浪能分析如下:1假定不考慮近岸風(fēng)能對(duì)海水動(dòng)能的影響,近岸海水的動(dòng)能主要由遠(yuǎn)離海岸的波浪位能轉(zhuǎn)變而來;

9、2假定不考慮波浪破碎的能量損失影響; 3當(dāng)海水流向海岸或離開海岸往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),海水動(dòng)能損失主要是由于岸基阻力引起的;4離岸一定距離處,此處受岸基阻力很小,可忽略不計(jì),此處海水流向海岸的動(dòng)能最大,主要由遠(yuǎn)離岸邊的波浪位能轉(zhuǎn)變而來;5離岸一定距離處如(4所述,由于此處到海岸間岸基阻力較大,經(jīng)過一段時(shí)間后,海水回流經(jīng)過此處的動(dòng)能小于前一時(shí)刻流向海岸的動(dòng)能,此時(shí)海水回流的速度小于前一時(shí)刻海水流向海岸的速度;6對(duì)波浪能的分析為一段時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)離岸邊的波浪平均位能與近岸海水的平均動(dòng)能的轉(zhuǎn)化,因而不考慮上述參數(shù)隨時(shí)間的變化。根據(jù)以上分析,將雙通道海流發(fā)電裝置布置在如4和5所述離岸一定距離且海水流向海岸的動(dòng)能最大處

10、。此時(shí)將最大程度回收海水流向海岸的動(dòng)能和海水從岸邊回流的動(dòng)能,根據(jù)以上假定及伯努利方程7可得:21111(2p U N Z ga g =+=2222212(2p U Z h g a g+。 其中, N 為總壓頭,Z 1、p 1、U 1和1分別為遠(yuǎn)離岸邊的波浪的位高,海水壓力、海水流向海岸的速度和動(dòng)能修正系數(shù);Z 2、p 2、U 2和2為如4所述離岸一定距離處海水的位高,海水壓力、海水流向海岸的速度和動(dòng)能修正系數(shù);g 為重力加速度,為海水容重;h 12為阻力損失。對(duì)于雙通道波浪能發(fā)電裝置,對(duì)海水動(dòng)能的利用主要為海水表面附近,不考慮動(dòng)能損失,因而廣 東 海 洋 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第34卷82 p 1

11、 = p 2, Z 1 = Z 2 + H W , U 1 = U 2。其中,H W 為波浪波高。波浪流向海岸的速度為U 1, 如分析4所述離岸一定距離且海水流向海岸的動(dòng)能最大處海水的最大速度為U 2。不考慮能量轉(zhuǎn)變過程中動(dòng)能損失,則:gU H W 222=。如圖3為假定重力加速度g 為9.813 m/s 2, 在能量轉(zhuǎn)變過程中,H W 與U 2關(guān)系。 圖3 波浪波高與流向海岸的海水速度 Fig.3 The wave amplitude and the fluid flow velocity 由圖3可見,在近岸區(qū)域波浪能的轉(zhuǎn)變過程中,遠(yuǎn)離岸邊的波浪位能增加,則如分析4所述離岸一定距離海水最大動(dòng)

12、能處,海水流向海岸的最大速度隨之增加。 3 發(fā)電設(shè)備迎流面積與流量 當(dāng)海水流經(jīng)發(fā)電設(shè)備時(shí),根據(jù)伯努利方程7可得發(fā)電設(shè)備進(jìn)出口海水的壓力、速度和位高參數(shù)如為2i i i io i (2p U H Z g a g =+-2o o o o (2p U Z g a g+。 (1 其中, H io 為發(fā)電設(shè)備可獲得的海水的壓頭,Z i 、p i 、U i 和i 分別為設(shè)備進(jìn)口海水的位高、壓力、速度和動(dòng)能修正系數(shù);Z o 、p o 、U o 和o 為設(shè)備出口海水的位高,壓力、速度和動(dòng)能修正系數(shù);g 為重力加速度,為海水容重。對(duì)于發(fā)電設(shè)備,由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和海水的不可壓縮性,因此發(fā)電設(shè)備可獲得的總壓頭為 oi

13、 io p p H g g=-。 (2從上式可以看出,發(fā)電設(shè)備可獲得的壓頭H io與設(shè)備進(jìn)出口海水的壓差p i -p o 有關(guān)。海水的進(jìn)出口壓差越大,發(fā)電設(shè)備可獲得的總壓頭越高。通過設(shè)備的海水所做功率為 io P QH g =。 (3 其中, Q 為每秒通過發(fā)電設(shè)備的海水流量,為設(shè)備發(fā)電的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率。經(jīng)過設(shè)備的流通面積S 、流速U 與流量Q 關(guān)系如:US Q =。如圖4為假定設(shè)備發(fā)電功率為1 000 W ,系統(tǒng)發(fā)電效率為0.25,海水容重為9 813 N/m 3, 重力加速度g 為9.813 m/s 2,流經(jīng)設(shè)備內(nèi)海水流速U 和流通面積S 關(guān)系。面積/m 2圖4 設(shè)備內(nèi)流體流速和流通面積Fi

14、g.4 Fluid flow velocity and flow area through the device從式(1式(3和圖4可以看出:1 發(fā)電設(shè)備的輸出功率P 由發(fā)電設(shè)備可獲得的壓頭H io 和通過發(fā)電設(shè)備的流量Q 決定,如H io 一定時(shí),通過發(fā)電設(shè)備的流量Q 增大,則發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)的輸出功率P 隨之增加;2 發(fā)電設(shè)備可獲得的壓頭H io 由遠(yuǎn)離海岸的波浪位置壓頭H W 轉(zhuǎn)變而來,并且H io H W ;3 由于發(fā)電設(shè)備內(nèi)葉輪阻力的影響,通過發(fā)電設(shè)備的海水流通速度U U 2.當(dāng)通過發(fā)電設(shè)備的海水流通速度U 較小時(shí),需要較大的流通面積S 來確保發(fā)電設(shè)備的輸出功率P ,因而設(shè)備需要較大的體

15、積,緊湊性較差。童軍杰等:一種近岸波浪動(dòng)能發(fā)電裝置83 3 結(jié) 論1波浪能在近岸的主要表現(xiàn)形式為海水的雙向流動(dòng),當(dāng)海水向左或者向右流動(dòng)進(jìn)入雙通道波浪能發(fā)電裝置時(shí),分別形成海水向左或者右左流動(dòng)的通道,使得葉輪向同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn),減小了能量輸出的不穩(wěn)定性。2 近岸波浪能主要表現(xiàn)為海水的動(dòng)能,離岸一定距離處,受岸基阻力很小,可忽略不計(jì),此處海水流向海岸的動(dòng)能最大,主要由遠(yuǎn)離岸邊的波浪位能轉(zhuǎn)變而來。將雙通道波浪能發(fā)電裝置布置在此處,將最大程度利用海水流向海岸的動(dòng)能并回收海水回流的動(dòng)能。3發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)輸出功率P 的主要影響因素為發(fā)電設(shè)備可獲得的總壓頭H io 和通過發(fā)電設(shè)備的流量Q , 發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)輸出功

16、率P 與發(fā)電設(shè)備可獲得的總壓頭H io 和通過發(fā)電設(shè)備的流量Q 成正比關(guān)系;發(fā)電設(shè)備可獲得的壓頭H io 由遠(yuǎn)離海岸的波浪位置壓頭HW 轉(zhuǎn)變而來,并且H io H W 。4當(dāng)發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)輸出功率P 一定時(shí),設(shè)備的流通面積S 隨著海水流通速度U 的減小而增大,發(fā)電設(shè)備的體積增大,緊湊性變差。5對(duì)于近岸波浪能和雙通道發(fā)電設(shè)備的分析,沒有考慮近岸風(fēng)能和波浪破碎對(duì)海水動(dòng)能的影響。因此,對(duì)于近岸風(fēng)能和波浪破碎對(duì)近岸海水動(dòng)能的分析,需要進(jìn)一步的研究。參 考 文 獻(xiàn)1 王傳崑,盧葦.海洋能資源分析方法與儲(chǔ)量評(píng)估M. 北京:海洋出版社,2009.2 Westwood A. Ocean power: Wave and tidal energy reviewJ. Refocus, 2004, 5(5: 50-55.3 Zhang D, W Lin and Y Lin. Wave ene