波浪能裝置設計圖

⑴ 海浪可以發電嗎

在靠近港灣的近海，為了使船隻安全進出港，總要設置很多航標燈為夜航船指引航向。以前的航標燈一般靠專人專船去安裝或更換電池，非常麻煩，費用也很大。

1940年，英國工程師繆特爾發明了一種波浪發電機，利用海浪上下運動的力量驅動空氣渦輪機發電，使航標燈點亮。它的原理並不復雜：當海浪上下波動時，浮體也上下運動，空氣室中的空氣不斷受到壓縮和擴張，如同風箱一樣。受壓縮的空氣從露出海面的噴口處以極快的速度噴出，沖向渦輪機，使它快速旋轉，這樣就帶動發電機發電了。

從此以後，絕大多數的航標燈都採用了這種裝置。再也不用派人去為航標燈點亮了。

繆特爾工程師是一個善於思考的聰明人。他的別墅建在山上，經常停水，他便在別墅的房頂上設置了一個水池。他把一個家用的活塞式抽水機用連桿與別墅的大門連接在一起。每一個人推門進屋都可以給屋頂上的水池壓上20千克的水。客人們到別墅來都抱怨繆特爾家的大門太重了，開門特別費勁，建議他修理一下。繆特爾總是笑著說：「不用修。這大門是我家水池抽水機的能源。你一推門，我用水就不犯愁了!」客人們了解內情後，都誇繆特爾會動腦筋。正是這種善於想竅門動腦筋的性格使繆特爾成為一個擁有多項專利的發明家。

繆特爾還是一個做事非常執著的人。他認准了的事，千方百計也要做成功。

雞蛋能不能在光滑的桌面上立住。這是一個古老的問題。

人們都認為這是不可能的，但後來卻找到了兩種解決的辦法。

一種是大家熟知的哥倫布解法。他把雞蛋往桌子上一磕，蛋殼碎了，但是雞蛋立住了。誰也沒像哥倫布這么做過、想過，哥倫布做了，並體現了一種超常的創新探索精神。這正是發現「新大陸」所需要的精神。

另一種是比較科學的巧妙做法。將雞蛋一旋，雞蛋在旋轉中也立住了。

此後的幾百年間，人們只把這個問題當做「腦筋急轉彎」的題來考孩子們。但還有一些人仍然不屈不撓地把它當作一個科學命題來研究。即：如果不把雞蛋磕碎，也不旋轉雞蛋，雞蛋能不能立住呢。

繆特爾就是這些「鑽牛角尖」的人中的一個。他把雞蛋放到顯微鏡下觀察，發現蛋殼表面是個起伏不平的粗糙面：高處的平均高度是0.2毫米，高點的平均間距是0.8毫米。在鉛筆芯那樣大的面積內，至少有3個以上的高點。從物理學的原理講，只要雞蛋的重心垂線通過這3個點的中間，雞蛋從理論上講就可以立起來。繆特爾反復進行了無數次的實驗，真的把雞蛋完好無損地靜止地立起來了。

繆特爾就是這么一個極富智慧又具有認真分析觀察態度的科學家。

有一次，繆特爾從英國乘海輪到法國去。傍晚時分，他看到航標工們駕著小船去給航標燈更換電池。他想，海浪一起一伏的動力，為什麼不利用來發電，解決航標燈的電源呢。從此，他與海浪結下了不解之緣，常常一個人坐在海邊觀察海浪，思索如何將上下運動的波能轉變成高速旋轉運動的機械能，從而帶動發電機發出電力。有一天傍晚，他在海邊呆久了，直到下起了小雨，他才匆匆往回趕。路途中，雨越下越大，繆特爾躲進一家鐵匠鋪避雨。看著鐵匠太太的手一進一出地扯動風箱，他不禁心中一動。他冒雨沖回家中，連夜在地下室里幹了起來。經過3天的奮戰，繆特爾造出了像風箱一樣的空氣活塞式波浪發電裝置。

這個發電裝置有一個直徑60厘米、長4米的圓筒，上面設有兩個活塞室，垂直沉下海去，部分浮出水面，活像一個浮標。當海浪上下波動時，活塞室中的空氣不斷受到壓縮和擴張，如同風箱一樣。受壓縮的空氣從露出海面的噴口中以極快的速度噴出，沖向渦輪機葉片，使它快速旋轉，從而帶動浮筒上面的發電機發電。繆特爾將發電裝置送到海里試驗，一會兒，浮筒上的燈果然亮了起來。繆特爾高興極了，他又對發電裝置做了一些改善，使發電性能更好。一個發電裝置可以發100千瓦的電，完全夠航標燈使用。

海洋波浪是由海上的風引起的海面上的水的運動。波浪的大小取決於風，風大浪就高，風小浪就低。在一個典型的海洋中部，8秒的周期里就能湧起15米高的波浪，而大風暴掀起的海浪可高達10米以上。奔騰起伏的海浪，蘊藏著巨大的能量。據科學家測試，海浪對海岸的沖擊力每平方米可達20～30噸，大的海浪甚至達到60噸。它像一個力大無窮的壯士，能將10多噸重的岩石拋到20～30米的高處，能把上千噸的混凝土防波堤連基沖垮，甚至還能把萬噸巨輪掀到岸上去。在1平方公里的海面上，一起一伏的海浪蘊藏著20萬千瓦的能量，全世界的波浪能總蘊藏量為109千瓦，是一筆巨大而取之不盡、用之不竭的能源。

波浪除了上下運動的能量外，還有橫向運動的能量和旋轉運動的能量。繆特爾的成功，激發了人們向海浪要能量的熱情，目前，世界上許多國家已經就不同方向運動的能量設計了不同的裝置進行試驗。

最常見的就是繆特爾發明的空氣活塞式波力發電機。單個的這種發電機發電能力有限，現在科學家建造了裝有許多個裝置的波力發電船。這種船長80米，寬12米，重500噸，裝有20個浮筒，在3米高海浪的水面上，能發電2000千瓦左右。

現在還研製出了一種固定式海岸波力發電裝置。它把空氣活塞室固定在海岸邊，通過管道內水面的升降來代替浮筒的上下，使活塞室內的空氣反復受到壓縮和擴張，從而將橫向運動的波能轉化為機械能，帶動發電機發電，每一個海岸固定式發電機容量為1000千瓦。

美、英、法、日等國在20世紀90年代還研製出一種更為經濟的發電裝置——氣袋式波力發電機。科學家們將一個個特製軟質氣袋浮漂在海面上，再用鏈狀軸將它們串連成排，如同一條橫跨海面的粗大膠管。海浪撲打氣袋，氣袋裡的空氣受到壓縮。被壓縮的空氣驅動空氣渦輪機，再帶動發電機發出電來。一套由4000個氣袋組成的波力發電裝置，可以發電2000萬千瓦。

最近，日本又開發出一種叫「人造環礁」的波力發電裝置，直徑達75米，好像一個巨大的油煎環餅，只有頂部露出水面。海浪沖擊環礁邊沿，並從中央噴口噴出，沖擊中間的渦輪機工作，發出電來。一個裝置的發電量為10萬千瓦。

自20世紀初期以來，人類就鍥而不舍地探求發掘波浪能的方法。到20世紀末，科學家們已卓有成效地研製出各種各樣的波力發電裝置。英國、美國、法國、日本、義大利等國已經開始利用波能發電，節省了大量能源。中國也在積極研製波力發電裝置，並已投入試驗。對於中國這樣一個有漫長海岸線的國家而言，光是大陸沿海就至少有12億千瓦的海浪能量等待我們去開發利用。

科學家們預計，21世紀初，波力發電裝置進一步改善以後，將大量投入使用。到21世紀中葉，波浪將與石油、煤、風、潮汐等能源一樣為人類服務。它不僅能讓航標燈發光，而且能將光明送到地球的多個角落，照亮人類的生活。

⑵ 淺談波浪能發電裝置發電機優化設計

淺談波浪能發電裝置發電機優化設計

引言：發電機的三相輸出接到風光互補控制器上，通過控制器可以得到48V的穩定電壓，可將穩定的電能存儲在蓄電池中。以下是我來淺談波浪能發電裝置發電機優化設計，希望對你們有幫助。

【論文摘要】 本文在上海海洋大學研製的“浪流一體化發電裝置”的基礎上，對其發電機進行了優化設計，去掉了發電機和水輪機的中間轉換裝置，滿足了海洋能直驅發電的形式，通過電機實驗室性能測試驗證了其可行性，提高了發電效率和可靠率，降低了維護成本，可以應用於實際生產中。

【關鍵詞】浪流一體化;發電裝置;發電機;優化設計;直驅發電

0 前言

上海海洋大學研製的“浪流一體化發電裝置”同時可以捕獲波浪和海流的向前的推力，在接受到海洋能量之後產生慣性而發生連續轉動;通過主軸帶動發電機旋轉而產生電能。為海洋觀測、島礁生活、海洋養殖、海水淡化等提供穩定的電能，並用於解決邊遠海域的國防設施、部分電網未覆蓋的有居民海島、偏遠無居民海島生態建設中的供電需求。本文以此發電裝置為研究對象，對其水輪機匹配的發電機進行了優化設計，克服了傳統的海洋能需要經過三個部分轉換的缺點，沒有齒輪箱，減少了傳動損耗，採用發電機輸出電壓穩定控制器，實現了浪輪機的輸出轉速穩定，提高了發電效率，降低了運行維護成本。尤其是在低轉速環境下，效果更加顯著。

1 研究對象與方法

本項目設計的發電機是滿足海洋能直驅發電形式的。然而，齒輪箱的存在卻成為制約海洋能發電機組發展的因素之一：機組運行過程中齒輪箱一直處於高速旋轉，增加了系統損耗，降低了能量利用率;海洋能發電機組往往安裝在海平面或海水之中，經受嚴寒酷暑，海水腐蝕、溫度變化大，環境條件惡劣，導致升速齒輪箱的工況嚴峻，維護保養工作量大;為了能適應惡劣的運行環境，齒輪箱畢竟造價昂貴，更由於海洋能能量多變，往往會造成過載，這樣就更容易損壞齒輪箱，使得系統運行成本增大。

因此，本設計取掉了中間轉換環節，水輪機主軸右端通過聯軸器和電機連接在一起，直接帶動電機發電，中間不經過任何環節，這就實現了絕對的直驅。本文研製海洋能直驅發電方式有以下幾個方面優點：

(1)提高了發電效率高。直驅式發電沒有齒輪箱，減少了傳動損耗，提高了發電效率，尤其是在低轉速環境下，效果更加顯著。

(2)提高了可靠性。直驅技術省去了齒輪箱及其附件，簡化了傳動結構，提高了機組的可靠性。同時，機組在低轉速下運行，旋轉部件少，可靠性更高。

(3)運行及維護成本低。採用無齒輪直驅技術可減少發電機組裝置零部件數量，避免齒輪箱油的定期更換，降低了運行維護成本。

然而，這樣的海洋能直驅發電方式就需要發電機具有低速運行的'特性，並且有較高的效率，更者要求發電機要能在海水中運行。

2 直驅發電機設計

2.1 直驅發電機結構設計

發電機採用盤式結構：波浪能單位體積所攜帶的能量有限，要能高效的收集這些能源，發電機則成為本裝置中能源轉換的關鍵設備之一。波浪能發電機，最多每分鍾幾百轉，因此發電機的技術指標、經濟性等決定本裝置在市場中的競爭力。常用發電機分為盤式和圓柱式兩種：圓柱式發電機的氣隙磁場延軸向分布，要想獲得較高的發電效率，圓柱式發電機必須運行在高速下，而盤式發電機的定轉子為平行結構，克服了圓柱式發電機定子包容轉子的結構缺點，軸向尺寸小，沒有疊片和鉚壓工序，工藝好，因此盤式發電機可以運行在低速條件下。因此發電機選用盤式發電機結構，能夠在低轉速下達到額定功率，從而滿足了波浪能發電系統對發電機的技術要求，提高了效率。

2.2 發電機輸出電壓穩定控制器設計

發電機的三相輸出接到風光互補控制器上，通過控制器可以得到48V的穩定電壓，可將穩定的電能存儲在蓄電池中。控制器的原理是將輸入的交流電流通過三相橋式全控整流電路轉化成直流電流，直流電流通過升降壓斬波電路將電壓輸出控制在48V。值得注意的是發電機轉速達到54r/min控制器輸出端才會有電流輸出。控制器如圖2所示，經過控制器流出的電流為直流，將控制器後面的電池組“+”“-”接到蓄電池的介面即可，反面細節如圖3所示。

2.3 直驅電機工作原理

2.3.1 三相橋式全控整流電路

在三相橋式全控整流電路中，如圖4所示，晶閘管KP1和KP4接a相，晶閘管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。晶閘管KP1、KP3、KP5組成共陰極組，而晶閘管KP2、KP4、KP6組成共陽極組。

2.3.2 升降壓斬波電路原理

如圖5所示為升降壓斬波電路原理，V通時，電源E經V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恆定並向負載R供電。V斷時，L的能量向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。

3 實驗分析

在實驗室中模擬不同工況水流下輪機所具有的轉數，並以可控轉數電動機帶動發電機測試其發電性能。為此，我們搭建了發電機測試平台。發電機測試平台如圖7所示，通過機架將發電機固定，通過聯軸器與感測器相連。在發電機測試平台中，右邊是直流電動機，模擬水輪機的作用，作為動力的出入。通過聯軸器與電動機相連的是感測器，這種感測器連接顯示屏後可以看到瞬態的扭矩、轉速、功率。其中功率可是為發電機的輸入功率，這樣我們測出輸出功率後可以得到發電機的效率。電阻箱、整流器與扭矩儀如圖8所示，扭矩儀上的3個顯示屏即為扭矩、轉速、功率。

發電機所發出的是三相交流電，三相交流電輸入電子測試平台，通過電子測試平台，可以得到三相交流電的瞬態電壓、電流、功率、功率因數。流出整流器的電流經過整流變為直流電流，流入功率計，並將滑動變阻箱串聯到整個電路中。

4 電機方案總結與展望

方案採用直驅式發電形式不僅增加了發電效率，而且提高的發電裝置的可靠性，無障礙運行時間滿足了要求。發電機採用盤式發電機結構，其能夠在低轉速下達到額定功率，從而滿足了波浪能發電系統對發電機的技術要求，提高了效率。裝置發出的三相交流電通過控制器後，經實際測量，電壓基本維持在48V左右，且為直流電，這將電能存儲到蓄電池中提供了條件，並最終達到了我們的要求。

但是發電機組安裝在海平面或海水之中，經受嚴寒酷暑，海水腐蝕、溫度變化大，環境條件惡劣，容易遭受海水腐蝕，因此今後可以做的研究方向還有以下幾個方面：

1)發電機本身要具有良好的機械密封設計，評估不同海水深度、壓力下密封系統的可靠性。研究海水環流條件下，涉海材料在淤泥、深海、淺海、浪花飛濺、海霧等不同區域環境下，其腐蝕規律，設計相應的耐腐蝕材料;

2)發電機外部可增設防水箱，使發電機與海水具有了隔離層，不僅達到了防水的效果，也使發電機無需浸泡在海水中。

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⑶ 波浪能與海流發電之間存在什麼聯系

即使在晴朗無風的日子裡，海面也是動盪不定的，波浪不停地拍打著海岸。波浪是由風吹海水而引起的。波浪能主要是由風的作用引起的海水沿水平方向周期性運動而產生的能量。波浪能是巨大的，一個巨浪就可以把13噸重的岩石拋出20米高。一個波高5米、波波浪發電示意圖

長100米的海浪，在一米長的波峰片上就具有3，120千瓦的能量，由此可以想像整個海洋的波浪所具有的能量該是多麼驚人。波浪能發電是利用波浪的推動力，使波浪轉化為推動空氣流動的壓力來推動空氣渦輪機葉片旋轉而帶動發電機發電。波浪發電設計方案最多，但是因為波浪能源分散，本身破壞力大，開發技術到現在為止還不成熟。據計算，全球海洋的波浪能達700億千瓦，可供開發利用的為20億～30億千瓦，每年發電量可達9萬億度。

我國對波浪能的研究始於20世紀70年代，在1975年曾研製成一台1千瓦的波力發電浮標。80年代以來該項研究獲得較快發展，我國成功研製航標燈用波能發電裝置，並根據不同航標燈的要求，開發了一系列產品，與日本合作研製的後彎管型浮標發電裝置，已向國外出口，該技術屬國際領先水平。1989年，我國第一座波力電站在南海大萬山島建成，裝機容量3千瓦。2000年，我國首座岸式波力發電工業示範電站——廣東汕尾100千瓦岸式波力發電站建成，標志著我國海洋波力發電技術已達到實用化水平和推廣應用的條件。

我國波力發電雖起步較晚，但發展很快。微型波力發電技術已成熟，小型岸式波力發電技術進入世界先進行列，但我國波浪能開發的規模遠小於挪威和英國。

大洋中的海水從來都不是靜止不動的，它像陸地上的河流那樣，長年累月沿著比較固定的路線流動著，這就是「海流」。不過，河流兩岸是陸地，而海流兩岸仍是海水，在一般情況下，用肉眼是很難看出來的。世界上最大的海流，有幾百公里寬、上千公里長、數百米深。大洋中的海流規模非常大。由於海流遍布大洋，縱橫交錯，川流不息，所以它們蘊藏的能量也是可觀的。例如世界上最大的暖流——墨西哥洋流，在流經北歐時為1厘米長的海岸線上提供的熱量大約相當於燃燒600噸煤的熱量。據估算世界上可利用的海流能約為0．5億千瓦，而且利用海流發電並不復雜，受到許多國家的重視。

1973年，美國試驗了一種名為「科里奧利斯」的巨型海流發電裝置。該裝置為管道式水輪發電機，機組長110米，管道口直徑170米，安裝在海面下30米處。在海流流速為2．3米／秒條件下，該裝置獲得8．3萬千瓦的功率。日本、加拿大也在大力研究試驗海流發電技術。我國的海流發電研究也有樣機進入中間試驗階段。

20世紀90年代以來，我國開始計劃建造海流能示範應用電站，在「八五」、「九五」科技攻關中均對海流能進行連續支持。目前，哈爾濱工程大學正在研建75千瓦的潮流電站。義大利與中國合作在舟山地區開展了聯合海流能資源調查，計劃開發140千瓦的示範電站。因此要海流做出貢獻還是有利可圖的事業，當然也是冒險的事業。

⑷ 波浪能的案例

大約15年前，美國俄勒岡州就著手開發利用波浪能，但由於當時技術限制，波浪能發展計劃未能順利進行；然而據《紐約時報》報道，隨著技術進步，美國首個獲得商業許可的並網波浪能發電裝置日前已經進入了最後的測試階段，計劃於2012年10月在俄勒岡州正式下水。該裝置由海洋電力技術公司設計，8月獲得了美國聯邦政府的批准，並網之後足以為1000戶家庭提供電力。

⑸ 波浪能的利用

全世界波浪利用的機械設計數以千計，獲得專利證書的也達數百件，因此波浪能利用被稱為「發明家的樂園」。
最早的波浪能利用機械發明專利是1799年法國人吉拉德父子獲得的。1854－1973年的119年間，英國登記了波浪能發明專利340項，美國為61項。在法國，則可查到有關波浪能利用技術的600種說明書。
早期海洋波浪能發電付諸實用的是氣動式波力裝置。道理很簡單，就是利用波浪上下起伏的力量，通過壓縮空氣，推動汲筒中的活塞往復運動而做功。1910年，法國人布索．白拉塞克在其海濱住宅附近建了一座氣動式波浪發電站，供應其住宅l000瓦的電力。這個電站裝置的原理是：與海水相通的密閉豎管中的空氣因波浪起伏而被壓縮或抽空稀薄，驅動活塞做往復運動，再轉換成發電機的旋轉運動而發出電力。
60年代，日本研製成功用於航標燈浮體上的氣動式波力發電裝置。此種裝置已經投入批量生產，產品額定功率從60瓦到500瓦不等。產品除日本自用外，還出口，成為僅有的少數商品化波能裝備之一。
該產品發電的原理就像一個倒置的打氣筒，靠波浪上下往復運動的力量吸、壓空氣，推動渦輪機發電。
中國波力發電研究成績也很顯著。70年代以來，上海、青島、廣州和北京的五六家研究單位開展了此項研究。用於航標燈的波力發電裝置也已投入批量生產。向海島供電的岸式波力電站也在試驗之中。
有關專家估計，用於海上航標和孤島供電的波浪發電設備有數十億美元的市場需求。這一估計大大促進了一些國家波力發電的研究。70年代以來，英國、日本、挪威等國為波力發電研究投入大量人力物力，成績也最顯著。英國曾計劃在蘇格蘭外海波浪場，大規模布設「點頭鴨」式波浪發電裝置，供應當時全英所需電力。這個雄心勃勃的計劃，後因裝置結構過於龐大復雜成本過高而暫時擱置。80年代，日本「海明」波浪發電試驗船取得年發電19萬度的良好成績，實現了海上浮體波浪電站向陸地小規模送電。日本已將「海明」波浪發電船列為「離島電源」的首選方案，繼續研究改進。