淺談光能潮汐能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

袁廣民　朱日程　杜鑫鑫

摘 要：本文以當(dāng)前能源緊缺，新型能源崛起為背景，基于一款潮汐能聯(lián)合發(fā)電裝置，首先通過實(shí)體建模對此套裝置進(jìn)行介紹，然后對裝置合理性進(jìn)行理論性分析，最后開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)推廣的探究討論。旨在歸類總結(jié)當(dāng)前能源兩大熱點(diǎn)方向聯(lián)合的可能性和適配性。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合發(fā)電技術(shù)；潮汐能利用；適配性討論

0 前言

為了更好地落實(shí)能源有效開發(fā)、能源節(jié)約這一發(fā)展戰(zhàn)略，通過建模、設(shè)計(jì)的形式分析潮汐能與光能的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)是極為必要的，在掌握系統(tǒng)工作原理、工作方式的基礎(chǔ)上，大大提高系統(tǒng)利用率，確保所供應(yīng)的電能及時(shí)滿足生產(chǎn)、生活需要，為實(shí)現(xiàn)南海戰(zhàn)略發(fā)展提供可靠的能源平臺。從中能夠看出，本文針對潮汐能光能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)的探討這一論題全面分析，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 光能潮汐能發(fā)電系統(tǒng)介紹

傳統(tǒng)斯特林機(jī)是一種以化石燃料為能源的閉循環(huán)回?zé)崾酵馊紮C(jī)，依靠外燃燃料供能就會(huì)出現(xiàn)對燃料純度要求高且能量耗損大的問題。采用的酒精燈供能方式，燃燒效率低，且對酒精純度有較高要求。而對于潮汐能的利用方面，通常采用平面轉(zhuǎn)輪槳葉模型來采集能源。采用的平面轉(zhuǎn)輪槳葉存在著對于潮汐能利用率低，葉片耗損大的弊端?，F(xiàn)對新型潮汐能風(fēng)能聯(lián)合發(fā)電設(shè)備進(jìn)行如下簡介。

1.1 系統(tǒng)組成

此套裝置主要有三個(gè)方面組成。具體為：斯特林聚光機(jī)組、旋轉(zhuǎn)槳葉式潮汐吸收發(fā)電機(jī)組、“超—連”集合裝置。其中斯特林聚光包括聚光鏡、斯特林機(jī)（熱氣缸、 冷氣缸、散熱片、 熱氣缸活塞、冷氣缸活塞、回?zé)崞?、熱氣缸連桿、冷氣缸連桿、套筒、曲軸）。旋轉(zhuǎn)槳葉式潮汐吸收發(fā)電機(jī)組包括大齒輪、小齒輪、反式軸向立式槳葉?！俺B”集合裝置包括超越離合器、錐齒輪、發(fā)電機(jī)、飛輪、鼓形齒式聯(lián)軸器、橢球型穩(wěn)定器。值得指出，發(fā)電機(jī)也是整套發(fā)電機(jī)組的主要組成部分，它主要發(fā)揮能量轉(zhuǎn)換工作，即機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；采用鉛蓄電池可儲存發(fā)電系統(tǒng)的過剩產(chǎn)能，且規(guī)避同頻率并網(wǎng)的難題，確保生產(chǎn)、生活用電需要得到持續(xù)性滿足。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

具體結(jié)構(gòu)（如圖1所示）左端為斯特林聚光機(jī)組，中間部分為“超—連”集合裝置，通過超越離合器與鼓形齒式聯(lián)軸器相互配合，實(shí)現(xiàn)兩種能源的聯(lián)合，最右端為旋轉(zhuǎn)槳葉式潮汐吸收發(fā)電機(jī)組。

2 原理介紹與理論分析

由于此套裝置所涉及內(nèi)容較多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此針對部分重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行詳述。

此套裝置機(jī)械部分主要包括聚光鏡，斯特林機(jī)，飛輪，鼓形齒式聯(lián)軸器，反式軸向立式槳葉，橢球型穩(wěn)定器，發(fā)電機(jī)等裝置。

聚光鏡為一個(gè)半球形的球面反射鏡，安裝于斯特林機(jī)的熱氣缸底部，聚焦太陽能加熱斯特林機(jī)的熱氣缸來為其提供熱能，球面反射鏡的球心位于熱氣缸中軸線上。在太陽能利用領(lǐng)域，菲涅爾主要作為光伏聚光設(shè)備的聚光核心部件，將光線從大范圍光區(qū)通過折射轉(zhuǎn)化為小范圍光區(qū)。廉價(jià)的菲涅爾透鏡一般由透明塑料壓鑄或模塑而成，其尺寸可以在做得比玻璃大的同時(shí)更輕、更經(jīng)濟(jì)，因此，大型的菲涅爾透鏡也被廣泛用在太陽灶聚集陽光或是太陽能熱水器上。

斯特林機(jī)[1]為一個(gè)以聚焦太陽光為熱源的外燃機(jī)，主要結(jié)構(gòu)有熱氣缸、冷氣缸、散熱片、活塞、迷宮回廊回?zé)崞?、連桿、曲軸、套筒。散熱片是位于冷氣缸上的銅質(zhì)同心圓環(huán)薄片，用于增加冷氣缸的散熱效率?；?zé)崞魑挥谶B接冷熱氣缸的通道中，熱氣缸向冷氣缸排氣時(shí)氣體對回?zé)崞魃?，冷氣從冷氣缸回流至熱氣缸時(shí)從回?zé)崞魑諢崃?，充分利用熱能，即太陽能使得熱氣缸活塞先?dòng)，然后帶動(dòng)冷氣缸活塞動(dòng)，從而依次交替運(yùn)動(dòng)，提高發(fā)電機(jī)效率。套筒內(nèi)圈的軸瓦為黃銅，曲軸為鋼材，二者配合可以降低摩擦，提高零件的使用壽命。連桿和活塞鉸接，連桿可以繞活塞有小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。

飛輪為一個(gè)六孔鋼制輪盤，在曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)至上下死點(diǎn)（即當(dāng)壓力角等于90度時(shí)，連桿對從動(dòng)件的驅(qū)動(dòng)力或力矩為零的情形）時(shí)可以利用簡單的機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置（旋轉(zhuǎn)飛輪）驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)使曲軸沖過死點(diǎn)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。飛輪具有較好的質(zhì)量，可以儲存釋放角動(dòng)能使得斯特林機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。由于曲軸轉(zhuǎn)速是隨轉(zhuǎn)動(dòng)位置而變化的，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速增高時(shí)，飛輪的動(dòng)能增加，把角動(dòng)能貯蓄起來；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速降低時(shí)，飛輪動(dòng)能減少，把角動(dòng)能釋放出來。同時(shí)，飛輪可以用來減少曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程的速度波動(dòng)，使運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。

反式軸向立式槳葉（如圖2所示）是由一個(gè)弧形葉片繞主軸陣列旋轉(zhuǎn)形成的，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、潮汐能利用率大的優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)大水下能量采集裝置的工作面積，使對于潮汐現(xiàn)象引起的海水流動(dòng)所產(chǎn)生的能量進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)化。并與錐齒輪連接，經(jīng)超越離合器，將扭矩匯聚至鼓形齒式聯(lián)軸器，最終傳遞至發(fā)電機(jī)。

橢球型穩(wěn)定器可減少水下負(fù)載對整體裝置的拉力，同時(shí)增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高裝置穩(wěn)定性與抗損性。

曲軸末端與發(fā)電機(jī)連接的一端還連接有飛輪，用于儲存角動(dòng)能，穩(wěn)定裝置。

電路控制部分主要集中在控制菲涅爾透鏡的追光性。為保證透鏡聚焦太陽光的效率最高，應(yīng)使透鏡的聚焦中心實(shí)時(shí)追蹤太陽光。此外考慮到灰塵堆積、太陽高度角變化以及光敏電阻在同環(huán)境下的敏感度不同問題，設(shè)計(jì)多控制變量的敏感電路。

斯特林機(jī)熱力循環(huán)過程如下：

定溫壓縮過程：承接自定容冷卻中的熱氣缸運(yùn)動(dòng)，循環(huán)開始，冷氣缸連桿推動(dòng)冷活塞向上移動(dòng)，熱活塞不動(dòng)，冷氣缸中氣體被壓縮，向氣缸外放出熱量，氣體溫度不變。

定容加熱過程：冷氣缸連桿繼續(xù)推動(dòng)冷活塞上移，在氣體壓力與熱氣缸連桿控制下熱活塞向下移動(dòng)，冷氣缸中的氣體通過回?zé)崞鬟M(jìn)入熱氣缸，氣體通過回?zé)崞鲿r(shí)溫度升高壓力升高。

定溫膨脹過程：高溫氣體膨脹推動(dòng)熱活塞向下移動(dòng)，對外做功，加熱源使熱氣缸中氣體在膨脹做功時(shí)溫度不變，減緩氣壓下降，熱活塞移動(dòng)到下死點(diǎn)。

定容冷卻過程：熱氣缸連桿控制熱活塞向上移動(dòng)，冷活塞向下移動(dòng)，氣體通過回?zé)崞鲿r(shí)對其放熱，溫度降低，壓力下降，等冷熱活塞移動(dòng)到各自端頭整個(gè)循環(huán)完成。

可見此種光能潮汐能集成發(fā)電裝置，采用基于斯特林循環(huán)利用太陽能熱效應(yīng)的發(fā)電方式，完全替代單晶硅、多晶硅材料，降低生產(chǎn)能耗，減少污染。采用反式軸向立式槳葉，增加槳葉在水下的穩(wěn)定性，擴(kuò)大水下能量采集裝置的工作面積，使對于潮汐現(xiàn)象引起的海水流動(dòng)所產(chǎn)生的能量進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)化。采用橢球型穩(wěn)定器減少水下負(fù)載對整體裝置的拉力，同時(shí)增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高裝置穩(wěn)定性與抗損性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)推廣分析

過去的十年間，新型能源發(fā)電裝置不斷涌現(xiàn)，其中光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)和自適應(yīng)性潮汐能源產(chǎn)業(yè)已受到了各國政府的大力支持，發(fā)展清潔能源已經(jīng)被提到國家戰(zhàn)略層面，光伏發(fā)電一直以清潔為宣傳口號，但其所使用的硅光板的生產(chǎn)需要消耗大量的能源，也會(huì)產(chǎn)生很大的污染。而采用以太陽能為熱源的斯特林循環(huán)發(fā)電，不需要使用能耗高、污染大的單晶硅、多晶硅材質(zhì)的光伏板，真正發(fā)揮了太陽能清潔能源的特點(diǎn)。同時(shí)，因地制宜地利用廣袤無垠海洋中海浪流動(dòng)、起伏的能量發(fā)展潮汐能，解決沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展受制能源限制的困境，將成為未來的一大發(fā)展趨勢。

為了解決現(xiàn)有能源緊缺問題，提高諸如南海等特殊地區(qū)的能源補(bǔ)給率，充分利用環(huán)境資源，實(shí)現(xiàn)可循環(huán)可再生發(fā)展。此套光能潮汐能集成發(fā)電裝置：基于斯特林循環(huán)利用太陽能的熱效應(yīng)發(fā)電，避免使用制作成本大能耗高污染的光伏發(fā)電板。利用反式軸向立式槳葉，增加軸向轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，避免平面槳葉易破損的弊端，增強(qiáng)裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以此適應(yīng)潮汐變化對裝置的侵蝕。橢球型穩(wěn)定器為中空的橢球型囊腔，可用于減少水下負(fù)載對整體裝置的拉力，增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高裝置穩(wěn)定性與抗損性。所采用的菲涅爾透鏡具有結(jié)構(gòu)輕巧，聚光度高，光能穿透損失小的特點(diǎn)。終端所采用蓄電池簡化圖如圖3所示。

在匹配問題上，實(shí)際上是指光能潮汐能系統(tǒng)對于現(xiàn)有環(huán)境的貢獻(xiàn)度以及兩種能源的相互干涉。通過采用“超—連”集合裝置，“超”即超越離合器，可實(shí)現(xiàn)扭矩的定向傳遞，互不干擾?！斑B”即鼓形齒式聯(lián)軸器，可消除因聯(lián)軸器前后兩軸不共軸線而帶來的曲軸內(nèi)力。通過中間的曲軸連接，可以實(shí)現(xiàn)兩種能源的互補(bǔ)發(fā)電不受影響。

4 結(jié)論

基于上述系統(tǒng)特點(diǎn)，可見，針對南海等偏遠(yuǎn)地區(qū)，此套裝置具有很大的發(fā)展空間。同時(shí)光能潮汐能的聯(lián)合技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了對于沿海地區(qū)所蘊(yùn)含豐富的潮汐能的利用，光能的加入也使得發(fā)電更加趨于穩(wěn)定。這對我國實(shí)施南海戰(zhàn)略提供了堅(jiān)實(shí)的能源支撐，有利于我國對于偏遠(yuǎn)地區(qū)的開發(fā)與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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