浮體繩輪波浪發(fā)電機的應用

浮體繩輪波浪發(fā)電機的應用

因為我聽到這個名字，我就像潮汐發(fā)電。波浪發(fā)電不是朝照發(fā)電，也不是因為運行周期為12.4小時的潮汐落差，而是利用約4.10秒的波浪能量。海浪發(fā)電現(xiàn)在仍未產(chǎn)業(yè)化,主要面臨如下困難:海浪的破壞力大,6m高的巨浪,沖擊壓強達到30t/m2;海浪作用力不穩(wěn)定,是一個波動過程,水質(zhì)點在作圓周運動,而且海水是柔軟流動著的;海浪發(fā)電設(shè)備造價高昂,需要考慮強度、固定等問題;海浪的腐蝕性及水生生物的附著;電力傳輸問題即海浪發(fā)出來的電如何傳輸?shù)疥懙亍?軸向柱塞泵旋轉(zhuǎn)該系統(tǒng)包括浮體、主繩、卷筒、主軸、棘輪、收繩輪、彈簧、液壓系統(tǒng)以及發(fā)電機。主繩一端系在海底,另一端纏繞在卷筒上,卷筒通過主軸與收繩輪、棘輪軸連接,棘輪與軸向柱塞泵軸連接,而收繩輪上則纏有細繩,被收繩彈簧拉緊,圖1和圖2分別為浮體繩輪海浪發(fā)電機整體結(jié)構(gòu)圖及轉(zhuǎn)輪加速器結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)波浪理論,波浪上的點實際上是在作近似圓周運動,不管多大的浪,只是圓周運動的半徑大小不同而已,所以漂浮在波浪上的浮體也跟著作圓周運動,這樣浮體與海底的相對距離就會發(fā)生周期變化。當浮體上升時,主繩被拉緊,于是拉動卷筒旋轉(zhuǎn),進而通過棘輪帶動右邊的軸向柱塞泵旋轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)將波浪不規(guī)則的推力轉(zhuǎn)換成液壓能,液壓能再經(jīng)過蓄能器穩(wěn)壓,通過液壓馬達帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)了向電能的轉(zhuǎn)化。在此過程中,卷筒的旋轉(zhuǎn)也帶動收繩輪旋轉(zhuǎn),收緊了收繩用的彈簧。在波浪回落階段,浮體與海底之間距離減小,主繩變松,這時彈簧的彈性勢能釋放,帶動收繩輪、卷筒反向旋轉(zhuǎn),將主繩收回,因為棘輪的單向傳動特性,這個階段不帶動軸向柱塞泵旋轉(zhuǎn)。波浪能采集就是這樣不斷重復著拉、收兩個過程。由于軸向柱塞泵只在波浪上升時旋轉(zhuǎn),而在波浪下落時不旋轉(zhuǎn),盡管有蓄能器的蓄能穩(wěn)壓,但液壓壓強以及流量的脈動太大,發(fā)電機不能穩(wěn)定運轉(zhuǎn),所以,必須多臺樣機一起協(xié)同工作,共享一套液壓系統(tǒng),即多個浮體繩輪單元、軸向柱塞泵共享一套液壓管、液壓馬達、發(fā)電機系統(tǒng),這樣有的浮體繩輪單元上的軸向柱塞泵在旋轉(zhuǎn),有的不轉(zhuǎn),整體上降低了液壓油流量的脈動。在該技術(shù)中承受波浪浮力和推力的一個重要零件就是主繩,由于波浪推力很大,而且?guī)酌腌娨粋€周期,每天主繩要承受拉力上萬次,這對主繩的耐疲勞性能要求非常高,所以在主繩的選材上非常重要。但鋼絲繩的疲勞及不耐腐蝕是很棘手的問題,所以這里提一個新的產(chǎn)品——超高分子量聚乙烯纖維(UHMW-PE),它具有獨特的綜合性能,其相對密度小于1,纖維浮于水。它是目前強度最高的纖維(抗拉強度達到2.5～4GPa),能達到優(yōu)質(zhì)鋼的15倍,模量也很高(楊氏模量100～250GPa),僅次于特種碳纖維。UHMW-PE纖維即使具有較高的模量,且在大變形作用下仍然具有柔韌性,耐撓曲,有良好的加工性能,除此以外,該纖維還具有耐海水腐蝕、耐化學試劑、耐磨損、耐紫外線輻射等特性,所以,用UHMW-PE作為傳力元件是合適的。2根據(jù)發(fā)電機的規(guī)模、轉(zhuǎn)速,將增加浮箱、海運的容量,使其運行成本迅速降低目前筆者已經(jīng)造出了樣機,其詳細參數(shù)如下所示:各部分重量總計600kg左右(不包括錨定用的基石);浮箱最大排水量為1.505t;裝機容量為3kW,發(fā)電機是單相交流,重65kg;轉(zhuǎn)換效率為40%～50%;單機研制費用:1.7萬元(其中原料與加工費用合計5500元,液壓系統(tǒng)與發(fā)電機合計4500元,制造工具、交通等其他費用合計7000元,如批量生產(chǎn),該樣機單機成本將會在5000～7000元左右。如果浮箱省掉換成漁船,則單機成本會下降到3000～5000元左右;·投資回報率為10%～40%。盡管該單機輸出功率低,但它的投入也是很低的。假設(shè)某海域年均波高1m,海浪周期5s,則海浪發(fā)電機的平均輸出功率P=5000×1/5×45%=0.45kW,年發(fā)電總量為0.45×24×365=3942kWh,按上網(wǎng)電價0.35元/kWh計算,則年收益為3942×0.35=1380元,年投資回報率為1380/7000=19.7%(按7000元單機成本計算)。當然實際運營中會有折舊維護費用。3浮體/繩、轉(zhuǎn)輪技術(shù)對照當今國內(nèi)外各種海浪發(fā)電裝置,該海浪發(fā)電機無論是從制造成本、可維護性、生存性、效率等方面都十分優(yōu)秀,具體表現(xiàn)如下。成本低廉:該系統(tǒng)沒有龐大的混凝土工程,不需昂貴的不銹鋼,也沒用大型的結(jié)構(gòu)鋼件,功率成本可以達到3000～5000元/kW?？癸L浪能力強:該機的波浪能采集機構(gòu)是浮體+繩+轉(zhuǎn)輪,具有柔性捕捉能力,因為繩子可以放得很長,甚至十多米,所以可以應付十多米高的巨浪,緩沖距離長,可以緩沖海浪的巨大沖擊力。盡管海浪的沖擊力很大,但繩子受力大小取決于負載的多少,而與波浪大小無關(guān)。防腐能力強:機器的核心部分都在浮箱內(nèi),不跟海水直接接觸。浮箱表面材質(zhì)為玻璃鋼,而玻璃鋼不易被海水腐蝕,而且強度高,壽命長。繩子采用包塑鋼絲繩或更好的超高分子量聚乙烯纖維繩,也不易被海水腐蝕,僅有轉(zhuǎn)輪、主軸浸在海水里,轉(zhuǎn)輪用尼龍制成,主軸用碳素銅外覆尼龍制成,有很好的抗腐能力。波浪能吸收轉(zhuǎn)換效率高:該系統(tǒng)的傳動環(huán)節(jié)沒有空氣,途中能量損失