徐丙州，臧天朔，王泽豪，张文博

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉430070）

波浪能是海洋能中最主要的能源之一，其波能能量密度高，是风能的4～30 倍，且其受天气影响较小。中国沿海波浪能平均理论功率高，约是中国电力常量一半。但是现有的波浪能发电设备往往只能对波浪能的某一种形式进行收集，且多是早期的设计，结构笨重，转换效率低，约为10%～35%。基于以上背景，设计了一款综合利用波浪势能与流能的发电装置。

1 设计方案

本项目主要通过文丘里管对垂直方向低速高能的波浪进行加速，实现波能转换；利用自动开合叶片对海平面附近的流能进行收集，不同方向的波浪能经过齿轮调速模块调整方向之后传递到输出轴，同轴的两个输出模块的能量经过逆向差速器之后传递到发电机组，从而实现波浪能发电。整体装置如图1 所示。

图1 整体装置简图

本装置主要由势能收集模块、流能收集模块、齿轮调速模块、差速整合模块组成。

1.1 势能收集模块

势能收集模块由浮子、文丘里管两部分组成。文丘里管随浮子上下浮动，实现势能的收集，其内部为涡轮机与齿轮调速模块结合的装置。

1.1.1 浮子

本作品的浮子选择圆锥形浮体，浮子受到海浪的冲击，带动文丘里管上下浮动。

在海洋中，浮子会随着波浪进行上下起伏运动，主要利用的是垂直方向波浪能，因此在计算浮体的波浪力时只考虑垂直波浪力。

由振荡浮体吸收的波浪能一部分转化为浮体在不同位置的势能，一部分转化为浮体垂荡运动的动能，且两者可以相互转化。所以，浮体吸收的波浪能可以用浮体的机械能表示为：

式（1）中：M 为浮体的质量；A0为浮体垂荡运动的振幅。

从AQWA 软件的仿真实验中得到，在质量、体积、平衡位置截面积、入射波相同的情况下，圆锥形浮体吸收的波浪能最多[2]，因此，本作品选择圆锥形浮体。

1.1.2 文丘里管提速模块

本装置文丘里管与喉道处内置涡轮叶片可以产生相对转动。

该部分将安放于海平面以下30～40 m 处[2]，上方浮子浮在水面。由于垂直方向波浪流速较小，具有低速高能的特点[1]，所以采用文丘里管提速模块。当波浪发生起伏时，浮子带动文丘里管上下浮动，此时由于深处的海水较为稳定，会有水流通过文丘里管装置内部，带动涡轮叶片旋转。

长径比和面积比是影响文丘里管内涡轮机转速的两大因素，L 为文丘里管收缩段长度，d 为文丘里管喉部直径。实验表明，涡轮机转速约在长径比L/d=1.5 处取得极大值，涡轮机转速增加约40%[3]；面积比A1/A2=8.27 时，可使涡轮机转速增加50%左右。收缩管锥度以α表示，喉段收缩比为小圆半径与大圆半径之比[3]。由试验结果分析可以看出，当收缩管锥度为50°、喉段收缩比为5/12 时进水量达到最大值，因此，收缩比与锥度设计为5/12 和50°。

1.1.3 齿轮调速模块

由于文丘里管会上下浮动，所以涡轮机对轴的动力输出方向不能确定，而流能收集模块对轴的动力输出方向是始终保持不变的，所以对其旋转方向进行调整。该模块利用棘轮与齿轮相互配合，当涡轮顺时针旋转时棘轮A 啮合，B 空转，反之亦然。此模块可使轴的转向在任何时候都保持不变，与自动开合叶片动力输入方向保持一致，可以使动力输出更平稳，提高发电效率。整套齿轮结构将置于涡轮机叶片与轴的连接处。

1.2 流能收集模块

流能收集模块利用海水在水平方向的流动趋势，通过自动开合叶片，提高对海水能量的利用效率，其由自动开合叶片和输出动力轴系组成。自动开合叶片装置如图2 所示。

图2 自动开合叶片装置图

本作品的自动开合叶片为被动式，利用波浪的阻力实现开合。如图2 所示，A 侧为迎浪侧，当受到波浪的冲击时，两块合页会被撑开，使受力面积变大；B 侧为背浪侧，在波浪的冲击下趋向于闭合。

由于此处流速比深处的海水流速大，所以水平捕能装置将放置在浮子下方靠近海平面处。

1.3 差速整合模块

差速整合模块由两个不同动力输入轴和中间行星轮组成。利用差速器的逆向运行，整合两动力输入轴的扭矩，输出到电机主轴上。差速器如图3 所示。

图3 差速器

该装置放于电机轴与动力轴的连接处。C 动力输入轴为涡轮机动力轴，D 动力输入轴为自动开合叶片动力轴，两轴旋转方向相同但是转速不同。D 轴中空，内径略大于C 轴，C 轴穿过D 轴传输动力，通过中间的行星轮E 实现差速整合。

差速器是一种传动机构，用于两输出轴间分配扭矩，并保证两输出轴可以以不同的角速度转动，保证各半轴的动力传递。本作品设计了新的差速器结构，利用差速器的逆向运行，实现了扭矩的整合，将两输入轴的不同角速度整合到单个输出轴上。

当装置工作时，流能和势能两收集装置产生的动力轴角速度不同，产生的扭矩不同。逆向差速器通过行星轮的自转消除差速，通过公转将动力输出，实现动力的整合。

2 理论分析

海洋表面存在浪高差异，会带动浮子和文丘里管加速模块上下浮动，进而推动涡轮机旋转。由于该模块上下两侧入口处的横截面积较大，而喉管处的横截面积较小，所以当流量一定时，低速高能的水流通过喉管会被加速，从而实现波浪势能的高效利用。

据计算，在波高H=1.5 m，波长λ=56.178 m，波峰长度B=3 m 时，该装置垂直方向的效率为：

水平方向海浪冲击自动开合叶片，使得叶片旋转。使用多组并联式结构可以在提高发电功率的同时提高其稳定性，实现波浪流能的收集。该装置水平方向的效率为：

势能收集模块与流能收集模块通过逆向差速器整合扭矩，总动力轴输出动力，实现波浪能发电。

3 结语

本作品采用新型逆向差速器结构，综合利用了海洋中的波浪势能与流能，解决了传统海上发电装置工作方式单一、能量利用率较低的问题，提高了海上发电设备的工作效率。整体结构较为简单，制造成本与维修费用低，兼具安装位置受限小、海上适应能力强、发电效率高等优点，安装的规模不受限制，在近海和深海都可以使用。在海上作业供电、海岸居民用电等方面具有较为广阔的开发前景。