每天懂点小科学之海洋波浪能发电

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2018-02-22 15:41:49

振荡水柱式波浪能发电技术(OWC)也称为空气透平式波浪能发电技术,是目前应用最广泛的波浪能发电技术,在国内也有较多振荡水柱式波浪能试验电站在运行。

振荡水柱型装置主要有一个气室,由一个空箱构成,在它淹没于水面以下部分有一个开口,在气室上部有气流通道(空气出入口)。波浪向着空箱移动,当波峰接近空箱前壁时,水进入空箱,推动箱内水位上升,上升的水位使箱内气压增加,气室内空气通过出入孔排出,由于气孔狭小,气体高流速喷出,见图1左图。在波谷接近空箱前壁时,水从空箱抽出,箱内水位下降,下降的水位使箱内气压降低,外面空气通过出入孔高速进入气室,见图1右图,流出流进的气体将推动涡轮机旋转,这就把波浪能转换为机械能。

气室内水面有一个固定的波动频率,冲入气室的水碰到气室后壁反射回来,如能和下降水面同向,将会与波浪共振,选择合适的气室尺寸可以使室内水面振荡与外面波浪频率相近,共振的水面波动幅度会远高出波浪的幅度,大大提高气体的流量从而提高系统效率。

在气流通道内安装气动涡轮机,进出的气流就会推动涡轮机旋转,涡轮机带动发电机发出电来,这就是振荡水柱式波浪能发电的原理。由于气流是往复的,需采用一种在双向气流作用下均能同向旋转的涡轮机,有关这种涡轮机的结构与原理将在下一节介绍。

图1 振荡水柱式波浪能采集基本原理

下面是振荡水柱式波浪能采集的动画

上面介绍的振荡水柱式波浪能发电装置是靠岸边安装,称为固定式(靠岸式)安装;振荡水柱式波浪能发电装置也可以漂浮在海面上,称为漂浮式(离岸式、近岸式)发电装置。图2左图是前面进水的漂浮式振荡水柱式波浪能发电装置;图2右图是下面进水的漂浮式振荡水柱式波浪能发电装置,前面进水方式与上面介绍的靠岸式工作原理一样,下面进水的工作原理也基本相同。

图2 漂浮式振荡水柱波浪能发电装置

图3是这两种漂浮式振荡水柱式波浪能发电装置的照片(照片来自网络)。

图3 漂浮式振荡水柱波浪能发电装置照片

下面介绍一种用得较多的振荡水柱式波浪能发电装置的基本结构,这是一种固定式(靠岸式)振荡水柱式波浪能发电装置。

图1是靠岸式振荡水柱式波浪能发电装置的结构示意图,在靠海岸用混凝土浇筑成气室箱体。气室前壁下方与海水相连,气室后壁上方有气流进出通道孔,连接涡轮机。当海浪向气室箱体推进时,气室内水面就会振荡,进出气流通道涡轮机旋转,带动发电机发出电来。

图5是靠岸式振荡水柱波浪能发电装置的照片(照片来自网络),这两个照片是从地面上拍摄的,可以看到气室箱体的顶部与涡轮机。

图5 靠岸式振荡水柱波浪能发电装置地面照片

振荡水柱型装置的优势就是装置本身的简洁和坚固,机电部分在海面以上不接触海水,故障率地,维护方便。缺点是建造成本高,转换效率低。