淺談海洋波浪能的開發(fā)利用技術(shù)

淺談海洋波浪能的開發(fā)利用技術(shù)

0波浪能發(fā)電裝置現(xiàn)在，社會(huì)能源短缺，污染日益嚴(yán)重。我們正在向大海進(jìn)軍，開發(fā)海洋能源，這是擴(kuò)大人類棲息地、提高能源儲(chǔ)量和保護(hù)自然環(huán)境的重要機(jī)會(huì)。世界各國(guó)非常重視海洋能源的開發(fā)和利用，并正在加強(qiáng)海洋開發(fā)戰(zhàn)略。中國(guó)政府在第18屆全國(guó)代表大會(huì)上提出了建設(shè)強(qiáng)大海上國(guó)家的建議。波浪能是海洋能源中品級(jí)相對(duì)較高且目前研究相對(duì)較廣的一種能源,波浪能的開發(fā)利用多集中于發(fā)電。波浪能發(fā)電裝置按其搜集波浪能位置不同可分為岸(基)式和離岸式兩種,針對(duì)離岸式波浪發(fā)電而言,停留在海面上固定位置的波浪能能源設(shè)備很難避開一些嚴(yán)重的暴風(fēng)雨侵襲,對(duì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料要求都很高,同時(shí),在海底建設(shè)設(shè)備基座異常困難且造價(jià)昂貴,會(huì)使單元發(fā)電成本飆升,而且當(dāng)有關(guān)設(shè)備設(shè)施出現(xiàn)損壞或需維修時(shí),不能就地提供服務(wù),需將它們運(yùn)送到合適的維修地點(diǎn)進(jìn)行維護(hù),故本發(fā)電裝置采用了岸基式設(shè)計(jì)。不論是岸基式還是離岸式,潮位變化都會(huì)顯著影響波浪能發(fā)電裝置的運(yùn)行,尤其是影響波浪能搜集裝置的工作,故波浪能發(fā)電裝置一般都需具備整體或局部可升降的功能,以消除潮位上升或下降帶給波浪能搜集的影響。目前,絕大部分波浪能發(fā)電裝置采用液壓自升降系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)上述升降功能,雖然效果可行,但借助了大量外部能源,增大了發(fā)電成本,與開發(fā)利用新能源的初衷不相符,本發(fā)電裝置正是為了解決這一問題而設(shè)計(jì)。1.1基礎(chǔ)框架滑動(dòng)裝置如圖1所示,本發(fā)電裝置采用岸基式布置方法,發(fā)電機(jī)、蓄能器等重要硬件設(shè)備設(shè)施都直接置于岸上,并沿岸布置多根導(dǎo)向滑道,與導(dǎo)向滑道對(duì)應(yīng)布置數(shù)量相同的滑動(dòng)裝置,用以帶動(dòng)基礎(chǔ)框架上下移動(dòng)(基礎(chǔ)框架內(nèi)鑲嵌眾多浮箱以提供足夠的浮力),滑動(dòng)裝置頂部設(shè)有制動(dòng)裝置,在每次升降到指定點(diǎn)位時(shí)實(shí)現(xiàn)重新固定的作用,制動(dòng)裝置采用簡(jiǎn)單的液壓原理工作,在制動(dòng)裝置與滑動(dòng)裝置間安設(shè)一壓力傳感器,監(jiān)測(cè)豎直方向的凈剩力,并將監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)反饋到控制系統(tǒng),波浪能搜集裝置(浮子)通過連接架固定于基礎(chǔ)框架的另一側(cè),潮位變化時(shí),可隨基礎(chǔ)框架整體上升或下降。1.2能量轉(zhuǎn)換發(fā)電機(jī)圖2為裝置的發(fā)電原理示意圖。本發(fā)電裝置中的發(fā)電設(shè)備主要包括作為波浪能吸收裝置的浮子、作為能量轉(zhuǎn)換裝置的液壓回路和直驅(qū)發(fā)電機(jī)等。其發(fā)電基本原理:浮子在波浪的起伏作用下做上下振蕩運(yùn)動(dòng),推動(dòng)液壓缸排出高壓油,液壓油經(jīng)出油管路進(jìn)入蓄能器,經(jīng)緩沖后被送入液壓馬達(dá)做功,液壓馬達(dá)排出的低壓油則通過回油管路重新回到液壓缸中,完成一個(gè)油路循環(huán);液壓馬達(dá)帶動(dòng)直驅(qū)發(fā)電機(jī)發(fā)電。2滑動(dòng)裝置重拉等裝置本發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于為適應(yīng)潮差而設(shè)計(jì)的升降部分,主體部分的升降是依靠滑動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)的,圖3所示為滑動(dòng)裝置。本發(fā)電裝置的滑動(dòng)裝置包括基座、U型滑體、斜拉加固桿、3組內(nèi)層滾輪和外層滾輪(其中每組包括兩個(gè)內(nèi)層滾輪和一個(gè)外層滾輪)。內(nèi)、外層滾輪是相對(duì)導(dǎo)向滑道一側(cè)的位置而言,且兩層滾輪豎直方向也是叉開的,所述滑動(dòng)裝置依靠所述3組滾輪在導(dǎo)向滑道上的滾動(dòng)來實(shí)現(xiàn)相對(duì)導(dǎo)向滑道的滑動(dòng)。3制動(dòng)裝置功能主體結(jié)構(gòu)依靠滑動(dòng)裝置的滑動(dòng)升降到某一新高度時(shí),還需重新固定,這一功能由制動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)。所述的制動(dòng)裝置包括制動(dòng)片、彈簧型單作用液壓缸及一套簡(jiǎn)單的液壓回路,其中,制動(dòng)片連接在液壓缸活塞另一端,制動(dòng)時(shí)靠活塞桿的推力將其緊緊地壓在導(dǎo)向滑道上。3.1導(dǎo)向巷道的受力以潮水上漲的情況為例,對(duì)制動(dòng)片的受力進(jìn)行分析,其受力情況如圖4所示。對(duì)稱布置的制動(dòng)片給予導(dǎo)向滑道兩側(cè)一對(duì)大小相等,方向相反的力,進(jìn)而產(chǎn)生豎直向下的摩擦力f,抵消基礎(chǔ)框架向上的凈剩力F上。F上=2×f=2×μ×Fn,進(jìn)而液壓缸內(nèi)需維持的壓力P=Fn/S,μ表示制動(dòng)片與導(dǎo)向滑道間的摩擦系數(shù)。3.2液壓缸內(nèi)制動(dòng)片安裝圖5所示為制動(dòng)裝置工作原理:基礎(chǔ)框架到達(dá)某預(yù)定高度時(shí),電動(dòng)機(jī)給泵提供動(dòng)力,從油箱抽油,打入液壓缸,借助蓄能器,液壓缸內(nèi)的壓力可達(dá)到預(yù)定值,并向外推動(dòng)活塞桿,進(jìn)而將活塞桿另一側(cè)連接的制動(dòng)片推緊壓住導(dǎo)向滑道一側(cè),制動(dòng)片到達(dá)指定位置后,關(guān)閉電動(dòng)機(jī);當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出松開制動(dòng)片的信號(hào)后,電磁換向閥換向,導(dǎo)通回油管路,液壓缸中的液壓油在內(nèi)、外部油壓差和彈簧彈力的作用下,經(jīng)回油管路回到油箱中,完成一個(gè)油路循環(huán),同時(shí)活塞桿向里收縮,使制動(dòng)片脫離導(dǎo)向滑道。4控制系統(tǒng)控制本發(fā)電裝置中,若干波浪能搜集裝置(浮子)固定在鑲嵌眾多浮箱的框架上,整個(gè)框架與滑動(dòng)裝置剛性連接,并可通過滑動(dòng)裝置沿固定在岸邊的豎立滑軌上下滑動(dòng)。初始時(shí),浸水部分的框架所提供的浮力與整個(gè)框架系統(tǒng)所受重力平衡,安裝在滑動(dòng)裝置上的制動(dòng)裝置通過制動(dòng)片抱緊滑軌,使整個(gè)框架(包括浮子)穩(wěn)定在一高度不變。制動(dòng)裝置的工作狀態(tài)由專門設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)控制,該控制系統(tǒng)并入到發(fā)電系統(tǒng)主控制系統(tǒng)中。實(shí)現(xiàn)升降功能的流程圖如圖6所示。設(shè)系統(tǒng)(可動(dòng)部分)所受浮力為F浮(忽略浮子的浮力,因?yàn)槠浣疃刃?所受浮力相較整個(gè)浮箱框架為小量),且F浮=ρgv排=ρgsh浸,系統(tǒng)總重量為G,傳感器所檢測(cè)的豎直凈剩力為F,最初F浮=G,F=F浮-G=0。以下用↑表示增大,以↓表示減小,分別對(duì)潮水漲退的情況進(jìn)行分析。(1)潮水上漲。浮箱框架的浸水深度h浸↑→F浮↑→F浮>G→F≠0且F↑,當(dāng)F增大到F定(預(yù)先設(shè)置),控制系統(tǒng)啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(利用液壓原理),松開制動(dòng)片,框架依靠?jī)羰８×?dòng)浮子自由上升,此過程中h浸↓→F浮↓→F浮=G/F=0,控制系統(tǒng)再次啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),推緊制動(dòng)片,使框架穩(wěn)定在新的高度,即完成一次上升過程。(2)潮水下退。浮箱框架的浸水深度h浸↓→F浮↓→F浮<G→F≠0(F不考慮方向)且F↑,當(dāng)F增大到F定,控制系統(tǒng)啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),松開制動(dòng)片,框架依靠?jī)羰Ｖ亓?dòng)浮子自由下降,此過程中h浸↑→F浮↑→F浮=G/F=0,控制系統(tǒng)再次啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),推緊制動(dòng)片,使框架穩(wěn)定在新的高度,即完成一次下降過程。5發(fā)電裝置的安全經(jīng)濟(jì)分析本文提出的自適應(yīng)潮位變化的岸基式波浪能發(fā)電裝置,拓展了波浪能發(fā)電裝置的形式,突出了內(nèi)部能量利用極大化的思想。裝置升降過程中,升降動(dòng)力完全來源于自身重力和浮力的