波浪能发电在海洋观测浮标上的应用研究(王恒林).docx

波浪能发电技术在海洋观测浮标上的应用研究王恒林,张子轩,郑诗峰,陶金波,管新诗(国家海洋局北海预报中心)摘 要：我国海洋观测中大量使用观测浮标，利用波浪能对观测浮标实现自供电有利于节约观测浮标使用成本，保护生态环境。文中设计抽拉式发电和晃动发电两种方案并进行探讨。关键词：波浪能；抽拉发电机；晃动发电机中图分类号：P743.2Application of Wave Power Generation Technology in Ocean Observation BuoyWANG Henglin,ZHANG Zixuan,ZHENG Shifeng,TAO Jinbo,GUAN Xinshi(The North Sea Forecast Centre of State Oceanic Administration )Abstract: Observing buoys are widely used in marine observation in China, using wave energy to achieve self powered buoy has the advantage of saving cost and protecting the ecological environment. The two programs and design-pulling power and shaking power are discussed in this paper.Key words: Wave energy; Pulling Generator;Swaying Generator引言目前，我国海洋观测中需要大量使用到观测浮标，在部分大型浮标上使用太阳能技术供电，小型浮标由于表面积较小一般使用内部电池组供电。内部电池组需要定期更换，不但电池组价格昂贵，更换费用高，而且废旧电池处理不当容易造成严重污染。如果研发一种利用波浪能自发电的观测浮标，不但可以利用绿色能源减少污染，而且可以大大延长观测浮标电池组更换时间，降低观测浮标使用成本。设计方案2.1 抽拉式发电机供电方案将观测浮标用缆线连接到固定在海底的抽拉式发电机上，如图1所示。由于波浪带动浮标上下运动而拉动抽拉式发电机里的电磁转换器不断上下运动，从而将波浪能转换成电能，最后利用电力线将电能输送到浮标里实现自供电。图1 抽拉式发电方案结构图抽拉式发电机[1]内部结构较简单，如图2所示，主要部件是一个电磁转换器，缆线直接与电磁转换器相连，在缆线的不断拉动下电磁转换器上下运动实现发电。缆线内部主要有轻质高强度钢缆和电力传输线组成，如图3所示。电力输送到浮标内部后，通过整流电路输出到蓄电池和浮标用电电路中，如图4所示。图2 抽拉式发电机内部结构简图图3 缆线横切平面图图4 浮标内电路流程图现阶段比较典型的利用该原理供电的波浪能发电装置主要有：瑞典的Aquabuoy、英国AWS Ocean Energy有限公司研制的阿基米德波浪摆装置、美国的OPT（ocean power technologies）公司研制的装机容量40kW的PowerBuoy波力装置，丹麦的Wave Star公司的Wavestar装置以及我国开发的50kW岸式震荡浮子式波浪能电站等[2]。该方案优点是结构简单易于实现，且制造成本较低，能量转化率高，但只适合在水深较浅的近海使用，电磁转换器和弹簧必须有较高耐用性和可靠性，抽拉式发电机要求有很强的防水性能和耐腐蚀性。2.2晃动式发电机供电方案将晃动发电机置于观测浮标内部，内部流程如图5所示。由于浮标不停上下运动使晃动发电机发电，从而实现浮标的自供电。图5 晃动发电浮标内部流程简图以下是笔者自己设计的晃动发电机结构简图。如图6所示，在浮标上下运动时，晃动发电机内部的电磁转换器滑块受到底部软性弹簧支撑，在位于发电机中央的滑动轴承上上下滑动，从而实现电磁转换。图6 晃动发电机结构简图该方案结构更为简单，所有装置都置于浮标内部，晃动发电机不存在防水防腐蚀的问题，但是目前晃动发电技术还处于试验验证阶段，市场上还少有成熟可商用的晃动发电机。功率分析以目前国际上常用的，同时我国海洋站也在使用的Datawell公司生产的DWR MKIII 0.9m（中文名称波浪骑士）观测浮标为例，它内部电源由3组电池,每组15个 型号:Datacell?RC20B(黑色,200Wh)?电池组成，可连续工作3年。经计算该浮标电路用电功率约为(200*15*3)/(24*365*3)=0.34W。如果将电池组替换为晃动发电机，其发电功率完全可以满足该电路需求。近期，一家名叫UNCHARTED PLAY公司推出的Soccket新型发电足球既是利用晃动发电技术，Soccket是用皮革包裹的泡沫