從上世紀70年代石油危機開始，各國開始將注意力轉移到利用本地資源和尋找適宜廉價的能源上。海洋是孕育人類的搖籃，地球上75%的面積都是海洋，人類向大海索取資源已成為必然的趨勢。波浪發電是繼潮汐發電之后發展最快的海洋能源利用形式，到目前為止，世界上已有日本、英國、愛爾蘭、挪威、西班牙、瑞典、丹麥、印度、美國等國家相繼在海上建立了波浪發電裝置。100多年來各國科學家提出了300多種設想，發明了各種各樣的發電裝置，但普遍存在發電功率小、發電質量差、單機容量在千瓦級以下等缺陷。因而波浪發電技術仍未達到普及的應用水平。
波浪能是可再生能源中最不穩定的能源，波浪不能定期生產，且具有能量強但速度慢和周期變化的特點。現有的有關波浪發電技術的不足在于，采能的效率低，被轉換的二次能不穩定，以及對海域環境的適應性差。
現介紹的有關海洋波浪能開發利用的兩項技術，對上述有關波浪發電技術不足的地方有了實質性的突破。
波動氣筒增壓換能裝置
本裝置希望解決現有技術的不足，以期實現高效采能并轉換為穩定的能直接應用的二次能源。波動氣筒增壓換能裝置，包括2個部分，一部分是在海面上浮動構建的一個用于接收及換能的功能裝置，該裝置包括內為高壓集氣室的浮球、活塞室，及與活塞室貫通且由浮球中部穿設沿至海中的氣筒管。活塞室上開通道口，并經高壓導氣管連至浮子高壓集氣室的側開口，在高壓集氣室的側開口處設止回流單向閥，在活塞室上方位于通道口的兩側還開有經碟型閥門控制的小進氣口。另一部分是與活塞室內的活塞體連設的活塞推進桿，該活塞推進桿下端連設一級以上的阻力障板。
有2個部分值得注意：一是上述的浮球與活塞推進桿是非剛性連接的兩結合體，以確保二者在動蕩的海洋環境下實現相對運動且在相互反作用力下保持垂直；二是，上述的氣體增壓室的底端應高于海平面，活塞體的直徑應大于活塞推進桿的直徑。
波動氣筒增壓換能裝置的工作過程是，浮球受到波浪能作用上浮，帶動氣筒管向上運動，而活塞體相對于氣筒管是已相對固定的支撐點，此時活塞室的增壓室（即由活塞體隔離成的上氣室）的體積增大，碟型閥門打開，氣體被吸入；當波浪能消失，浮球受地心引力的作用以一定的速度下沉，使增壓室體積變小，氣體壓力增大，碟型閥門關閉，止回流單向閥打開，涌動的高壓氣體通過氣體導管注入浮球的高壓集氣室內，以實現將波浪能轉化為可直接利用的二次能。
活塞體距海平面的高度是由本身的比重所決定的，它是不變的定值，且由于處于深海中受海平面的波浪的影響可以忽略不計。故當浮球受波浪能作用時，只能沿與活塞推進桿的中心線發生相對作用，氣筒管與活塞推進桿的相互制約就是采用了這種方法來確保二者在動蕩的海洋環境下實現相對運動，方向反作用力保持垂直，獲得最高的換能效率。
波動活塞換能裝置
波動活塞換能裝置包括3個部分。一是在海面上構建一個用于接收及換能的高位水庫。二是水庫下方設置的采能系統單元，它包括一組置入海里的活塞筒及內含的活塞體，活塞體上方為與其貫通的增壓管，同時一個浮于海平面的浮球套設在活塞筒及增壓管上，在增壓管中設有止回流單項閥，在活塞體上設有進水增壓單向閥。三是，在活塞體底端連設一級以上的阻力障板。
波動活塞換能裝置的工作過程是，活塞筒運動，活塞體相對于活塞筒為一相對固定的支撐點，在波浪能的作用下，把海水增壓并注入到居于高位的水庫中以實現能量的轉換。
波動活塞換能裝置應注意，置于海域內的活塞筒與其內含的活塞體之間的配合長度應大于所置海域的最大波高。
上述在海面上構建的高位水庫與主體結構為一體，其高度是由設計水頭高度要求決定的，它給二次能的應用提供了一個固定高度的水頭穩定的能源。在波浪能的作用下，把海水增壓并注入到居于高位的水庫中，就實現了能量轉換的目的。
水面上的浮球是本裝置的載體，更是采能的主體，它的幾何形狀可是圓錐漏斗型的，這決定了它對波浪的方向無選擇性，可全方位采集波浪能。受波浪作用，浮球向上運動，也就迫使活塞筒向上運動，與相對于浮球靜止的處于深水的活塞體產生相對的位移，這一過程即為波浪能的做功期，即采能過程。當波浪能消失，由于本身的質量及高位水庫的質量受到地球引力的作用，以一定的速度下沉，其動量完全作用在與之相對固定的活塞體上，同時使活塞筒內的水壓力增加，擠壓到高位水庫中，吸收浮球動量并轉化為高位水庫的位能，從而實現了高效采能，并轉化為一定高度的穩定的位能。由于活塞體的比重決定了它距海面的距離是不變的定值，并且由于它處于深水中受海面波浪的影響較小，故當浮球受波能作用時，只能沿二者的中軸線發生相對的運動，活塞體與活塞筒相互制約。采用了這種方法，確保二者在動蕩的海洋環境下，實現相對運動，方向相反，作用力保持垂直，獲得最大的換能效率。
波動氣筒增壓換能裝置和波動活塞換能裝置都具有結構簡單，易于實施，適應于各種環境的海域，且能量轉換效率高、質量高的優點。
波動氣筒增壓換能裝置和波動活塞換能裝置，把無序的波浪能一次地轉換為可直接利用的穩定的二次能源。這兩項技術都可直接用于發電，建立海上工廠，應用于海水淡化、制氫以及錳結核的開采。
來源：科學時報
|
返回頂部