一种近岸波浪动能发电装置

1、第34卷 第4期 广东海洋大学学报 V ol.34 No.42014年8月 Journal of Guangdong Ocean University Aug. 2014收稿日期:2014-03-17基金项目:广东省博士启动项目(1209386,广东海洋大学博士启动项目(E11098第一作者:童军杰(1976-,男,博士,副教授,主要从事微能源系统及海洋能利用。Email: jjtong9311一种近岸波浪动能发电装置童军杰1,凌长明1,马晓茜2(1. 广东海洋大学工程学院,广东 湛江 524006;2. 华南理工大学电力学院 广东 广州510641摘 要:设计了一种近岸波浪动能发电设备,其特

2、有的双通道结构可将海水的双向流动转化为叶轮的单向旋转。同时,根据近岸波浪能的特点,分析了近岸海水动能和远离海岸波浪波高的关系,研究了通过发电设备的水流速度和设备的流通面积。关键词:双通道;波浪能;近岸中图分类号:TV139.2 文献标志码:A 文章编号: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

3、 Engineering , Zhanjiang 524006, China ; 2. South China University 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

4、 single direction rotation of the impeller . Also according 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 equipm

5、ent are studied. Key words : dual channel ;wave energy ;inshore波浪能是海洋能中分布最广的一种可再生能源。对波浪能的利用占海洋能源总利用率50%以上1-2。近年来,出现了以波浪能发电为代表的一类海洋能源机械强劲发展的劲头。然而,目前对波浪能的利用主要为远离海岸的深海区域3-6,对近岸波浪能的利用较少。当海岸倾斜角度较小(<15°时,与深海区域波浪能表现为海水的位能不同,近岸波浪能主要表现为海水的动能,流动形式表现为海水的双向流动。本文介绍了一种近岸波浪动能发电设备的设计,其特有的双通道结构将海水的双向流动转化为单向旋

6、转,使得装置内的叶轮始终沿着同一方向旋转,提高了能量输出的稳定性。同时,分析了波浪波高与近岸海水动能关系,研究了通过发电设备的海水流量和迎流面积。1 双通道发电设备结构及工作原理笔者研究团队开发的双通道海流能发电设备结构主要由变速装置、叶轮、发电机和阀门等部件组成,其结构和工作原理分别如图1和图2所示。如图1所示,双通道发电设备结构主要由阀门、挡板、底板、顶板、侧板、变速装置和发电机组成。阀门的系列开关组合分别形成了海水向右流动或童军杰等:一种近岸波浪动能发电装置81 者向左流动的通道。海水推动叶轮旋转,进而通过变速装置带动发电机做功。如图2所示,海水向右流动或者向左流动的通道形成过程如下:当

7、流体从左侧流入时,由于流体的推动作用,阀门1和阀门2在挡板位置封闭;阀门3和阀门4向右旋转打开,形成向海水向右流动的通道,海水推动叶轮逆时针旋转做功。 1-发电机;2-变速装置;3-叶轮;4-阀门;5-轴;6-挡板; 7-底板;8-侧板图1 双通道发电设备结构(去掉顶板Fig.1 The structure of dual channel electric powerequipment (removing roof 1-复位弹簧;2-阀门1;3-叶片;4-叶轮轴;5阀门2;6-阀门3;7-挡板;8-阀门4图2 双通道发电设备工作原理(海水向右流动 Fig.2 Dual channel powe

8、r generation equipmentworks(seawater flow to right同理,当流体从右侧流入时,由于流体的推动作用,阀门3和阀门4在挡板位置封闭;阀门1和阀门2向左旋转打开,形成海水向左流动的通道,海水推动叶轮逆时针旋转做功。波浪动能在近岸的主要表现形式为海水的双向流动,当海水分别向右或者向左流动时,双通道发电设备分别形成海水向右或者向左流动的通道,使得叶轮向同一个方向旋转,因而减小了能量输出的不稳定性。双通道发电设备的进出口设计为渐缩型通道结构,能有效增加海水的输入能量。2 近岸波浪能分析当海岸倾斜角度较小(<15°时,近岸波浪能主要表现为海水的

9、动能,对近岸波浪能分析如下:1假定不考虑近岸风能对海水动能的影响,近岸海水的动能主要由远离海岸的波浪位能转变而来;2假定不考虑波浪破碎的能量损失影响; 3当海水流向海岸或离开海岸往复运动时,海水动能损失主要是由于岸基阻力引起的;4离岸一定距离处,此处受岸基阻力很小,可忽略不计,此处海水流向海岸的动能最大,主要由远离岸边的波浪位能转变而来;5离岸一定距离处如(4所述,由于此处到海岸间岸基阻力较大,经过一段时间后,海水回流经过此处的动能小于前一时刻流向海岸的动能,此时海水回流的速度小于前一时刻海水流向海岸的速度;6对波浪能的分析为一段时间内远离岸边的波浪平均位能与近岸海水的平均动能的转化,因而不考

10、虑上述参数随时间的变化。根据以上分析,将双通道海流发电装置布置在如4和5所述离岸一定距离且海水流向海岸的动能最大处。此时将最大程度回收海水流向海岸的动能和海水从岸边回流的动能,根据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 为总压头,Z 1、p 1、U 1和1分别为远离岸边的波浪的位高,海水压力、海水流向海岸的速度和动能修正系数;Z 2、p 2、U 2和2为如4所述离岸一定距离处海水的位高,海水压力、海水流向海岸的速度和动能修正系数;g 为重力加速度,为海水容重;h 12为阻力损失。对于双通道波浪能发电

11、装置,对海水动能的利用主要为海水表面附近,不考虑动能损失,因而广 东 海 洋 大 学 学 报 第34卷82 p 1 = p 2, Z 1 = Z 2 + H W , U 1 = U 2。其中,H W 为波浪波高。波浪流向海岸的速度为U 1, 如分析4所述离岸一定距离且海水流向海岸的动能最大处海水的最大速度为U 2。不考虑能量转变过程中动能损失,则:gU H W 222=。如图3为假定重力加速度g 为9.813 m/s 2, 在能量转变过程中,H W 与U 2关系。 图3 波浪波高与流向海岸的海水速度 Fig.3 The wave amplitude and the fluid flow vel

12、ocity 由图3可见,在近岸区域波浪能的转变过程中,远离岸边的波浪位能增加,则如分析4所述离岸一定距离海水最大动能处,海水流向海岸的最大速度随之增加。 3 发电设备迎流面积与流量 当海水流经发电设备时,根据伯努利方程7可得发电设备进出口海水的压力、速度和位高参数如为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 为发电设备可获得的海水的压头,Z i 、p i 、U i 和i 分别为设备进口海水的位高、压力、速度和动能修正系数;Z o 、p o 、U o 和o 为设备出口海水的位高,压力、速度和动能修正系数

13、;g 为重力加速度,为海水容重。对于发电设备,由于结构对称性和海水的不可压缩性,因此发电设备可获得的总压头为 oi io p p H g g=-。 (2从上式可以看出,发电设备可获得的压头H io与设备进出口海水的压差p i -p o 有关。海水的进出口压差越大,发电设备可获得的总压头越高。通过设备的海水所做功率为 io P QH g =。 (3 其中, Q 为每秒通过发电设备的海水流量,为设备发电的系统转化效率。经过设备的流通面积S 、流速U 与流量Q 关系如:US Q =。如图4为假定设备发电功率为1 000 W ,系统发电效率为0.25,海水容重为9 813 N/m 3, 重力加速度g

14、为9.813 m/s 2,流经设备内海水流速U 和流通面积S 关系。面积/m 2图4 设备内流体流速和流通面积Fig.4 Fluid flow velocity and flow area through the device从式(1式(3和图4可以看出:1 发电设备的输出功率P 由发电设备可获得的压头H io 和通过发电设备的流量Q 决定,如H io 一定时,通过发电设备的流量Q 增大,则发电设备系统的输出功率P 随之增加;2 发电设备可获得的压头H io 由远离海岸的波浪位置压头H W 转变而来,并且H io H W ;3 由于发电设备内叶轮阻力的影响,通过发电设备的海水流通速度U U 2

15、.当通过发电设备的海水流通速度U 较小时,需要较大的流通面积S 来确保发电设备的输出功率P ,因而设备需要较大的体积,紧凑性较差。童军杰等:一种近岸波浪动能发电装置83 3 结 论1波浪能在近岸的主要表现形式为海水的双向流动,当海水向左或者向右流动进入双通道波浪能发电装置时,分别形成海水向左或者右左流动的通道,使得叶轮向同一个方向旋转,减小了能量输出的不稳定性。2 近岸波浪能主要表现为海水的动能,离岸一定距离处,受岸基阻力很小,可忽略不计,此处海水流向海岸的动能最大,主要由远离岸边的波浪位能转变而来。将双通道波浪能发电装置布置在此处,将最大程度利用海水流向海岸的动能并回收海水回流的动能。3发电

16、设备系统输出功率P 的主要影响因素为发电设备可获得的总压头H io 和通过发电设备的流量Q , 发电设备系统输出功率P 与发电设备可获得的总压头H io 和通过发电设备的流量Q 成正比关系;发电设备可获得的压头H io 由远离海岸的波浪位置压头HW 转变而来,并且H io H W 。4当发电设备系统输出功率P 一定时,设备的流通面积S 随着海水流通速度U 的减小而增大,发电设备的体积增大,紧凑性变差。5对于近岸波浪能和双通道发电设备的分析,没有考虑近岸风能和波浪破碎对海水动能的影响。因此,对于近岸风能和波浪破碎对近岸海水动能的分析,需要进一步的研究。参 考 文 献1 王传崑,卢苇.海洋能资源分析方法与储量评估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