浅谈海洋波浪能的开发利用技术

浅谈海洋波浪能的开发利用技术

0波浪能发电装置现在，社会能源短缺，污染日益严重。我们正在向大海进军，开发海洋能源，这是扩大人类栖息地、提高能源储量和保护自然环境的重要机会。世界各国非常重视海洋能源的开发和利用，并正在加强海洋开发战略。中国政府在第18届全国代表大会上提出了建设强大海上国家的建议。波浪能是海洋能源中品级相对较高且目前研究相对较广的一种能源,波浪能的开发利用多集中于发电。波浪能发电装置按其搜集波浪能位置不同可分为岸(基)式和离岸式两种,针对离岸式波浪发电而言,停留在海面上固定位置的波浪能能源设备很难避开一些严重的暴风雨侵袭,对相应的结构设计和材料要求都很高,同时,在海底建设设备基座异常困难且造价昂贵,会使单元发电成本飙升,而且当有关设备设施出现损坏或需维修时,不能就地提供服务,需将它们运送到合适的维修地点进行维护,故本发电装置采用了岸基式设计。不论是岸基式还是离岸式,潮位变化都会显著影响波浪能发电装置的运行,尤其是影响波浪能搜集装置的工作,故波浪能发电装置一般都需具备整体或局部可升降的功能,以消除潮位上升或下降带给波浪能搜集的影响。目前,绝大部分波浪能发电装置采用液压自升降系统来实现上述升降功能,虽然效果可行,但借助了大量外部能源,增大了发电成本,与开发利用新能源的初衷不相符,本发电装置正是为了解决这一问题而设计。1.1基础框架滑动装置如图1所示,本发电装置采用岸基式布置方法,发电机、蓄能器等重要硬件设备设施都直接置于岸上,并沿岸布置多根导向滑道,与导向滑道对应布置数量相同的滑动装置,用以带动基础框架上下移动(基础框架内镶嵌众多浮箱以提供足够的浮力),滑动装置顶部设有制动装置,在每次升降到指定点位时实现重新固定的作用,制动装置采用简单的液压原理工作,在制动装置与滑动装置间安设一压力传感器,监测竖直方向的净剩力,并将监测结果实时反馈到控制系统,波浪能搜集装置(浮子)通过连接架固定于基础框架的另一侧,潮位变化时,可随基础框架整体上升或下降。1.2能量转换发电机图2为装置的发电原理示意图。本发电装置中的发电设备主要包括作为波浪能吸收装置的浮子、作为能量转换装置的液压回路和直驱发电机等。其发电基本原理:浮子在波浪的起伏作用下做上下振荡运动,推动液压缸排出高压油,液压油经出油管路进入蓄能器,经缓冲后被送入液压马达做功,液压马达排出的低压油则通过回油管路重新回到液压缸中,完成一个油路循环;液压马达带动直驱发电机发电。2滑动装置重拉等装置本发电装置的设计重点在于为适应潮差而设计的升降部分,主体部分的升降是依靠滑动装置来实现的,图3所示为滑动装置。本发电装置的滑动装置包括基座、U型滑体、斜拉加固杆、3组内层滚轮和外层滚轮(其中每组包括两个内层滚轮和一个外层滚轮)。内、外层滚轮是相对导向滑道一侧的位置而言,且两层滚轮竖直方向也是叉开的,所述滑动装置依靠所述3组滚轮在导向滑道上的滚动来实现相对导向滑道的滑动。3制动装置功能主体结构依靠滑动装置的滑动升降到某一新高度时,还需重新固定,这一功能由制动装置实现。所述的制动装置包括制动片、弹簧型单作用液压缸及一套简单的液压回路,其中,制动片连接在液压缸活塞另一端,制动时靠活塞杆的推力将其紧紧地压在导向滑道上。3.1导向巷道的受力以潮水上涨的情况为例,对制动片的受力进行分析,其受力情况如图4所示。对称布置的制动片给予导向滑道两侧一对大小相等,方向相反的力,进而产生竖直向下的摩擦力f,抵消基础框架向上的净剩力F上。F上=2×f=2×μ×Fn,进而液压缸内需维持的压力P=Fn/S,μ表示制动片与导向滑道间的摩擦系数。3.2液压缸内制动片安装图5所示为制动装置工作原理:基础框架到达某预定高度时,电动机给泵提供动力,从油箱抽油,打入液压缸,借助蓄能器,液压缸内的压力可达到预定值,并向外推动活塞杆,进而将活塞杆另一侧连接的制动片推紧压住导向滑道一侧,制动片到达指定位置后,关闭电动机;当控制系统发出松开制动片的信号后,电磁换向阀换向,导通回油管路,液压缸中的液压油在内、外部油压差和弹簧弹力的作用下,经回油管路回到油箱中,完成一个油路循环,同时活塞杆向里收缩,使制动片脱离导向滑道。4控制系统控制本发电装置中,若干波浪能搜集装置(浮子)固定在镶嵌众多浮箱的框架上,整个框架与滑动装置刚性连接,并可通过滑动装置沿固定在岸边的竖立滑轨上下滑动。初始时,浸水部分的框架所提供的浮力与整个框架系统所受重力平衡,安装在滑动装置上的制动装置通过制动片抱紧滑轨,使整个框架(包括浮子)稳定在一高度不变。制动装置的工作状态由专门设计的简易控制系统控制,该控制系统并入到发电系统主控制系统中。实现升降功能的流程图如图6所示。设系统(可动部分)所受浮力为F浮(忽略浮子的浮力,因为其浸水深度小,所受浮力相较整个浮箱框架为小量),且F浮=ρgv排=ρgsh浸,系统总重量为G,传感器所检测的竖直净剩力为F,最初F浮=G,F=F浮-G=0。以下用↑表示增大,以↓表示减小,分别对潮水涨退的情况进行分析。(1)潮水上涨。浮箱框架的浸水深度h浸↑→F浮↑→F浮>G→F≠0且F↑,当F增大到F定(预先设置),控制系统启动执行机构(利用液压原理),松开制动片,框架依靠净剩浮力带动浮子自由上升,此过程中h浸↓→F浮↓→F浮=G/F=0,控制系统再次启动执行机构,推紧制动片,使框架稳定在新的高度,即完成一次上升过程。(2)潮水下退。浮箱框架的浸水深度h浸↓→F浮↓→F浮<G→F≠0(F不考虑方向)且F↑,当F增大到F定,控制系统启动执行机构,松开制动片,框架依靠净剩重力带动浮子自由下降,此过程中h浸↑→F浮↑→F浮=G/F=0,控制系统再次启动执行机构,推紧制动片,使框架稳定在新的高度,即完成一次下降过程。5发电装置的安全经济分析本文提出的自适应潮位变化的岸基式波浪能发电装置,拓展了波浪能发电装置的形式,突出了内部能量利用极大化的思想。装置升降过程中,升降动力完全来源于自身重力和浮力的