從上世紀(jì)70年代石油危機(jī)開始，各國開始將注意力轉(zhuǎn)移到利用本地資源和尋找適宜廉價(jià)的能源上。海洋是孕育人類的搖籃，地球上75%的面積都是海洋，人類向大海索取資源已成為必然的趨勢。波浪發(fā)電是繼潮汐發(fā)電之后發(fā)展最快的海洋能源利用形式，到目前為止，世界上已有日本、英國、愛爾蘭、挪威、西班牙、瑞典、丹麥、印度、美國等國家相繼在海上建立了波浪發(fā)電裝置。100多年來各國科學(xué)家提出了300多種設(shè)想，發(fā)明了各種各樣的發(fā)電裝置，但普遍存在發(fā)電功率小、發(fā)電質(zhì)量差、單機(jī)容量在千瓦級以下等缺陷。因而波浪發(fā)電技術(shù)仍未達(dá)到普及的應(yīng)用水平。
波浪能是可再生能源中最不穩(wěn)定的能源，波浪不能定期生產(chǎn)，且具有能量強(qiáng)但速度慢和周期變化的特點(diǎn)?，F(xiàn)有的有關(guān)波浪發(fā)電技術(shù)的不足在于，采能的效率低，被轉(zhuǎn)換的二次能不穩(wěn)定，以及對海域環(huán)境的適應(yīng)性差。
現(xiàn)介紹的有關(guān)海洋波浪能開發(fā)利用的兩項(xiàng)技術(shù)，對上述有關(guān)波浪發(fā)電技術(shù)不足的地方有了實(shí)質(zhì)性的突破。
波動(dòng)氣筒增壓換能裝置
本裝置希望解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，以期實(shí)現(xiàn)高效采能并轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的能直接應(yīng)用的二次能源。波動(dòng)氣筒增壓換能裝置，包括2個(gè)部分，一部分是在海面上浮動(dòng)構(gòu)建的一個(gè)用于接收及換能的功能裝置，該裝置包括內(nèi)為高壓集氣室的浮球、活塞室，及與活塞室貫通且由浮球中部穿設(shè)沿至海中的氣筒管?；钊疑祥_通道口，并經(jīng)高壓導(dǎo)氣管連至浮子高壓集氣室的側(cè)開口，在高壓集氣室的側(cè)開口處設(shè)止回流單向閥，在活塞室上方位于通道口的兩側(cè)還開有經(jīng)碟型閥門控制的小進(jìn)氣口。另一部分是與活塞室內(nèi)的活塞體連設(shè)的活塞推進(jìn)桿，該活塞推進(jìn)桿下端連設(shè)一級以上的阻力障板。
有2個(gè)部分值得注意：一是上述的浮球與活塞推進(jìn)桿是非剛性連接的兩結(jié)合體，以確保二者在動(dòng)蕩的海洋環(huán)境下實(shí)現(xiàn)相對運(yùn)動(dòng)且在相互反作用力下保持垂直；二是，上述的氣體增壓室的底端應(yīng)高于海平面，活塞體的直徑應(yīng)大于活塞推進(jìn)桿的直徑。
波動(dòng)氣筒增壓換能裝置的工作過程是，浮球受到波浪能作用上浮，帶動(dòng)氣筒管向上運(yùn)動(dòng)，而活塞體相對于氣筒管是已相對固定的支撐點(diǎn)，此時(shí)活塞室的增壓室（即由活塞體隔離成的上氣室）的體積增大，碟型閥門打開，氣體被吸入；當(dāng)波浪能消失，浮球受地心引力的作用以一定的速度下沉，使增壓室體積變小，氣體壓力增大，碟型閥門關(guān)閉，止回流單向閥打開，涌動(dòng)的高壓氣體通過氣體導(dǎo)管注入浮球的高壓集氣室內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)將波浪能轉(zhuǎn)化為可直接利用的二次能。
活塞體距海平面的高度是由本身的比重所決定的，它是不變的定值，且由于處于深海中受海平面的波浪的影響可以忽略不計(jì)。故當(dāng)浮球受波浪能作用時(shí)，只能沿與活塞推進(jìn)桿的中心線發(fā)生相對作用，氣筒管與活塞推進(jìn)桿的相互制約就是采用了這種方法來確保二者在動(dòng)蕩的海洋環(huán)境下實(shí)現(xiàn)相對運(yùn)動(dòng)，方向反作用力保持垂直，獲得最高的換能效率。
波動(dòng)活塞換能裝置
波動(dòng)活塞換能裝置包括3個(gè)部分。一是在海面上構(gòu)建一個(gè)用于接收及換能的高位水庫。二是水庫下方設(shè)置的采能系統(tǒng)單元，它包括一組置入海里的活塞筒及內(nèi)含的活塞體，活塞體上方為與其貫通的增壓管，同時(shí)一個(gè)浮于海平面的浮球套設(shè)在活塞筒及增壓管上，在增壓管中設(shè)有止回流單項(xiàng)閥，在活塞體上設(shè)有進(jìn)水增壓單向閥。三是，在活塞體底端連設(shè)一級以上的阻力障板。
波動(dòng)活塞換能裝置的工作過程是，活塞筒運(yùn)動(dòng)，活塞體相對于活塞筒為一相對固定的支撐點(diǎn)，在波浪能的作用下，把海水增壓并注入到居于高位的水庫中以實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。
波動(dòng)活塞換能裝置應(yīng)注意，置于海域內(nèi)的活塞筒與其內(nèi)含的活塞體之間的配合長度應(yīng)大于所置海域的最大波高。
上述在海面上構(gòu)建的高位水庫與主體結(jié)構(gòu)為一體，其高度是由設(shè)計(jì)水頭高度要求決定的，它給二次能的應(yīng)用提供了一個(gè)固定高度的水頭穩(wěn)定的能源。在波浪能的作用下，把海水增壓并注入到居于高位的水庫中，就實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換的目的。
水面上的浮球是本裝置的載體，更是采能的主體，它的幾何形狀可是圓錐漏斗型的，這決定了它對波浪的方向無選擇性，可全方位采集波浪能。受波浪作用，浮球向上運(yùn)動(dòng)，也就迫使活塞筒向上運(yùn)動(dòng)，與相對于浮球靜止的處于深水的活塞體產(chǎn)生相對的位移，這一過程即為波浪能的做功期，即采能過程。當(dāng)波浪能消失，由于本身的質(zhì)量及高位水庫的質(zhì)量受到地球引力的作用，以一定的速度下沉，其動(dòng)量完全作用在與之相對固定的活塞體上，同時(shí)使活塞筒內(nèi)的水壓力增加，擠壓到高位水庫中，吸收浮球動(dòng)量并轉(zhuǎn)化為高位水庫的位能，從而實(shí)現(xiàn)了高效采能，并轉(zhuǎn)化為一定高度的穩(wěn)定的位能。由于活塞體的比重決定了它距海面的距離是不變的定值，并且由于它處于深水中受海面波浪的影響較小，故當(dāng)浮球受波能作用時(shí)，只能沿二者的中軸線發(fā)生相對的運(yùn)動(dòng)，活塞體與活塞筒相互制約。采用了這種方法，確保二者在動(dòng)蕩的海洋環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)相對運(yùn)動(dòng)，方向相反，作用力保持垂直，獲得最大的換能效率。
波動(dòng)氣筒增壓換能裝置和波動(dòng)活塞換能裝置都具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)施，適應(yīng)于各種環(huán)境的海域，且能量轉(zhuǎn)換效率高、質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。
波動(dòng)氣筒增壓換能裝置和波動(dòng)活塞換能裝置，把無序的波浪能一次地轉(zhuǎn)換為可直接利用的穩(wěn)定的二次能源。這兩項(xiàng)技術(shù)都可直接用于發(fā)電，建立海上工廠，應(yīng)用于海水淡化、制氫以及錳結(jié)核的開采。
來源：科學(xué)時(shí)報(bào)
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