波浪能装置设计图

⑴ 海浪可以发电吗

在靠近港湾的近海，为了使船只安全进出港，总要设置很多航标灯为夜航船指引航向。以前的航标灯一般靠专人专船去安装或更换电池，非常麻烦，费用也很大。

1940年，英国工程师缪特尔发明了一种波浪发电机，利用海浪上下运动的力量驱动空气涡轮机发电，使航标灯点亮。它的原理并不复杂：当海浪上下波动时，浮体也上下运动，空气室中的空气不断受到压缩和扩张，如同风箱一样。受压缩的空气从露出海面的喷口处以极快的速度喷出，冲向涡轮机，使它快速旋转，这样就带动发电机发电了。

从此以后，绝大多数的航标灯都采用了这种装置。再也不用派人去为航标灯点亮了。

缪特尔工程师是一个善于思考的聪明人。他的别墅建在山上，经常停水，他便在别墅的房顶上设置了一个水池。他把一个家用的活塞式抽水机用连杆与别墅的大门连接在一起。每一个人推门进屋都可以给屋顶上的水池压上20千克的水。客人们到别墅来都抱怨缪特尔家的大门太重了，开门特别费劲，建议他修理一下。缪特尔总是笑着说：“不用修。这大门是我家水池抽水机的能源。你一推门，我用水就不犯愁了!”客人们了解内情后，都夸缪特尔会动脑筋。正是这种善于想窍门动脑筋的性格使缪特尔成为一个拥有多项专利的发明家。

缪特尔还是一个做事非常执著的人。他认准了的事，千方百计也要做成功。

鸡蛋能不能在光滑的桌面上立住。这是一个古老的问题。

人们都认为这是不可能的，但后来却找到了两种解决的办法。

一种是大家熟知的哥伦布解法。他把鸡蛋往桌子上一磕，蛋壳碎了，但是鸡蛋立住了。谁也没像哥伦布这么做过、想过，哥伦布做了，并体现了一种超常的创新探索精神。这正是发现“新大陆”所需要的精神。

另一种是比较科学的巧妙做法。将鸡蛋一旋，鸡蛋在旋转中也立住了。

此后的几百年间，人们只把这个问题当做“脑筋急转弯”的题来考孩子们。但还有一些人仍然不屈不挠地把它当作一个科学命题来研究。即：如果不把鸡蛋磕碎，也不旋转鸡蛋，鸡蛋能不能立住呢。

缪特尔就是这些“钻牛角尖”的人中的一个。他把鸡蛋放到显微镜下观察，发现蛋壳表面是个起伏不平的粗糙面：高处的平均高度是0.2毫米，高点的平均间距是0.8毫米。在铅笔芯那样大的面积内，至少有3个以上的高点。从物理学的原理讲，只要鸡蛋的重心垂线通过这3个点的中间，鸡蛋从理论上讲就可以立起来。缪特尔反复进行了无数次的实验，真的把鸡蛋完好无损地静止地立起来了。

缪特尔就是这么一个极富智慧又具有认真分析观察态度的科学家。

有一次，缪特尔从英国乘海轮到法国去。傍晚时分，他看到航标工们驾着小船去给航标灯更换电池。他想，海浪一起一伏的动力，为什么不利用来发电，解决航标灯的电源呢。从此，他与海浪结下了不解之缘，常常一个人坐在海边观察海浪，思索如何将上下运动的波能转变成高速旋转运动的机械能，从而带动发电机发出电力。有一天傍晚，他在海边呆久了，直到下起了小雨，他才匆匆往回赶。路途中，雨越下越大，缪特尔躲进一家铁匠铺避雨。看着铁匠太太的手一进一出地扯动风箱，他不禁心中一动。他冒雨冲回家中，连夜在地下室里干了起来。经过3天的奋战，缪特尔造出了像风箱一样的空气活塞式波浪发电装置。

这个发电装置有一个直径60厘米、长4米的圆筒，上面设有两个活塞室，垂直沉下海去，部分浮出水面，活像一个浮标。当海浪上下波动时，活塞室中的空气不断受到压缩和扩张，如同风箱一样。受压缩的空气从露出海面的喷口中以极快的速度喷出，冲向涡轮机叶片，使它快速旋转，从而带动浮筒上面的发电机发电。缪特尔将发电装置送到海里试验，一会儿，浮筒上的灯果然亮了起来。缪特尔高兴极了，他又对发电装置做了一些改善，使发电性能更好。一个发电装置可以发100千瓦的电，完全够航标灯使用。

海洋波浪是由海上的风引起的海面上的水的运动。波浪的大小取决于风，风大浪就高，风小浪就低。在一个典型的海洋中部，8秒的周期里就能涌起15米高的波浪，而大风暴掀起的海浪可高达10米以上。奔腾起伏的海浪，蕴藏着巨大的能量。据科学家测试，海浪对海岸的冲击力每平方米可达20～30吨，大的海浪甚至达到60吨。它像一个力大无穷的壮士，能将10多吨重的岩石抛到20～30米的高处，能把上千吨的混凝土防波堤连基冲垮，甚至还能把万吨巨轮掀到岸上去。在1平方公里的海面上，一起一伏的海浪蕴藏着20万千瓦的能量，全世界的波浪能总蕴藏量为109千瓦，是一笔巨大而取之不尽、用之不竭的能源。

波浪除了上下运动的能量外，还有横向运动的能量和旋转运动的能量。缪特尔的成功，激发了人们向海浪要能量的热情，目前，世界上许多国家已经就不同方向运动的能量设计了不同的装置进行试验。

最常见的就是缪特尔发明的空气活塞式波力发电机。单个的这种发电机发电能力有限，现在科学家建造了装有许多个装置的波力发电船。这种船长80米，宽12米，重500吨，装有20个浮筒，在3米高海浪的水面上，能发电2000千瓦左右。

现在还研制出了一种固定式海岸波力发电装置。它把空气活塞室固定在海岸边，通过管道内水面的升降来代替浮筒的上下，使活塞室内的空气反复受到压缩和扩张，从而将横向运动的波能转化为机械能，带动发电机发电，每一个海岸固定式发电机容量为1000千瓦。

美、英、法、日等国在20世纪90年代还研制出一种更为经济的发电装置——气袋式波力发电机。科学家们将一个个特制软质气袋浮漂在海面上，再用链状轴将它们串连成排，如同一条横跨海面的粗大胶管。海浪扑打气袋，气袋里的空气受到压缩。被压缩的空气驱动空气涡轮机，再带动发电机发出电来。一套由4000个气袋组成的波力发电装置，可以发电2000万千瓦。

最近，日本又开发出一种叫“人造环礁”的波力发电装置，直径达75米，好像一个巨大的油煎环饼，只有顶部露出水面。海浪冲击环礁边沿，并从中央喷口喷出，冲击中间的涡轮机工作，发出电来。一个装置的发电量为10万千瓦。

自20世纪初期以来，人类就锲而不舍地探求发掘波浪能的方法。到20世纪末，科学家们已卓有成效地研制出各种各样的波力发电装置。英国、美国、法国、日本、意大利等国已经开始利用波能发电，节省了大量能源。中国也在积极研制波力发电装置，并已投入试验。对于中国这样一个有漫长海岸线的国家而言，光是大陆沿海就至少有12亿千瓦的海浪能量等待我们去开发利用。

科学家们预计，21世纪初，波力发电装置进一步改善以后，将大量投入使用。到21世纪中叶，波浪将与石油、煤、风、潮汐等能源一样为人类服务。它不仅能让航标灯发光，而且能将光明送到地球的多个角落，照亮人类的生活。

⑵ 浅谈波浪能发电装置发电机优化设计

浅谈波浪能发电装置发电机优化设计

引言：发电机的三相输出接到风光互补控制器上，通过控制器可以得到48V的稳定电压，可将稳定的电能存储在蓄电池中。以下是我来浅谈波浪能发电装置发电机优化设计，希望对你们有帮助。

【论文摘要】 本文在上海海洋大学研制的“浪流一体化发电装置”的基础上，对其发电机进行了优化设计，去掉了发电机和水轮机的中间转换装置，满足了海洋能直驱发电的形式，通过电机实验室性能测试验证了其可行性，提高了发电效率和可靠率，降低了维护成本，可以应用于实际生产中。

【关键词】浪流一体化;发电装置;发电机;优化设计;直驱发电

0 前言

上海海洋大学研制的“浪流一体化发电装置”同时可以捕获波浪和海流的向前的推力，在接受到海洋能量之后产生惯性而发生连续转动;通过主轴带动发电机旋转而产生电能。为海洋观测、岛礁生活、海洋养殖、海水淡化等提供稳定的电能，并用于解决边远海域的国防设施、部分电网未覆盖的有居民海岛、偏远无居民海岛生态建设中的供电需求。本文以此发电装置为研究对象，对其水轮机匹配的发电机进行了优化设计，克服了传统的海洋能需要经过三个部分转换的缺点，没有齿轮箱，减少了传动损耗，采用发电机输出电压稳定控制器，实现了浪轮机的输出转速稳定，提高了发电效率，降低了运行维护成本。尤其是在低转速环境下，效果更加显著。

1 研究对象与方法

本项目设计的发电机是满足海洋能直驱发电形式的。然而，齿轮箱的存在却成为制约海洋能发电机组发展的因素之一：机组运行过程中齿轮箱一直处于高速旋转，增加了系统损耗，降低了能量利用率;海洋能发电机组往往安装在海平面或海水之中，经受严寒酷暑，海水腐蚀、温度变化大，环境条件恶劣，导致升速齿轮箱的工况严峻，维护保养工作量大;为了能适应恶劣的运行环境，齿轮箱毕竟造价昂贵，更由于海洋能能量多变，往往会造成过载，这样就更容易损坏齿轮箱，使得系统运行成本增大。

因此，本设计取掉了中间转换环节，水轮机主轴右端通过联轴器和电机连接在一起，直接带动电机发电，中间不经过任何环节，这就实现了绝对的直驱。本文研制海洋能直驱发电方式有以下几个方面优点：

(1)提高了发电效率高。直驱式发电没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率，尤其是在低转速环境下，效果更加显著。

(2)提高了可靠性。直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。同时，机组在低转速下运行，旋转部件少，可靠性更高。

(3)运行及维护成本低。采用无齿轮直驱技术可减少发电机组装置零部件数量，避免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本。

然而，这样的海洋能直驱发电方式就需要发电机具有低速运行的'特性，并且有较高的效率，更者要求发电机要能在海水中运行。

2 直驱发电机设计

2.1 直驱发电机结构设计

发电机采用盘式结构：波浪能单位体积所携带的能量有限，要能高效的收集这些能源，发电机则成为本装置中能源转换的关键设备之一。波浪能发电机，最多每分钟几百转，因此发电机的技术指标、经济性等决定本装置在市场中的竞争力。常用发电机分为盘式和圆柱式两种：圆柱式发电机的气隙磁场延轴向分布，要想获得较高的发电效率，圆柱式发电机必须运行在高速下，而盘式发电机的定转子为平行结构，克服了圆柱式发电机定子包容转子的结构缺点，轴向尺寸小，没有叠片和铆压工序，工艺好，因此盘式发电机可以运行在低速条件下。因此发电机选用盘式发电机结构，能够在低转速下达到额定功率，从而满足了波浪能发电系统对发电机的技术要求，提高了效率。

2.2 发电机输出电压稳定控制器设计

发电机的三相输出接到风光互补控制器上，通过控制器可以得到48V的稳定电压，可将稳定的电能存储在蓄电池中。控制器的原理是将输入的交流电流通过三相桥式全控整流电路转化成直流电流，直流电流通过升降压斩波电路将电压输出控制在48V。值得注意的是发电机转速达到54r/min控制器输出端才会有电流输出。控制器如图2所示，经过控制器流出的电流为直流，将控制器后面的电池组“+”“-”接到蓄电池的接口即可，反面细节如图3所示。

2.3 直驱电机工作原理

2.3.1 三相桥式全控整流电路

在三相桥式全控整流电路中，如图4所示，晶闸管KP1和KP4接a相，晶闸管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，而晶闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。

2.3.2 升降压斩波电路原理

如图5所示为升降压斩波电路原理，V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。

3 实验分析

在实验室中模拟不同工况水流下轮机所具有的转数，并以可控转数电动机带动发电机测试其发电性能。为此，我们搭建了发电机测试平台。发电机测试平台如图7所示，通过机架将发电机固定，通过联轴器与传感器相连。在发电机测试平台中，右边是直流电动机，模拟水轮机的作用，作为动力的出入。通过联轴器与电动机相连的是传感器，这种传感器连接显示屏后可以看到瞬态的扭矩、转速、功率。其中功率可是为发电机的输入功率，这样我们测出输出功率后可以得到发电机的效率。电阻箱、整流器与扭矩仪如图8所示，扭矩仪上的3个显示屏即为扭矩、转速、功率。

发电机所发出的是三相交流电，三相交流电输入电子测试平台，通过电子测试平台，可以得到三相交流电的瞬态电压、电流、功率、功率因数。流出整流器的电流经过整流变为直流电流，流入功率计，并将滑动变阻箱串联到整个电路中。

4 电机方案总结与展望

方案采用直驱式发电形式不仅增加了发电效率，而且提高的发电装置的可靠性，无障碍运行时间满足了要求。发电机采用盘式发电机结构，其能够在低转速下达到额定功率，从而满足了波浪能发电系统对发电机的技术要求，提高了效率。装置发出的三相交流电通过控制器后，经实际测量，电压基本维持在48V左右，且为直流电，这将电能存储到蓄电池中提供了条件，并最终达到了我们的要求。

但是发电机组安装在海平面或海水之中，经受严寒酷暑，海水腐蚀、温度变化大，环境条件恶劣，容易遭受海水腐蚀，因此今后可以做的研究方向还有以下几个方面：

1)发电机本身要具有良好的机械密封设计，评估不同海水深度、压力下密封系统的可靠性。研究海水环流条件下，涉海材料在淤泥、深海、浅海、浪花飞溅、海雾等不同区域环境下，其腐蚀规律，设计相应的耐腐蚀材料;

2)发电机外部可增设防水箱，使发电机与海水具有了隔离层，不仅达到了防水的效果，也使发电机无需浸泡在海水中。

【参考文献】

[1]游亚戈.我国海洋波浪能的发展进展[J].中国科技成果，2006(2)：17-19.

[2]李允武.海洋能源开发[M].海洋出版社，2008.

[3]盛松伟，游亚戈，马玉久.一种波浪能实验装置水动力学分析与优化设计[J].海洋工程，2006，24(3)：107-112.

[4]张峰，游亚戈，吴必军，李甫杰.中国海洋能专利研究[J].可再生能源，2007，25(2)：79-81.

⑶ 波浪能与海流发电之间存在什么联系

即使在晴朗无风的日子里，海面也是动荡不定的，波浪不停地拍打着海岸。波浪是由风吹海水而引起的。波浪能主要是由风的作用引起的海水沿水平方向周期性运动而产生的能量。波浪能是巨大的，一个巨浪就可以把13吨重的岩石抛出20米高。一个波高5米、波波浪发电示意图

长100米的海浪，在一米长的波峰片上就具有3，120千瓦的能量，由此可以想象整个海洋的波浪所具有的能量该是多么惊人。波浪能发电是利用波浪的推动力，使波浪转化为推动空气流动的压力来推动空气涡轮机叶片旋转而带动发电机发电。波浪发电设计方案最多，但是因为波浪能源分散，本身破坏力大，开发技术到现在为止还不成熟。据计算，全球海洋的波浪能达700亿千瓦，可供开发利用的为20亿～30亿千瓦，每年发电量可达9万亿度。

我国对波浪能的研究始于20世纪70年代，在1975年曾研制成一台1千瓦的波力发电浮标。80年代以来该项研究获得较快发展，我国成功研制航标灯用波能发电装置，并根据不同航标灯的要求，开发了一系列产品，与日本合作研制的后弯管型浮标发电装置，已向国外出口，该技术属国际领先水平。1989年，我国第一座波力电站在南海大万山岛建成，装机容量3千瓦。2000年，我国首座岸式波力发电工业示范电站——广东汕尾100千瓦岸式波力发电站建成，标志着我国海洋波力发电技术已达到实用化水平和推广应用的条件。

我国波力发电虽起步较晚，但发展很快。微型波力发电技术已成熟，小型岸式波力发电技术进入世界先进行列，但我国波浪能开发的规模远小于挪威和英国。

大洋中的海水从来都不是静止不动的，它像陆地上的河流那样，长年累月沿着比较固定的路线流动着，这就是“海流”。不过，河流两岸是陆地，而海流两岸仍是海水，在一般情况下，用肉眼是很难看出来的。世界上最大的海流，有几百公里宽、上千公里长、数百米深。大洋中的海流规模非常大。由于海流遍布大洋，纵横交错，川流不息，所以它们蕴藏的能量也是可观的。例如世界上最大的暖流——墨西哥洋流，在流经北欧时为1厘米长的海岸线上提供的热量大约相当于燃烧600吨煤的热量。据估算世界上可利用的海流能约为0．5亿千瓦，而且利用海流发电并不复杂，受到许多国家的重视。

1973年，美国试验了一种名为“科里奥利斯”的巨型海流发电装置。该装置为管道式水轮发电机，机组长110米，管道口直径170米，安装在海面下30米处。在海流流速为2．3米／秒条件下，该装置获得8．3万千瓦的功率。日本、加拿大也在大力研究试验海流发电技术。我国的海流发电研究也有样机进入中间试验阶段。

20世纪90年代以来，我国开始计划建造海流能示范应用电站，在“八五”、“九五”科技攻关中均对海流能进行连续支持。目前，哈尔滨工程大学正在研建75千瓦的潮流电站。意大利与中国合作在舟山地区开展了联合海流能资源调查，计划开发140千瓦的示范电站。因此要海流做出贡献还是有利可图的事业，当然也是冒险的事业。

⑷ 波浪能的案例

大约15年前，美国俄勒冈州就着手开发利用波浪能，但由于当时技术限制，波浪能发展计划未能顺利进行；然而据《纽约时报》报道，随着技术进步，美国首个获得商业许可的并网波浪能发电装置日前已经进入了最后的测试阶段，计划于2012年10月在俄勒冈州正式下水。该装置由海洋电力技术公司设计，8月获得了美国联邦政府的批准，并网之后足以为1000户家庭提供电力。

⑸ 波浪能的利用

全世界波浪利用的机械设计数以千计，获得专利证书的也达数百件，因此波浪能利用被称为“发明家的乐园”。
最早的波浪能利用机械发明专利是1799年法国人吉拉德父子获得的。1854－1973年的119年间，英国登记了波浪能发明专利340项，美国为61项。在法国，则可查到有关波浪能利用技术的600种说明书。
早期海洋波浪能发电付诸实用的是气动式波力装置。道理很简单，就是利用波浪上下起伏的力量，通过压缩空气，推动汲筒中的活塞往复运动而做功。1910年，法国人布索．白拉塞克在其海滨住宅附近建了一座气动式波浪发电站，供应其住宅l000瓦的电力。这个电站装置的原理是：与海水相通的密闭竖管中的空气因波浪起伏而被压缩或抽空稀薄，驱动活塞做往复运动，再转换成发电机的旋转运动而发出电力。
60年代，日本研制成功用于航标灯浮体上的气动式波力发电装置。此种装置已经投入批量生产，产品额定功率从60瓦到500瓦不等。产品除日本自用外，还出口，成为仅有的少数商品化波能装备之一。
该产品发电的原理就像一个倒置的打气筒，靠波浪上下往复运动的力量吸、压空气，推动涡轮机发电。
中国波力发电研究成绩也很显著。70年代以来，上海、青岛、广州和北京的五六家研究单位开展了此项研究。用于航标灯的波力发电装置也已投入批量生产。向海岛供电的岸式波力电站也在试验之中。
有关专家估计，用于海上航标和孤岛供电的波浪发电设备有数十亿美元的市场需求。这一估计大大促进了一些国家波力发电的研究。70年代以来，英国、日本、挪威等国为波力发电研究投入大量人力物力，成绩也最显著。英国曾计划在苏格兰外海波浪场，大规模布设“点头鸭”式波浪发电装置，供应当时全英所需电力。这个雄心勃勃的计划，后因装置结构过于庞大复杂成本过高而暂时搁置。80年代，日本“海明”波浪发电试验船取得年发电19万度的良好成绩，实现了海上浮体波浪电站向陆地小规模送电。日本已将“海明”波浪发电船列为“离岛电源”的首选方案，继续研究改进。