微型水波能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)

沈昕

摘 要：文章設(shè)計(jì)了一種利用水面波浪作為動(dòng)力源的微型水波能發(fā)電裝置，水面波浪經(jīng)過(guò)本裝置內(nèi)部的一系列組成部件的處理后，最終實(shí)現(xiàn)水波能到電能的轉(zhuǎn)換。本微型水波能發(fā)電裝置體積微小，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且成本低，可以有效滿足特定場(chǎng)合的應(yīng)用需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微型；發(fā)電裝置；水波能；電能

1 前言

水力發(fā)電是我國(guó)電力工業(yè)一個(gè)重要的門類，建國(guó)以來(lái)，我國(guó)的水電事業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，取得了令人矚目的成績(jī)[1]。能取得這樣的成績(jī)歸結(jié)為如下幾點(diǎn)：①我國(guó)水能資源豐富，不論是水能資源蘊(yùn)藏量，還是可能開(kāi)發(fā)的水能資源，在世界各國(guó)中均居首位，水力發(fā)電前景廣闊[1]。②常規(guī)發(fā)電方式，煤的燃燒過(guò)程中會(huì)排放出大量的有害物質(zhì)使大氣環(huán)境受到嚴(yán)重污染，引發(fā)酸雨和溫室效應(yīng)等多方面的環(huán)境問(wèn)題。而核能發(fā)電又有很大的潛在危險(xiǎn)性，一旦泄露將造成嚴(yán)重污染，對(duì)環(huán)境的破壞作用是不可估量的。水力發(fā)電不排放有害的氣體、煙塵和灰渣，又沒(méi)有核輻射污染，是一種情結(jié)的電力生產(chǎn)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)[1]。③水力發(fā)電經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，其工程建設(shè)技術(shù)、水輪發(fā)電機(jī)組制造技術(shù)和輸電技術(shù)趨于完善，單機(jī)容量也不斷增大。并且水力發(fā)電成本低廉，運(yùn)行的可靠性高，故其發(fā)展極為迅速[1]。

目前，水力發(fā)電的基本原理是利用水位落差，配合水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力，也就是利用水的位能轉(zhuǎn)為水輪的機(jī)械能，再以機(jī)械能推動(dòng)發(fā)電機(jī)，從而得到電力。以這種傳統(tǒng)方式產(chǎn)生的電能電壓都較高，多用于市電及工農(nóng)業(yè)用電，且受制于地形限制，需要修建專門的水利設(shè)施和購(gòu)置專門的發(fā)電設(shè)備。

隨著水利水電應(yīng)用的發(fā)展，出現(xiàn)了以水面波浪為動(dòng)力的發(fā)電裝置。

2 波浪能發(fā)電技術(shù)概況

2.1 波浪能簡(jiǎn)介

波浪能主要是由海面上風(fēng)吹動(dòng)以及大氣壓力變化引起的海水有規(guī)則的周期性動(dòng)，具有一定的動(dòng)能和勢(shì)能，動(dòng)能是指波動(dòng)的水質(zhì)點(diǎn)以一定速度運(yùn)動(dòng)具有的能量，勢(shì)能是指水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與海平面發(fā)生位移所具有的能量。波浪的能量與波高的平方、波浪的運(yùn)動(dòng)周期以及迎波面的寬度成正比[2]。

波浪能主要用于發(fā)電，可為海上孤島、沿海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)及其它設(shè)施等提供優(yōu)質(zhì)電能。此外，波浪能還可以用于供熱、抽水、制氫以及海水淡化等[2]。

2.2 波浪發(fā)電的原理

波浪發(fā)電的原理主要是利用波浪運(yùn)動(dòng)的往復(fù)力、浮力產(chǎn)生動(dòng)力或位能差。利用水面波浪發(fā)電的方法大致有3種：①是利用水面波浪的上下運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生水流或空氣流，使水（氣）輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；②利用水面波浪裝置的前后轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)產(chǎn)生水流或氣流，使水（氣）輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，產(chǎn)生電；③將低壓大波浪變?yōu)樾◇w積的高壓水，然后把水引入高位水池積蓄起來(lái)，使它形成了水位的高度差，再來(lái)沖動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電[2]。

波浪能具有儲(chǔ)量大、分布廣、獲取方式多樣等優(yōu)勢(shì)，因而成為最有發(fā)展前景的能源之一。但是現(xiàn)有的水波能發(fā)電多采用液壓發(fā)電技術(shù)，通過(guò)水波能壓縮空氣振動(dòng)渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以產(chǎn)生電能，但這種水波能發(fā)電裝置設(shè)備龐大，技術(shù)復(fù)雜，而且成本高。通常在一些環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)以及其他微電子設(shè)備供能方面，只需功率很小的發(fā)電裝置即可，采用現(xiàn)有的水波能發(fā)電設(shè)備并不能應(yīng)用在這種場(chǎng)合。因此，針對(duì)這些應(yīng)用場(chǎng)合，文章設(shè)計(jì)了一種比較小的水波能發(fā)電裝置——微型水波能發(fā)電裝置。

3 微型水波能發(fā)電裝置技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 微型水波能發(fā)電裝置系統(tǒng)組成

主要由漂浮振子、微型電磁感應(yīng)線圈、微型磁缸、整流電路、充電控制模塊、電能儲(chǔ)存裝置組成，如圖1所示。

3.2 微型水波能發(fā)電裝置各部分功能

3.2.1 漂浮振子

漂浮振子將漂浮在水面上，它隨著水波運(yùn)動(dòng)而振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了水波能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

3.2.2 微型電磁感應(yīng)線圈

將微型電磁感應(yīng)線圈與漂浮振子連接在一起，當(dāng)漂浮振子在水面上隨水波運(yùn)動(dòng)時(shí)，將帶動(dòng)微型電磁感應(yīng)線圈在微型磁缸中作切割磁感線運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而完成機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

3.2.3 微型磁缸

微型磁缸是一個(gè)由磁鐵構(gòu)成的圓柱體物體，如圖2所示。微型電磁感應(yīng)線圈通過(guò)在其中作切割磁感線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

3.2.4 整流電路

整流電路如圖3所示，由于微型電磁感應(yīng)線圈隨著漂浮振子在微型磁缸中上下往返運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生正負(fù)交替的交流電壓輸出，這種電壓極性不穩(wěn)定，因此，整流電路的作用就是將正負(fù)交替的交流電壓輸出轉(zhuǎn)換成極性穩(wěn)定的直流電壓輸出。

3.2.5 充電控制模塊

充電控制模塊如圖4所示，其核心部件是LTC4425充電控制器，通過(guò)充電控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能部件（超級(jí)電容，如圖5中6-1）的充電進(jìn)行控制和保護(hù)，它能夠防止對(duì)儲(chǔ)能部件的過(guò)度充電和過(guò)度放電，提高儲(chǔ)能部件的使用壽命和安全性。

3.2.6 電能儲(chǔ)存裝置

電能儲(chǔ)存裝置如圖5所示，主要由超級(jí)電容（6-1）通過(guò)連接頭（6-2）串并組合而成，它與普通的可充電電池相比，超級(jí)電容具有更多的可充放電次數(shù)，實(shí)際效率更高，而且具有更低的內(nèi)部電阻，并具有更好的安全余量和熱性能，而且超級(jí)電容所要求的低電壓正符合低功耗微電子產(chǎn)品的供能要求。

3.3 微型水波能發(fā)電裝置關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 整流電路的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

整流電路采用經(jīng)典的全波橋式整流，如圖3所示。整流橋由4個(gè)二極管組成，在整流橋的每個(gè)工作周期內(nèi)，同一時(shí)間只有兩個(gè)二極管進(jìn)行工作，通過(guò)二極管的單向?qū)üδ?，把交流電轉(zhuǎn)換成單向的直流脈動(dòng)電壓。在圖3中電容C1，C2主要起濾波作用，平滑直流電壓輸出，減少紋波成分，C1，C2可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境選取合適大小的電容。

3.3.2 充電控制模塊的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

充電控制模塊是本設(shè)計(jì)的重要部分之一，它是控制系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的神經(jīng)中樞，電路圖如圖4所示，其核心部件是LTC4425充電控制器，該器件采用具有熱量限制的線性恒定電流-恒定電壓（CC-CV）架構(gòu)，從鋰離子/聚合物電池、USB端口或其它2.7V至5.5V的電流受限電源，將兩節(jié)串聯(lián)的超級(jí)電容器充電至可編程的輸出電壓，具有智能充電電流曲線限制浪涌電流，自動(dòng)能量平衡在充電時(shí)防止電容器過(guò)壓的特點(diǎn)。

3.3.3 電能儲(chǔ)存裝置的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

電能儲(chǔ)存裝置采用超級(jí)電容通過(guò)串并組合的方式實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。由于微電子供電電壓普遍較低，分別選取標(biāo)稱值為30F/2.5V的超級(jí)電容四個(gè)，每?jī)蓚€(gè)超級(jí)電容串聯(lián)起來(lái)使其輸出電壓達(dá)到5V，串聯(lián)起來(lái)的超級(jí)電容兩組再并聯(lián)起來(lái)，提高其可輸出電流，以增大其所存儲(chǔ)的電能容量。另外，還可以根據(jù)具體的應(yīng)用情況選取合適的超級(jí)電容，并采用靈活的串并組合方式滿足不同的應(yīng)用需求。

4 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)的微型水波能發(fā)電裝置具有很多優(yōu)點(diǎn)，它克服了常規(guī)大型水波能發(fā)電裝置在微電子供能方面的不足，大大降低了水波能發(fā)電裝置的體積，使其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低廉，能夠有效的滿足微電子低功耗設(shè)備的供能需求，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1]馬一太，邢英麗.我國(guó)水力發(fā)電的現(xiàn)狀和前景[J].能源工程，2003（4）：58-60.

[2]陳韋，余順年，詹立，等.波浪能發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].能源與環(huán)境，2014（3）：94-95.