钟小龙1 叶荣春 熊正烨

(1.广东海洋大学农学院，广东 湛江 524088; 2.广东海洋大学电子与信息工程学院，广东 湛江 524088)

1 概 述

海洋中的波浪能利用潜力巨大，全球可利用的波浪能估计高达1亿～10亿kW[1]。中国理论上可利用的波浪能高达7000万kW，相当于数十个葛洲坝工程发电量[2]。从1799 年法国的吉拉德父子获得了首项波浪能发电专利开始，各国纷纷研究波浪能转换装置。随后英国索尔特发明了点头鸭式装置，科克里尔发明了波面阀式装置，考文垂理工学院发明了海蚌式装置[3-4]。

波浪能的发电方式按中间能量转换环节主要分为机械式、气动式和液压式三大类。从工程性质上主要分为振荡浮子式、越浪式、振荡水柱式三种类型，其中浮子式和水柱式对海况要求不高。越浪式一般用于潮汐能发电。越浪式波浪能发电本质是利用水的重力势能发电，它对海况要求较高，必须靠近海岸线建设。振荡浮子式和振荡水柱式对海况要求不高，很小的波浪能也发电。但是由于海况复杂而且波浪变化莫测，极端天气的降临都加大了发电装置的负载，波浪时快时慢增大了对齿轮和传动轴的考验。由于水柱式发电机对于横向的波浪能转换的效率比较低，因此振荡浮子式发电机是目前最具应用前景的波浪发电装置[5]。本文对现有的振荡浮子式发电机做了一些改进，设计了一种摇摆式波浪发电装置，可提高发电机使用寿命。

2 设计原理

为提高系统安全性，将发电装置(见图1)固定于水面上方，使之不与海水接触，这样可以提高发电系统的安全性。将俘获波浪能的浮子和传动部分置于波浪冲击水平面，这样只有部分机械装置与海水有接触，避免电气部分与海水接触，便于电气维护和水下构件的维护和更换。浮子在波浪的驱动下摆动带动齿轮，齿轮通过传动装置带动发电机转轴发电。

图1 改进的振荡浮子式发电装置示意

3 实验结果与数据分析

为了评估发电装置的转化效率，将发电装置置于水槽中。水槽注入水后，以起浪器起浪。浪高约为4cm，周期为0.5s。由于受波浪冲击的泡木板(图1中的浮子)宽度l为16cm，发电装置受波浪冲击的功率可由下式计算[6-7]：

(1)

式中p——波浪单位长度线(垂直于波传播线，或沿波面上)上波浪的平均功率；

ρ——水的密度；

g——重力加速度；

Hm0——主浪浪高；

T——主浪周期。

代入数据可得冲击发电装置的波浪的平均功率约为61.2mW。

以图2所示电路完成相应测量。图2中R1为变阻箱，用作输出电阻，POW1为发电装置，图中没有标注发电机的内阻(测量得到发电机及电路导线的总内电阻为25Ω)，整流电路用二极管表示。保持波浪主频率不变，水箱中起浪水波的幅度不变(约为4cm)。改变电阻箱的电阻，所得测量数据见表1。

图2 转化效率的测量电路

RL/ΩUL/VPout/mWPE/mWη/%50.13±0.033.4±1.520.4±9.333±15100.27±0.077.8±3.727±1344±21200.30±0.024.4±0.79.9±1.516±3500.43±0.103.9±1.85.8±2.79.5±4.41000.49±0.052.46±0.483.08±0.595.0±0.92000.68±0.162.4±1.22.7±1.34.4±2.15000.84±0.141.48±0.461.55±0.482.5±0.810000.90±0.120.82±0.210.84±0.211.4±0.4

表1中，RL为负载电阻，UL为输出电压，即负载的端电压；Pout为负载的功率；PE为发电机的总电功率，η为发电机模型的功电转化效率。发电机系统的总电功率是内阻消耗的功率加上外接电阻的功率。总电功率可由下式表示：

PE=I2R=I2(r+RL)

(2)

式中r——发电机线圈的内阻；

RL——外接电阻；

I——流过电阻的电流。

4 效率与功率的讨论

4.1 功电转化效率讨论

由总电功率除以波浪的平均功率得到发电机系统的功电转化效率(功电转化效率随外接电阻的变化规律见图3)。

图3 发电机系统功电转化效率随外接电阻的变化

由图3可以看出，在外接电阻比较小(小于20Ω)或负载比较大时，功电转化效率较高。外接电阻值约为10Ω时，功电转化效率最大，可达到45%左右。外接电阻过小，会使发电机在转动时产生的电流过大，导致发电机难以转动，从而水的机械能难以传递给发电机系统；外接电阻过大时，发电机转动部分随水流转动时，发电机产生的电流仍然较小，导致发电机的转动部分“随波逐流”，水的机械能也难以传递给发电机系统，或者说传递效率不高。只有在负载合适时，水波在推动发电机的转动系统时，能将最多的机械能“交给”发电机系统。譬如在本实验中，在水波高度约为4cm的条件下，负载电阻为10Ω时达到最大(45%左右)。

4.2 输出功率讨论

发电机的输出功率也就是外电阻消耗的电功率，它可由下式表示：

(3)

式中的ε为发电机线圈所产生的电动势。如果电动势为定值，外接电阻RL=r时，输出功率可达最大。但对本系统，即使波浪能功率相同，但因为系统功电转化效率不同，导致外接不同负载时，发电机线圈中所产生的电动势并不相同(见图4)。由图4可以看出，负载在10～20Ω时具有较大的功率输出。

5 结 论

本文研制了波浪发电系统模型装置，并对该发电装置进行相关测量，得到了以下结论：波浪发电的功电转换效率与负载具有一定关系，要使系统达到较高的功电转换效率必须合理调节负载。对于本设计，负载约为10Ω时，系统的功电转换效率最高，可达45%；设计的波浪发电装置在负载为10～20Ω的范围内，可以获得较好的功率输出。