鏈傳動波發(fā)生器由基礎(chǔ)、支架、浮筒、鏈傳動系統(tǒng)、慣性輪等組成,具體見圖1。鏈條傳動系統(tǒng)由鏈條、主動鏈輪、導(dǎo)向鏈輪、連接板、傳動軸等組成,詳見圖2。鏈條通過連接板固定在浮標(biāo)上。每臺發(fā)電機(jī)配備兩套鏈條傳動系統(tǒng)A、B。兩塊連接板固定在浮標(biāo)兩側(cè)。詳細(xì)信息請參見圖 3。
漂浮
浮標(biāo)是吸收波浪能的裝置。在浮力的作用下,浮標(biāo)可以漂浮在水面上,并隨著波浪的上下運(yùn)動而獲得能量。當(dāng)浮標(biāo)隨波浪向上運(yùn)動時,通過浮力獲得能量;當(dāng)浮標(biāo)隨波浪向下運(yùn)動時發(fā)電機(jī)的工作原理視頻,通過自身重量獲得能量。根據(jù)阿基米德定律,浸沒在流體中的物體所受到的浮力等于該物體排開的流體的重量。浮標(biāo)越重,它排出的海水越多,獲得的浮力就越大。浮標(biāo)可以做得很大,就像一艘船一樣。但考慮到波浪小于1米時浮標(biāo)完全可以隨波浪上下移動,因此浮標(biāo)的截面積不能很大,直徑應(yīng)在6米左右。 (浮標(biāo)截面為方形或圓柱形)。浮標(biāo)的直徑確定后,可以增加浮標(biāo)的高度,使其體積和重量更大,獲得更多的能量。浮標(biāo)的重量可達(dá)1500噸。
驅(qū)動鏈輪
主動鏈輪由鏈輪和單向軸承組成。其作用與自行車的飛輪相同。它只能帶動傳動軸向一個方向旋轉(zhuǎn),因此鏈傳動波發(fā)生器配備有兩套鏈傳動裝置。
飛輪
浮標(biāo)隨著波浪上下移動。當(dāng)浮標(biāo)的向上運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳逻\(yùn)動時,或者當(dāng)浮標(biāo)的向下運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏线\(yùn)動時,浮標(biāo)有停頓。此時沒有力推或拉鏈條,影響傳動軸的連續(xù)性。運(yùn)行時,發(fā)電量會不穩(wěn)定。兩個主動鏈輪之間設(shè)有慣性輪。慣性輪具有儲存動能的功能。這一缺陷可以通過慣性輪的慣性力來補(bǔ)償,使傳動軸能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)。因此,慣性輪直徑越大、重量越重,儲存的動能越大,發(fā)電越穩(wěn)定。
導(dǎo)輪
浮標(biāo)上安裝有導(dǎo)向輪發(fā)電機(jī)的工作原理視頻,通過導(dǎo)向輪使浮標(biāo)與支架之間保持一定的距離。當(dāng)浮標(biāo)隨波浪移動時,在導(dǎo)向輪的作用下,浮標(biāo)不能水平移動,只能沿支架上下移動。
連接板
鏈條和浮標(biāo)通過連接板連接。連接板一端固定在鏈條上,另一端固定在浮標(biāo)上。當(dāng)浮標(biāo)隨波浪上下運(yùn)動時,浮標(biāo)通過連接板帶動鏈條運(yùn)動。波浪發(fā)電裝置設(shè)有兩組鏈條傳動裝置A、B。兩個連接板A、B分別固定在浮標(biāo)兩側(cè)。詳細(xì)信息請參見圖 3。
鏈傳動波浪發(fā)電裝置工作原理
浮橋漂浮在水面上,隨著波浪上下移動而獲得動能。當(dāng)浮標(biāo)隨波浪向上運(yùn)動時,在浮力的作用下,浮標(biāo)帶動兩連接板A、B向上運(yùn)動。連接板B向上推動鏈條B順時針旋轉(zhuǎn),并通過主動鏈輪B帶動傳動軸順時針旋轉(zhuǎn);同時,連接板A向上推動鏈條A逆時針旋轉(zhuǎn),帶動主動鏈輪A逆時針旋轉(zhuǎn),不影響傳動軸順時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)浮標(biāo)隨波浪向下運(yùn)動時,在自重的作用下,浮標(biāo)帶動兩連接板A、B向下運(yùn)動。連接板A向下拉動鏈條A順時針旋轉(zhuǎn),通過主動鏈輪A帶動傳動軸順時針旋轉(zhuǎn);同時,連接板B向下拉動鏈條B逆時針旋轉(zhuǎn)留學(xué)之路,帶動主動鏈輪B逆時針旋轉(zhuǎn),不影響傳動軸順時針旋轉(zhuǎn)。浮標(biāo)隨著波浪上下移動。在兩組鏈條的交替作用下,帶動傳動軸連續(xù)旋轉(zhuǎn),將波浪能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。詳細(xì)信息請參見實(shí)驗(yàn)視頻。地址:
視頻說明:實(shí)驗(yàn)中使用的浮子重量為40kg,浮子推或拉鏈條的力為392N。
功率計(jì)算
浮子的推力和拉力(F)
假設(shè)浮標(biāo)重量為50噸,排開海水體積為50立方米(海水密度約為1.036噸/立方米,為了計(jì)算方便,假設(shè)海水密度為1噸/立方米) ),得到的浮力為50噸,推或拉鏈條的力F=50噸×9,8=490KN。
傳動軸轉(zhuǎn)速(r)
鏈條型號為48A-1,主動鏈輪齒數(shù)為12,鏈輪節(jié)圓直徑D=294.414mm,半徑d=D/2=0.1472m,周長S=D×л= 0.×3.14=0.925m 。假設(shè)波浪的有效高度為2m,頻率為4秒。浮標(biāo)每分鐘隨波浪移動的距離為L=2m×2/4秒×60秒=60m。傳動軸轉(zhuǎn)速r=L/S=60m/0.925m=64.86轉(zhuǎn)/分鐘。
扭矩(牛)
主動鏈輪節(jié)圓半徑為d=0.1472m,作用在傳動軸上的扭矩為N=F×d=490KN×0.1472m=72.128KN·m。
驅(qū)動軸輸出功率(P)
P=N×r/9.549=72.128KN·m×64.84r/9.549=490kw。
鏈傳動波浪發(fā)電裝置特點(diǎn)
1、收集波浪能能力大,可建設(shè)波浪能發(fā)電站的海域廣闊。
波浪發(fā)生器通過浮標(biāo)收集波浪能。浮標(biāo)的重量越重,獲得的浮力就越大。如果浮標(biāo)的直徑為6米,當(dāng)水深為20米時,浮標(biāo)在水中的高度超過15米,其在水中的體積可以達(dá)到400m3(重量400噸),推或推的力牽引鏈條400噸,傳動軸輸出功率可達(dá)3900千瓦,可帶動1200多千瓦的發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)水深40米時,浮橋在水中的高度超過35米,其在水中的體積可達(dá)1000立方米(重1000噸),推或拉鏈條的力為1000噸,輸出功率為傳動軸可達(dá)9800千瓦,可帶動3000千瓦以上發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)水深60米時,浮橋在水中的高度超過55米,其在水中的體積可達(dá)1500立方米(重1500噸),推或拉鏈條的力為1500噸,輸出功率為傳動軸可達(dá)14600千瓦,可驅(qū)動4500千瓦以上的發(fā)電機(jī)發(fā)電。
水深超過60米的海域也可以建造波浪發(fā)生器,但建造基礎(chǔ)的成本太高,經(jīng)濟(jì)效益不明顯。因此,可建設(shè)波浪發(fā)電的海域十分廣闊。我國從渤海到南海的大部分海域均可建設(shè)波浪能發(fā)電站。如果所有可建設(shè)波浪發(fā)電的海域都得到開發(fā),總裝機(jī)容量可達(dá)500億千瓦(保守估計(jì))。是長江三峽總裝機(jī)容量的2000多倍(長江三峽總裝機(jī)容量為2250萬千瓦)。
2、維護(hù)方便、使用壽命長
鏈條驅(qū)動的波浪發(fā)生器在水面以下有一個鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(包括浮橋)。使用壽命長達(dá)一百年,無需考慮維護(hù)。水面以上有鋼結(jié)構(gòu),可定期涂漆,保證其壽命與混凝土結(jié)構(gòu)同步。鏈條、導(dǎo)向鏈輪、主動鏈輪、軸承均為標(biāo)準(zhǔn)件,可定期維護(hù)。 4天左右即可更換一套新鏈條,保證波浪發(fā)電裝置的長期運(yùn)行。
3、無論波浪大小,均可發(fā)電。
鏈條驅(qū)動造浪機(jī)的支架距水面20米。浮標(biāo)可在水面以上18米以上上下移動(按最大超巨浪設(shè)計(jì))。即使出現(xiàn)15米高的超巨浪,浮橋也能跟隨巨浪。通過上下移動,發(fā)電機(jī)即可正常發(fā)電。只要有波浪,鏈條驅(qū)動的波浪發(fā)電機(jī)就可以全天候發(fā)電。
4、與風(fēng)力發(fā)電相比,波浪發(fā)電的穩(wěn)定性優(yōu)于風(fēng)力發(fā)電。
風(fēng)力發(fā)電的動力是風(fēng)。風(fēng)速變化較大,從0米/秒(0級)到60米/秒以上(17級以上,陸地最高12級,風(fēng)速超過30米/秒)。能發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電速度在5m/s以上(3級),從5m/s到60m/s以上相差10倍以上,甚至在陸地上也相差6倍。強(qiáng)風(fēng)產(chǎn)生大量電力,而小風(fēng)產(chǎn)生少量電力。發(fā)電量可變化數(shù)倍甚至10倍以上,且風(fēng)速隨時隨地發(fā)生變化,風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性較差。波浪能發(fā)電的動力是波浪。當(dāng)波浪小時,頻率和時間就小,當(dāng)波浪大時,頻率和時間就長。無論波浪大小,單位時間內(nèi)波浪上下移動的距離相差不大。例如,當(dāng)波浪高度為2米時,其頻率為3至4秒,波浪上下移動的速度約為1.1米/秒。當(dāng)波浪高度為10米時,其頻率為10至15秒,波浪運(yùn)動的速度約為1.5米/秒。另外,在慣性輪的作用下,功率大時通過慣性輪儲存多余的能量,功率低時通過慣性輪釋放能量,使得傳動軸的轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定并能穩(wěn)定發(fā)電,有利于電網(wǎng)安全運(yùn)行。
5、成本低
波浪能發(fā)電結(jié)構(gòu)簡單。鏈條、鏈輪、軸承等均為標(biāo)準(zhǔn)件,易于加工,因此成本較低。例如,當(dāng)水深為20米時,浮標(biāo)的重量達(dá)到400噸,可以驅(qū)動帶有1200千瓦發(fā)電機(jī)的波浪發(fā)生器發(fā)電。費(fèi)用為360萬元(費(fèi)用包含安裝調(diào)試),每度電費(fèi)用=360萬元/1200千瓦=3000元/千瓦。當(dāng)水深40米時,浮橋重量達(dá)到1000噸,可驅(qū)動3000千瓦的造浪發(fā)電機(jī)發(fā)電。造價1200萬元,每千瓦造價4000元。當(dāng)水深60米時,浮橋重量達(dá)到1500噸,可驅(qū)動4500千瓦的造浪發(fā)電機(jī)發(fā)電。造價2700萬元,每千瓦造價6000元。波浪發(fā)電的成本僅為風(fēng)力發(fā)電的三分之一(風(fēng)力發(fā)電每千瓦成本超過1萬元)。發(fā)展波浪能發(fā)電不僅具有很高的社會價值,而且具有非常高的經(jīng)濟(jì)價值。由于波浪發(fā)電機(jī)造價低,運(yùn)行成本低,波浪發(fā)電投資5~6年即可收回成本。如果能享受國家補(bǔ)貼,4至5年即可收回成本。
6. 困難
深水基礎(chǔ)施工是一個難題。水越深,施工難度越大,成本越高。例如,水深20米,造浪機(jī)成本為3000元/千瓦;如果水深40米,成本為4000元/千瓦;如果水深60米,費(fèi)用為6000元。 /千瓦,。水面以下的基礎(chǔ)建設(shè)成本占波浪發(fā)生器成本的60%以上。深水基礎(chǔ)施工需要使用專用設(shè)備。專用設(shè)備的使用可以大大降低成本。波浪發(fā)電機(jī)的成本可控制在4000元/千瓦左右。如果沒有專用設(shè)備,按照常規(guī)方法建造深水基礎(chǔ)的成本將非常高,波浪發(fā)電機(jī)的成本將超過2萬元/千瓦。深水基礎(chǔ)施工的設(shè)備在另一篇文章中有介紹。