漏斗形双通道与浮标集成式近海海浪发电机

传统能源日渐枯竭，新能源开发迫在眉睫。相比于风能和太阳能，海波能有着其独特的开发优势。波浪能环保易得，在近岸时，海浪的能量较大，如果好好利用会成为很好的资源条件。当海岸倾斜角度较小，不同于深海区域的波浪能表现为海水势能，近岸波浪能主要表现为海水动能，流动形式表现为海水的双向流动[1]。因此相比于大多数位于深海的发电装置，近岸式海浪发电装置还多了回流海水的动能可以利用。

本文设计的双通道海浪实验装置，充分利用近岸海水的双向流动，并将其转换为叶轮的单向转动，从而带动发电机单向转动。除此之外，还巧妙地设计了集成浮标发电装置，实现了能在有限空间内将海波能所蕴藏的动能和势能最大化地转变为电能。

1 理论分析

1.1 造浪原理

海浪的产生主要由于风力。海浪能以海洋表面波浪所蕴含的动能与势能形式存在。

在小振幅波中，其蕴含的能量可通过式(1)计算得到[2]：

(1)

其中L为单位平均波长，H为浪高。

本实验模拟的是近岸海浪发电装置，其中采用了如图1所示机械推板式来产生波浪。

图1 造浪装置示意图

电机连接变速器使转轴旋转，转轴带动曲柄，连接水中推板做往复运动，从而产生波浪。

1.2 漏斗形双通道导流冲击发电原理[3]

不同于深海区域波浪能表现为海水的势能,近岸波浪能主要表现为海水的动能，流动形式表现为海水的双向流动[4]。根据此特性，我们设计了漏斗形双通道装置，使得海水的双向流动转换为叶轮的单向转动，从而带动发电机转动。

如图2所示，漏斗形双通道形成过程及叶轮单向旋转原理如下：当流体从左侧流入时，由于流体的推动作用，阀门1关闭，阀门2打开，海水主要从漏斗形进水口1通过，形成向海水向右流动的通道，并且海水动能集中，能有效推动叶轮逆时针旋转做功，叶轮转轴通过变速装置带动发电机转轴逆时针旋转做功[5]。

若流体从右侧流入时，则阀门1打开，阀门2关闭，海浪主要从漏斗形进水口2通过，形成向海水向左流动的通道，海水仍然推动叶轮逆时针旋转做功[5]。

考虑到双通道装置不能无限延伸至海底深处及成本问题，我们在双通道装置下方设置底板及支架，以确保通道能固定在一处，同时使叶轮保持最优的转动状态，提高本装置的发电效率。

图2 双通道结构示意图

漏斗形双通道部分接有红色发光二极管，在二极管正常发光时，通过后续的数据收集我们得到该部分发电所产生的平均电压值，并通过查阅该发光二极管参数得到正常发光时的电流值，从而得到该部分所产生的电能。

1.3 浮标发电原理

浮标发电装置的动力来源于波浪，波浪在海水表面主要表现为海水表面部分的纵向往复运动，形成海浪波，传向岸边方向。根据此特性，我们设计了浮标发电装置[6-8]。由于海水表面部分的纵向往复运动，在海浪中的浮标就会随水面变化的浮力作用，上下浮动，从而带动发电机转动。

图3 浮标发电装置结构示意图

如图3所示，当海波浪产生时，由于海水表面的纵向往复运动，浮标会带同安装在其上的锯齿条上下浮动。由于锯齿条与发电机转轴上的齿轮接触，所以在锯齿条上下浮动的过程中会带动齿轮旋转，从而带动发电机转轴使发电机发电。

浮标发电部分并联有两个红色发光二极管，在二极管正常发光时，通过后续的数据收集我们得到该部分发电所产生的的平均电压值，并通过查阅该发光二极管参数得到正常发光时的电流值，从而得到该部分所产生的电能。

2 实验装置以及制作过程

2.1 整体装置

本实验装置主要由造浪装置和海浪发电装置组成，其中海浪发电装置分为漏斗形双通道装置、浮力装置和发电及整流装置三个部分，如图4。

图4 装置结构示意图

2.2 造浪装置

本实验使用机械推板式来产生波浪，推板采用亚克力板[9-10]。将亚克力板固定在推杆上，根据水面可调整高度。打开机械装置的电源后，电机将带动推板往复运动，使推板往复运动，从而达到造浪的效果。

装置动力来源于功率为12 W的电机。而产生海浪的大小与电机的转速与推杆的长度有关。100～120 r/min的电机转动速度，25 cm至30 cm(可推的距离为5 cm～10 cm)的推杆即可制造比例大小下类似真实海浪的波浪。

2.3 双通道装置

漏斗形双通道装置的主要组成部分有叶轮及其转轴、阀门及复位橡皮筋、漏斗形进水口。通道主体为改造后的收纳箱，不锈钢叶轮及其转轴固定在双通道的正中央。漏斗形进水口由泡沫制成，以叶轮及转轴为中心，两个漏斗形进水口按中心对称固定在通道上。两个漏斗形进水口的角落处有裁剪出一个缺口，作为阀门的卡口，阀门控制挡板，使得海水在往复移动中推动叶轮单向旋转，进而通过变速装置带动发电机做功。考虑到实验室模拟海浪的动能比较小，我们将用橡皮筋代替复位弹簧。最终达到使海浪的双向流动转换成叶轮单向转动的目的。

2.4 浮标发电装置

带有锯齿的木棍及一小块泡沫固定在一起组成了浮标，旁边围有简易栅栏，在水平方向进行固定，使得浮标只能在纵向进行运动。在分隔左右通道的泡沫的上方固定了两个在轴上都套有齿轮的单向小型发电机，波浪的起伏带动浮标上下运动，通过齿轮，就能使发电机的转轴转动，产生电能。

以下为浮力装置实物图：

图5 浮标发电装置实物图

2.5 发电及整流装置

2.5.1 发电装置

漏斗形双通道装置部分为加大效率，使用了齿轮加速的原理，利用大齿轮带动小齿轮，让发电机转速加快。叶轮用转轴固定在海浪模拟装置的底部中央，并在转轴顶部接上大齿轮。在发电机转轴底部接小齿轮，与大齿轮契合后，固定发电机，将发电机接在整流器上，并在输出端接上发光二极管。海浪推动叶轮转动从而使大齿轮带动小齿轮转动，带动发电机转动，产生感应电流，使一个红色发光二极管发光，从而检测发电装置是否工作。

图6 发电装置示意图

除此之外，本实验的浮力装置发电部分将两个发光二极管并联在两个发电机上，木条经过海浪起伏做上下的往复运动从而使两个发电机转轴上连接的齿轮转动，使发光二极管发光。其俯视图如下：

图7 浮力发电装置示意图

2.5.2 整流装置

在本实验中，整流模块采用桥式整流电路利用二极管的单向导电性进行整流，可以将发电机发出的交流电转变为直流电。

2.6 数据显示部分

本实验利用单片机测量电压数据。电路如下图：

图8 数据测量电路图

我们选择单片机A/D转换芯片结合的方法实现数据测量。使用的基本元器件是：AT89C51单片机，TLC2543模数转换芯片，电容，电阻等等。电流通过转换电路转换后输入到ADC中去，再通过电阻转换成小电压信号，并进行放大，最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定的时序通过单片机与电脑的串口通信在电脑上显示出测得的电压值。在实验中为了方便与电脑连接进行串口通信直接使用了BlueskyC51开发板代替单纯的单片机最小系统。

3 结果及分析

在本实验中，我们测量了漏斗形双通道发电装置和浮力装置发出的电压，共持续观察测量100分钟，每隔10分钟分别通过数据分析得出该段时间内两个装置所发出的电压分析值并进行记录，共进行三次实验。

现将最终经过数据分析所记录的电压值进行列表展示，表一为漏斗形双通道正常工作时统计的各十分钟的电压分析值，表二为将双通道关闭时单独的传统叶轮发电方式所产生的电压分析值，表三为浮力发电装置单独在相同时间内发出来的电压分析值。

数据如下表所示：

表1 漏斗形双通道正常工作统计的各十分钟的电压值

表2 将双通道关闭时单独的传统叶轮式发电方式所统计的电压值

表3 浮力发电装置单独在相同时间内发出来的电压值

在本实验中，根据实际情况及查阅相应参数，我们人工造浪的单位平均波长L为5厘米，装置内大约有4个单位波，浪高H定为4厘米。我们用普通自来水代替海水环境，其密度为1 g/cm3。根据式(1)，算得海浪的能量E=0.09*4 J=0.36 J。

实验测得三项发电机发出的平均电压为1.41 V。在实验过程中，红色LED灯持续以正常工作亮度发亮。查阅该LED灯参数得知，灯正常工作时，流过LED灯的电流为20 mA。根据W=UI算得，在此单位时间内三相发电电机的电能为E纵=0.03 J。

而当我们关闭双通道再进行相同的实验操作时，红色LED灯以极其微弱的亮度发光，根据万用表显示的示数进行统计，得出此时发电机发出的平均电压为0.65 V，若此时流过LED灯的电流仍为20 mA，则同样通过W=UI可以算得单位时间内三项发电机所发电能为0.001 3 J。

发电减少了0.002 87 J，能量转换率降低了95%，可见双通道对于本装置发电效率的重要性。

与此同时，实验测得浮力发电装置发出的平均电压为0.60 V，灯亮时，流过LED灯的电流为20 mA。因此浮力发电装置产生的电能为E横=0.012 J。

根据上面的分析，结合公式(2)可计算得本实验装置的能量转换率为：

(2)

4 结 论

本文的漏斗形双通道装置可以将冲击和回流的双向海浪中的能量同时收集，利用了传统海浪能量收集方式所无法收集的回流的海浪能量，比起传统的海浪发电装置具有更高的发电效率。另外，通过加装浮力发电装置，使得海浪的势能也得以利用。在实际应用中，如果在漏斗形双通道箱周围装多个浮力发电装置，可以进一步提高海浪发电装置的发电效率。