一种新型摆式波浪发电装置的研制

一种新型摆式波浪发电装置的研制宋洪侠;邓启平;姜恒甲;孙伟志;孔志营【摘要】针对海上浮标、领航灯等远海设施供电难的问题,设计了一种新的摆式波浪发电装置.为提高装置的可靠性和寿命,采用封装在箱体内与海水完全隔离的设计方案.创建了机械式能量转换装置以简化波浪能转换器并提高波浪能利用效率.详细叙述了摆式波浪能发电装置的设计方案,并建立了摆锤的数学模型以及结合线性波动中二维深水进行波理论计算,计算了装置的整机理论效率,同时对关键零件的疲劳寿命进行了分析和预测•实验结果表明，当箱体晃动周期为3s、倾角为15。时，波浪发电机的平均输出功率为10W左右，输出电压为14V.研究证明，该波浪能发电装置的设计是可行的.期刊名称】《可再生能源》年(卷),期】2014(032)008【总页数】6页(P1239-1244)【关键词】波浪能发电装置;波浪发电;摆式装置;能量转换;效率【作者】宋洪侠;邓启平;姜恒甲;孙伟志;孔志营【作者单位】大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116023;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116023;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116023;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116023;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116023【正文语种】中文【中图分类】TK710引言海洋波浪能是一种清洁可再生能源，蕴藏量巨大。如何有效地利用海洋波浪能，吸引了各国的研究者。法国的Girard父子在1799年申请了第一个关于波浪能利用的专利，此后，超过1000个设计方案被提出，其中不乏许多有创意的波能装置［1］。目前世界上波能发电装置的形式主要有：振荡水柱式、点吸收式、摆式、筏式、鸭式和收缩波道式等［2］。国外开发波浪能比较早，1965年，日本的YoshioMasuda发明了波能供电的导航浮标［3］；1974年，英国爱丁堡大学的StephenSalter提出了设计巧妙的“点头鸭”波能装置［4］;近年来，欧盟各国相继建立了固定式的波浪能商用发电站［5］；美国的俄勒冈州立大学研制了永磁直线波浪发电机⑹。国内方面，中科院广州能源所开发了10W航标灯用波浪发电装置；广东省汕尾市建成了并网发电的100kW振荡水柱波浪能电站［7］。大型化、大功率的波浪能发电装置得到了持续发展，但是小型化、造价低的波浪能发电装置市场上太少。现有离岸波能装置大都有与海水直接接触的活动部件，可靠性低，工程性差。考虑到波能发电装置发展的不足，本文设计了一种小功率、小型化的新型波浪发电装置，类型上属于摆式波浪能发电装置，可以为远海设施供电。装置本身不与海水接触，解决了防海水腐蚀问题。采用发条弹簧作为储能机构，使装置结构紧凑，并提高了整体能量转换效率。摆式波浪能发电装置方案总体设计波浪能发电装置主要由三大部分组成：波浪能捕获装置、转换装置和输出装置。图1是装置工作原理和能量转换框图。能量经过三级转换，波浪能捕获装置把波浪能转换成摆锤的机械能（一级转换）；转换装置把摆锤的机械能转换为旋转机械能（二级转换）；输出装置通过发电机把旋转机械能转换为电能（三级转换）。图1装置工作原理及能量转换框图Fig.1Diagramofenergyconversionprocess波浪能输出装置输出装置主要由联轴器、电机轴和发电机组成。考虑到为海上设施供电，负载是离网型，选用了一台永磁同步发电机，经整流、滤波、稳压后获得直流输出。实测得发电机电机轴扭矩Tm为2N・m,转速为80r/min时，输出电压为13.5V,输出功率为10.1W，发电机效率为60.4%。波浪能转换装置结构设计波浪能转换装置采用机械式转换，主要由主动轴1、齿轮升速机构2、传动轴3、安全离合器4、棘轮式超越离合器5、发条轴6、发条弹簧盒7和输出轴8组成，运动机构简图见图2，实物图见图3。其原理是摆锤滚动带动主动轴旋转，主动轴经三级齿轮升速机构带动左、右两个传动轴旋转，左、右传动轴经过安全离合器和超越离合器分别连接左、右发条轴，发条轴旋转扭紧发条弹簧，两条发条弹簧储存一定的能量后释放，发条盒齿轮带动输出轴旋转。图2转换装置运动机构简图Fig.2Kinematicalsketchoftheenergyconversiondevice图3转换装置实物图Fig.3Photooftheenergyconversiondevicel-主动轴；2-齿轮升速机构；3-传动轴；4-安全离合器；5-棘轮式超越离合器；6-发条轴；7-发条盒；8-输出轴为了转换摆锤往返滚动的能量，在传动轴和发条轴之间安装了双棘轮式超越离合器棘轮式机构具有单向传动的特点。左、右棘轮式超越离合器反向安装，前一对棘轮超越离合器保证了摆锤顺时针、逆时针旋转时，扭矩分别传递到左、右发条轴，上紧左、右发条弹簧；后一对棘轮超越离合器保证了左、右发条轴的单向转动，这样发条弹簧上紧时只通过发条盒转动释放能量。这样摆锤往复旋转的机械能都能储存到发条盒中，且左、右发条弹簧上紧、释放时不互相干扰。左、右发条盒齿轮与输出轴齿轮啮合，之间加入了过渡齿轮轴，保证输出轴沿一个方向旋转，从而保证发电机连续发电。发条弹簧设计发条弹簧储能器作为储能机构，作用是储存几个周期内的波浪能，弥补波浪能的随机性获得平稳输出。当发条弹簧上紧的力矩达到发电机的工作力矩时，就可以带动发电机发出需要的电。选用的发电机的工作力矩为2N・m,转换装置中对称安装了两套发条弹簧储能器，工作时一起驱动发电机发电，为了保证发电机连续工作，发条弹簧的最小输出力矩取为2N・m。参考机械设计手册［8］，设计了发条弹簧，设计参数见表1。表1发条弹簧设计指标Table1Designparametersoftheclockworkspring齿轮升速机构设计摆锤的摆动速度比较慢，为了提高发条轴上紧发条弹簧的速度，增加发条上紧圈数，从而达到发电机要求的转速和转矩，在主动轴与传动轴之间加入了齿轮升速机构，设计参数见表2。增速比由发电机的工作转速和摆锤的摆动速度决定。设计摆锤在半个波浪周期（1.5s）内的摆动角度为30°,则摆锤的平均转速为3.33r/min。已知发电机的工作转速为80r/min，可以计算得到理论增速比：表2齿轮升速机构设计参数Table2Designparametersofgearmechanisms齿轮升速机构的增速比为24，考虑到装置的尺寸和布局的要求，采用三级齿轮升速。为了使整个装置结构紧凑，便于对称布置，三级齿轮传动取相同的增速比，每级的增速比为241/3=2.88，取2.9,则齿轮升速机构的实际增速比i为安全离合器防止大风浪下，主动轴转过角度太大，发条弹簧扭矩过大而损坏，安装了弹簧钢球式安全离合器。上支承座内弹簧将钢球压入下支承座的锥形槽内，上、下传动轴分别通过键与上、下支承座连接。调节螺母预先给定弹簧压紧力，传动轴受到转矩旋转时，钢球受到锥形槽面垂直方向的作用力，工作锥面的摩擦力，合力F方向向上。同时，还受到方向向下的弹簧压紧力F压紧的作用。当发条弹簧上紧的圈数较小时，传动轴转矩较小，F小于或等于F压紧，弹簧不继续压缩，钢球保持在槽内，此时安全离合器起联轴器的作用；当发条弹簧上紧圈数达到最大工作圈数，传动轴转矩超过限定值时，F大于F压紧，弹簧继续压缩，钢球脱离锥形槽，安全离合器起保护作用。考虑到发条弹簧的最大理论力矩为5N・m,安全离合器预先设置的转矩为4N・m。波浪能捕获装置设计波浪能捕获装置由摆锤、摆臂和箱体平板组成。摆锤放置在箱体平板上，通过摆臂与主动轴连接。箱体随着波浪晃动时，摆锤沿着箱体平面滚动，图4是受力示意图。假设箱体晃动的倾角为e,摆锤滚动的角度为a图4摆锤受力示意图Fig.4Forceschematicofthependulum发电装置运行时，主动轴受到摆锤的扭矩Tt和波浪能转换装置的总阻尼Td，所受合力矩为Tt和关于摆动角度a（t）和倾角e（t）的函数表示为波浪能转换装置的总阻尼Td与发电机输出扭矩Tm和二级能量转换效率n2（见3.2节)有关，可表示为式中：m为摆锤的质量，kg;g为重力加速度，m/s2;p为摆锤与箱体平板的滚动摩擦系数；l为摆臂的长度，m；J为摆锤的转动惯量，kg・m2;i为齿轮升速机构总传动比，i=24.4。箱体晃动的倾角0应为时间t的正弦函数，为简化模型，依据实际观测，取平均倾角0=15。。把(4)~(7)式代入式(3)得关于摆动角度a(t)的微分方程:代入初值a(O)=O,a'(O)=O解得：一个波动周期内，摆锤往返一次，对外做功：整机理论效率的计算波浪能装置整机理论效率应为三级能量转换效率的乘积，设整机理论效率为n，则式中：ni为一级能量捕获效率；n2为二级能量转换效率；n3为三级能量转换效率。一级能量捕获效率波浪波动功率的计算波浪波动周期T=3s，波高H=0.5m。根据流体力学相关知识，结合线性波动中二维深水进行波的波动理论［9］，得出单位波长水柱内的平均波动总能量为式中：p为海水的密度，kg/m3。在波浪运动中，单位波长液体平均总能量的一半随同波形的传播而转移，故实际有效能量为箱体半径R内总波动能量为箱体范围内波浪平均功率为考虑发电装置的整体结构尺寸和波浪波动特性，把p=1025kg/m3,H=0.5m,R=0.5m，g=9.8m/s2代入式（12）~（14）,可得Pi=104.65W。摆锤功率的计算摆锤滚动平均功率为一级能量捕获效率的计算根据能量转换理论，一级能量捕获效率为二级能量转换效率查机械设计手册[10]，确定各机构的传动理论效率，齿轮啮合0.98，棘轮式超越离合器0.98，发条弹簧0.95，轴承0.98，安全离合器0.95，可以估算出整个机械传动部分的工作效率为三级能量转换效率实测得输出装置中发电机效率为60.4%，即口3=60.4%。把ni，n2，n3的值代入式（ii）,得到摆式波浪能发电装置的整机理论效率n=45.6%。发电系统寿命预算常规状态下，该能量转换系统所受载荷频率为0.33Hz，由于所承受循环交变载荷较小，因此在对系统寿命预算时主要考虑系统中比较薄弱的零件发条，即对发条弹簧进行受力分析和寿命预算。首先，通过发条弹簧设计所确定的主要参数，在三维建模软件AutodeskInventor中对发条弹簧进行建模，三维模型图如图5所示。图5发条弹簧的三维模型Fig.53Dmodelofclockworkspring其次，在Inventor的应力分析模块下，对60Si2Mn弹簧钢的参数进行设置后，依次对弹簧的尾部施加固定约束，对弹簧的顶部施加最大的扭矩5N・m。通过Inventor对发条弹簧进行有限元分析，得到弹簧的应力云图如图6所示。从图中可看出，当所受扭矩为最大值5N・m时，其最大等效应力为70.52MPa。实际情况是当扭矩达到4N・m时，安全离合器就开始工作。图6发条弹簧的应力云图Fig.6Equivalentstressofclockworkspring最后，通过查阅机械工程材料手册中机械零件在交变载荷条件下的疲劳曲线图7[11]，结合Inventor的应力分析结果确定发条弹簧的疲劳极限是一种高周期的疲劳，理论上为无限寿命。图7几种材料的疲劳曲线Fig.7Fatiguecurvesofseveralmaterials实验结果摆式波浪能发电装置样机以及与箱体之间的配合实物图，如图8所示。图8摆式波浪能发电装置样机Fig.8Prototypeofthependulumwaveenergyconverter波浪发电实验的复杂性导致难以操控，同时受水槽实验条件的限制，实验是在实验室中采用模拟摆动实验的方法进行的，实验数据如表3所示。表3摆动模拟实验的结果Table3Resultsofswingsimulationtest结论（1）设计的发电装置整体封装在箱体中，不与海水直接接触，避免了海水对发电装置的腐蚀，提高了装置的寿命，可靠性也得到保证。（2）结合线性波浪理论，计算得到装置整机理论效率为45.6%；其中二级转换效率高达82.5%，一级能量捕获效率为91.6%，可以继续优化提高。（3）模拟实验结果显示，当箱体晃动周期为3s时，箱体倾角为15°时，波浪发电机的输出平均功率为10W以上，输出电压最高可达14V。参考文献：Ant6nioFdeOF.Waveenergyutilization:Areviewofthetechnologies[J].RenewableandSustainableEnergyReviews，2010，14（3）：899-918.游亚戈，李伟，刘伟民，等•海洋能发电技术的发展现状与前景J].电力系统自动化，2010，34（14）：25-37.YouYage，LiWei，LiuWeimin，etal.Oceanenergypowergenerationtechnologydevelopmentstatusandprospects[J].AutomationofElectricPowerSystem，2010，34（14）:25-37.MasudaY.Wave-activatedgenerator[A].Internationalcolloquiumontheexpositionoftheoceans[C].Bordeaux：InternationalColloquiumontheExpositionoftheOceans，1971.SalterSH.Wavepower[J].Nature，1974，249：720-724.⑸任建莉，钟英杰.海洋波能发电的现状与前景[几浙江工业大学学报，2006,34（1）：69-73.RenJianli，ZhongYingjie.Stateofartsandprospectsinthepowergenerationfromoceanicwave[J].JournalofZhejiangUniversityofTechnology，2006，34（1）:69-73.KRhinefrank，EBAgamloh，AVonJouanne，etal.Noveloceanenergypermanentmagnetlineargeneratorbuoy[J].RenewableEnergy，2006，31（9）:1279-1298.林润生•基于摆式波能转换