浮体绳轮波浪发电机的应用

浮体绳轮波浪发电机的应用

因为我听到这个名字，我就像潮汐发电。波浪发电不是朝照发电，也不是因为运行周期为12.4小时的潮汐落差，而是利用约4.10秒的波浪能量。海浪发电现在仍未产业化,主要面临如下困难:海浪的破坏力大,6m高的巨浪,冲击压强达到30t/m2;海浪作用力不稳定,是一个波动过程,水质点在作圆周运动,而且海水是柔软流动着的;海浪发电设备造价高昂,需要考虑强度、固定等问题;海浪的腐蚀性及水生生物的附着;电力传输问题即海浪发出来的电如何传输到陆地。1轴向柱塞泵旋转该系统包括浮体、主绳、卷筒、主轴、棘轮、收绳轮、弹簧、液压系统以及发电机。主绳一端系在海底,另一端缠绕在卷筒上,卷筒通过主轴与收绳轮、棘轮轴连接,棘轮与轴向柱塞泵轴连接,而收绳轮上则缠有细绳,被收绳弹簧拉紧,图1和图2分别为浮体绳轮海浪发电机整体结构图及转轮加速器结构图。根据波浪理论,波浪上的点实际上是在作近似圆周运动,不管多大的浪,只是圆周运动的半径大小不同而已,所以漂浮在波浪上的浮体也跟着作圆周运动,这样浮体与海底的相对距离就会发生周期变化。当浮体上升时,主绳被拉紧,于是拉动卷筒旋转,进而通过棘轮带动右边的轴向柱塞泵旋转,从而实现将波浪不规则的推力转换成液压能,液压能再经过蓄能器稳压,通过液压马达带动发电机旋转,实现了向电能的转化。在此过程中,卷筒的旋转也带动收绳轮旋转,收紧了收绳用的弹簧。在波浪回落阶段,浮体与海底之间距离减小,主绳变松,这时弹簧的弹性势能释放,带动收绳轮、卷筒反向旋转,将主绳收回,因为棘轮的单向传动特性,这个阶段不带动轴向柱塞泵旋转。波浪能采集就是这样不断重复着拉、收两个过程。由于轴向柱塞泵只在波浪上升时旋转,而在波浪下落时不旋转,尽管有蓄能器的蓄能稳压,但液压压强以及流量的脉动太大,发电机不能稳定运转,所以,必须多台样机一起协同工作,共享一套液压系统,即多个浮体绳轮单元、轴向柱塞泵共享一套液压管、液压马达、发电机系统,这样有的浮体绳轮单元上的轴向柱塞泵在旋转,有的不转,整体上降低了液压油流量的脉动。在该技术中承受波浪浮力和推力的一个重要零件就是主绳,由于波浪推力很大,而且几秒钟一个周期,每天主绳要承受拉力上万次,这对主绳的耐疲劳性能要求非常高,所以在主绳的选材上非常重要。但钢丝绳的疲劳及不耐腐蚀是很棘手的问题,所以这里提一个新的产品——超高分子量聚乙烯纤维(UHMW-PE),它具有独特的综合性能,其相对密度小于1,纤维浮于水。它是目前强度最高的纤维(抗拉强度达到2.5～4GPa),能达到优质钢的15倍,模量也很高(杨氏模量100～250GPa),仅次于特种碳纤维。UHMW-PE纤维即使具有较高的模量,且在大变形作用下仍然具有柔韧性,耐挠曲,有良好的加工性能,除此以外,该纤维还具有耐海水腐蚀、耐化学试剂、耐磨损、耐紫外线辐射等特性,所以,用UHMW-PE作为传力元件是合适的。2根据发电机的规模、转速,将增加浮箱、海运的容量,使其运行成本迅速降低目前笔者已经造出了样机,其详细参数如下所示:各部分重量总计600kg左右(不包括锚定用的基石);浮箱最大排水量为1.505t;装机容量为3kW,发电机是单相交流,重65kg;转换效率为40%～50%;单机研制费用:1.7万元(其中原料与加工费用合计5500元,液压系统与发电机合计4500元,制造工具、交通等其他费用合计7000元,如批量生产,该样机单机成本将会在5000～7000元左右。如果浮箱省掉换成渔船,则单机成本会下降到3000～5000元左右;·投资回报率为10%～40%。尽管该单机输出功率低,但它的投入也是很低的。假设某海域年均波高1m,海浪周期5s,则海浪发电机的平均输出功率P=5000×1/5×45%=0.45kW,年发电总量为0.45×24×365=3942kWh,按上网电价0.35元/kWh计算,则年收益为3942×0.35=1380元,年投资回报率为1380/7000=19.7%(按7000元单机成本计算)。当然实际运营中会有折旧维护费用。3浮体/绳、转轮技术对照当今国内外各种海浪发电装置,该海浪发电机无论是从制造成本、可维护性、生存性、效率等方面都十分优秀,具体表现如下。成本低廉:该系统没有庞大的混凝土工程,不需昂贵的不锈钢,也没用大型的结构钢件,功率成本可以达到3000～5000元/kW。抗风浪能力强:该机的波浪能采集机构是浮体+绳+转轮,具有柔性捕捉能力,因为绳子可以放得很长,甚至十多米,所以可以应付十多米高的巨浪,缓冲距离长,可以缓冲海浪的巨大冲击力。尽管海浪的冲击力很大,但绳子受力大小取决于负载的多少,而与波浪大小无关。防腐能力强:机器的核心部分都在浮箱内,不跟海水直接接触。浮箱表面材质为玻璃钢,而玻璃钢不易被海水腐蚀,而且强度高,寿命长。绳子采用包塑钢丝绳或更好的超高分子量聚乙烯纤维绳,也不易被海水腐蚀,仅有转轮、主轴浸在海水里,转轮用尼龙制成,主轴用碳素铜外覆尼龙制成,有很好的抗腐能力。波浪能吸收转换效率高:该系统的传动环节没有空气,途中能量损失