1 引言

随着全球能源需求的不断增加以及传统化石能源的日益枯竭，开发清洁、可再生的海洋能源成为解决能源危机的重要途径。波浪能是海洋能中蕴藏最为丰富的能源之一，具有巨大的开发利用潜力。波浪能发电得到了大量的关注，但目前并没有得到广泛应用，现有的波浪发电技术（装备）存在发电效率低、转换环节多、易受海浪破坏、维护成本高等问题。本文基于海洋波浪运动的基本特性，提出并设计了一种基于波浪能的浮板式发电装备。

2 设计技术路线

海水波浪所蕴含的能量作为绿色能源取之不尽，设计思路是要尽可能将波浪携带的能量进行捕捉，并通过转化系统与传动系统进行高效的转化和动能传递，再进一步转化为人类能够利用的能量形式。

基于波浪运动的特点是上下起伏运动为主，我们考虑采用大型浮板随波浪的起伏运动捕获波浪能，再通过多连杆机构进行增力并改变运动形式，将波浪的横摇式运动转变为垂荡式运动。通过特殊设计的单向流动四孔液压缸系统（转化设备）将捕获的能量转化为流体动能，然后通过传动系统和发电设备转化为电能。为增加装备的发电功率，我们采用了多组浮板连杆协同工作的模式。

设计技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

3 装备结构设计

基于波浪能的浮板式发电装备工作原理如图2所示。

1-浮板；2-连杆；3-过滤器；4-单向阀；5-液压缸；6-水压调节罐；7-液压马达；8-锥齿轮；9-增速器；10-联轴器；10-发电装置

图2 发电装备工作原理

装备主要由能量捕捉机构（浮板）、能量转换系统（液压缸）、传动系统（液压马达、锥齿轮、增速器）及发电设备四个部分组成。工作时浮板悬浮在海水水面上，海水流动产生的波浪使得浮板上下浮动；浮板机构的摆动经过连杆使液压缸活塞杆上下移动；活塞杆上下移动均可使液压缸内的海水通过管道压入水压调节罐，即浮板上下浮动可将海水压入水压调节罐中。经调节罐调节后的海水压入液压马达中，使得液压马达旋转。液压马达的旋转通过锥齿轮传动实现垂直转向，然后通过齿轮增速机构实现增速；最后，增速器与发电装置通过联轴器相连，实现发电功能。

3.1 浮板捕捉机构设计

浮板是整个发电装备的驱动部分，也是海水波浪动能的捕捉部分，海水波浪的运动形式多样，运动的具体参数及路径不确定。浮板可以漂浮在海面之上并随着波浪运动，能较为准确的反映波浪的运动形式，因此采用浮板作为波浪动能捕捉设备，并将浮板捕捉的波浪动能通过连杆机构高效地将波浪的不规则运动转为浮板的摆动，以便于后续装备的能量转化。浮板捕捉波浪能量原理如图3所示。

图3浮板捕捉原理图

浮板捕捉机构的结构如图4所示。浮板1通过转动副与基座4相连，浮板捕捉波浪的能量传递到连杆3上，进而传递到下一级装置；浮板上表面设置太阳能板2，可随时吸收太阳能。

1-浮板；2-太阳能板；3-连杆；4-固定基座

图4浮板捕捉机构结构图

3.2 单向流动四孔液压缸系统

单向流动四孔液压缸系统是波浪能量捕捉的下一级装置，起到能量转化的作用，主要是将浮板捕捉的波浪动能转化为海水的压力能。

单向流动四孔液压缸系统的结构如图5所示。连杆3将上一级捕获的能量传递到活塞杆1上，进而实现活塞杆的上下运动。液压缸上设置四个孔，每个孔连接一个单向阀4，同时进水孔的单向阀前连接海水过滤器2，实现海水的单向流动。

工作原理为：

当活塞杆向上运动时，海水经由左下过滤器过滤后经过单向阀进入无杆腔室，而有杆腔室中的海水由右上孔流出；

当活塞杆向下运动时，海水从左上过滤器过滤后经过单向阀进入有杆腔室，无杆腔室中的海水由右下孔流出。

上述运动模式保证了无论活塞杆向上或向下运动，都能保证时刻有海水进出液压缸，实现双向运动的捕捉和利用。

1-活塞杆；2-海水过滤器；3-连杆；4-单向阀；5-缸体

图5 单向流动四孔液压缸结构图

3.3 水压调节罐

海水波浪的运动幅度不可控制，进而由液压缸流出的海水水量是不确定的，但需要使流入传动系统的水压稳定不变，因此需要设计水压调节罐调节海水流出的压力。水压调节罐的结构如图6所示，海水经汇水管1流入水压调节罐2进行水压调节，当流入的海水水压较大时，使水压降低，起到缓冲的作用；当流入的海水水压较小时，使水压增大，随后经出水管3流出。

1-汇水管；2-水压调节罐；3-出水管

图6水压调节罐结构图

3.4 升降台

考虑到海水涨潮与退潮海平面高度差异较大，设计了专用的升降装置，升降台目的是调节装备距离海平面的高度，升降台能够使浮板随时漂浮在水面上，进而保证装备能够持续工作，实现不间断的发电。升降台结构如图7所示，下台板3固定在海床，上台板4由支架2和中间轴5支撑，牵引绳4通过滑轮6连接在中间轴与电机上。下台板设有压力传感器，能够监测浮板与海平面间的距离，将监测结果实时反馈到电机中，实现升降台的升降。

1-上台板；2-支架；3-下台板；4-牵引绳；5-中间轴；6-滑轮

图7 升降台结构图

3.5 整体结构设计

装备的装配图如图8所示。波浪动能捕获装置采用四组并联布置，浮板连杆上一转动副与浮板基座转动副连接，另一个转动副与液压缸的液压杆连接，以此实现能量之间的捕捉与转化；四组液压缸通过一组导水管将海水汇集到水压调节罐；进一步通过汇水管将海水传送到液压马达中，海水推动液压马达转动并通过一对锥齿轮完成传动方向的转变，并且锥齿轮与二级增速器相连；通过增速器增速后将能量传递到发电装置，进而完成波浪动能到电能的转化。水压调节罐、二级增速器、发电设备及电机布置在固定箱中并使其位于海面之上。除此之外，充分利用装备的额外空间，将太阳能板布置在浮板与固定箱表面，也可实现发电功能。

图8装备装配图

4 结论

本文对波浪能发电装备现状进行了调研分析，设计了一种基于波浪能的浮板式发电装备，主要包括能量捕捉机构（浮板）、能量转换系统（单向流动四孔液压缸）、传动系统（液压马达、锥齿轮、增速器）及发电设备，该发电装备可以实现稳定、高效、低成本的发电。

参考文献

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