双腔振荡式水轮发电机的探索与实验研究
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【摘 要】双腔振荡式水轮发电机的探索与实验研究作为一项设计性、研究性实验，这有利于培养学生的开拓精神和创新能力。本文提出一种双腔振荡式定桨水轮机装置的研究性实验，进行原理探究，该装置的工作原理是将波浪转变为驱动水轮机发电机的连续水流，从而实现波浪能转换为电能。其次，阐述装置相关理论，根据设计参数选取相关计算模型和公式，并从波浪平面高度、波峰高度、水位差的高度等几个方面进行研究，进而得出提高发电机发电效率的方法。通过对装置的初步验证，该装置有发电效率较高，能产生稳定有效电力，可行性高的优点。
【关键词】波浪能;双腔振荡式;定桨水轮机;连续水流
中图分类号： TV136 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）02-0033-003
0 引言
波浪能是海洋能中最不稳定的一种能源，但其分布最广且能流密度大。波浪在风、气压和水的重力等多种自然因素的综合作用下起伏运动，具有一定的动能和势能。所谓波浪能发电，即把海浪中的波浪能转换成电能的一种方式。如果能有效的开发利用海洋可再生资源，必将缓解能源供给不足带来的压力，有助于社会的持续发展。
波浪发电装置主要由两部分组成：第一部分是采集装置，负责波浪的获取;第二部分是转换装置，负责将捕获的波浪能转化成机械能或电能。基于对海浪发电机的了解，同时参考国内外优秀的浪流发电转置设计[1-3]，本文提出了一种双腔振荡式水轮机发电装置，该装置是一种双腔振荡水柱时的波能发电装置，将波能转换为机械能驱动水轮机，水轮机带动发电机切割磁感线转化为电能。该装置结构设计简洁，能量转换过程简单以及波能转电能的转化率高，可行性大。双腔振荡式水轮发电机的设计性实验作为一项设计性、研究性实验，这有利于培养学生的开拓精神和创新能力[4]。
1 双腔振荡式水轮发电机的实验研究
1.1 实验原理
水轮海浪发电机作为一种双腔振荡水柱发电系统，其工作原理是将海浪转变为连续的水流驱动水轮发电机发电。发电过程有两个阶段。阶段一：当外在的水面向上从波谷升到波峰，入射海浪将外在的水推入进水舱，使得进水舱的水位升高，同时，进水舱的水又通过进水舱和出水舱之间的水涡轮机进入出水舱。实现波浪运动驱动设备运动的过程。阶段二：当外在的水面向下从波峰跌到波谷，出水艙的水位将跟着进水舱的水位同时下降，而引起另一轮来自进水舱到出水舱的水流。在这两阶段中，振荡水柱不断的在波浪运动中循环发生。在此过程中，通过两组单向流动阀门控制水流的流动方向，从而产生稳定、单向的水流推动水涡轮机顺利的运转，并产生稳定有效的电力。
1.2 实验器材
双腔水箱、高压无刷发电机、明槽轴流式定浆水涡轮机、 三相整流桥
1.3 实验方案的实现
本方案设计的发电装置利用的是波浪从波峰到波谷的水位差，实验装置的主体构造如图1a所示，主要由双腔水箱、水涡轮机和高压无刷发电机三大部分组成。双腔水箱作为采集装置，分为进水舱和出水舱，进水舱负责波浪的获取，出水舱则负责波浪的回流，水箱侧面进出水舱处均设有单向流动棋盘阀门，在阀门处都贴有油纸以便实现上舱进水、下舱出水的效果。明槽轴流式水涡轮机作为能量转换装置，负责将捕获的波浪能转化成机械能，水涡轮机再通过同心传动轴带动放置在进水舱上方的高压无刷发电机发电。由于发电机发出来的是交流电，所以需要将发电机接线连接三相整流桥进行整理，接着连接稳压模块进行稳压，此时输出的电流是比较稳定有效的，最后再接入万用表中显示出数据，根据数据进行发电效率和输出总电能的计算和实验分析。该装置具有以下特点：
（1）双腔水箱：双腔水箱作为采集装置，分为进水舱和出水舱，进水舱负责波浪的获取，出水舱则负责波浪的回流，其优点是可以有效稳定地获取波能并减少放射波。
（2）单向流动棋盘阀门：水箱侧面设有上阀门和下阀门，两种阀门的尺寸一致并分别有60个方孔，在阀门处都贴有油纸以便实现上舱进水、下舱出水的效果。其优点是可以调节水流量，在不同波浪情况下能发出有效稳定的电力。
为了提高单向流动棋盘阀门的密封性，我们选择了贴合性好的油性纸，阀门贴纸方向至下而上来贴，迎合波浪方向，我们还在上阀门的贴纸上加了钉子来增加油纸重力，如图1b所示，阀门能够贴合紧密及运作规律;为了提高水轮机的转速，我们通过切割进水口的环盖和提高水轮机的摆放高度来增加了经过水轮机管道的进水量，通过把出水口扩大增加出水量，如图1c所示，实验证明水轮机转速和发电效率有了很大的提高。
1.4 实验数据分析与记录
由文献可知[3]：发电效率η=发电机输出功率P出/输入机械功率P入，本装置选用的是三相发电机，则输出功率P出=1.732UI（I=0.02A），输出机械功率实际等于水轮机的出力，因此 P入=9.81QHηt（ηt≈0.9）。由于水流量 Q= V*（3.14D^2/4） 已知圆管内径D=0.06m，设装置水位高度为h1，波峰高度为h2，根据本装置研究可知水头H=h1-0.12m， 流速V=2（h2-h1）/T，发电机一段时间的输出总电能为Q=P出t=UIt，由以上公式可知，发电效率与水位高度、波峰高度和波浪周期都有关系。
首先，我们选择了水位高度为28cm、31cm、33cm作为水位高度对本装置发电效率的影响的探究实验。在记录实验数据时，为了减少实验误差，我们分别记录每次实验下的最高电压、出现频率最高的电压及最低电压，再探究其中的规律，实验数据如表1所示（注：表格中电压值从左到右分别为最高电压、出现频率最高电压、最低电压）：
根据所记录的实验数据，我们可以看到三个表格数据的共同点都是随着水位差的升高，发电机输出的最高电压值、出现频率最多电压值和最低电压值都有所增加，且不同周期情况下的电压值相差范围较小。并且，当水位高度在28cm时，本装置输出的电压值相对较高。 为了对实验数据进行进一步分析，我们多次进行实验并记录数据，并选用了实验中出现频率最高的电压值进行如图2所示的折线图分析，同一水位高度和同一波浪周期条件下，随着水位差的升高，输出电压也有所升高。且可以看出本装置的水位为28cm时输出电压相对较高，水位为33cm时输出电压相对较低。综上，根据理论公式计算可得，本发电装置的效率基本在80%以上。
2 拓展性实验
因为该实验装置运用到水位差的原理，所以我们大胆的提出了一个猜想，是否能够通过减少进水腔的长度从而提高进水腔内的水位高度，与出水舱形成更加明显的水位差，以此提高水轮机的转速，增加发电装置的发电效率。
由前面实验的基础下，我们选择了输出电压较大的两种状态下的水位和波峰进行改变出水舱体积的實验，分别为水位28cm波峰36cm时和水位31cm波峰39cm时。我们利用泡沫板改变实验装置初步得到的实验数据如表2和表3所示：
图中的数据可以初步判断我们的猜想拥有一定的可研究性，出水舱减小体积后的实验数据相对于之前的实验数据都高，说明出水舱的体积对水位差的值有影响的，因此，这将成为本实验装置的下一个研究方向。
3 实验结论
通过实验数据记录分析，本文提出的双腔振荡式水轮发电机具有以下优点：
（1）结构简单：装置为模块化结构设计，相对其他类型的发电装置制作过程更加简便，完成可能性大。
（2）性价比高：装置需要的零件较少，购买零件的费用不算高，且容易购买。
（3）可靠性大：需要水下运动部件数量少且易于维修，可靠性高。
（4）利用率高：设计闭合的双腔室和明槽轴流定浆作为转换装置，能量转换过程简单且能量利用率高。
（5）稳定性大：装置设有单向流动棋盘阀门调节水流量，水流几乎可以恒定并且单向驱动水轮机平稳旋转，可以有效地产生稳定的电力。
（6）设计闭合的双腔室和明槽轴流式水轮机作为转换装置，发电机直接与轴流式水轮机连接，机械结构简单，能量转换过程简单，大大减少了转换过程中能量的损耗，能量利用率高，发电效率能稳定在80%以上。
（7）本装置采用的能量转换装置时轴流式定桨水轮机，相比于转换效率能达到90%，但机械结构复杂，价格更昂贵的轴流式转桨水轮机，在应用于小型发电装置上性价比更高。
4 总结
本文阐述了双腔振荡式水轮发电机装置的相关理论，根据设计参数选取了相关计算模型和公式，并从波浪平面高度、波峰高度、水位差的高度等几个方面进行研究，进而得出提高发电机发电效率的方法。通过对装置的初步验证，该装置有发电效率较高，能产生稳定有效电力，可行性高的优点。双腔振荡式水轮发电机的设计性实验作为一项设计性、研究性实验，对实现有效的开发利用海洋可再生资源，缓解能源供给不足带来的压力，保证社会的持续发展具有一定的理论参考价值。
【参考文献】
[1]赵飞.一种新型波流耦合发电装置及叶片结构优化[J].船舶工程，2015（9）：99-103.
[2]郑源，陈德新.水轮机[M].北京：中国水利水电出版社，2011：1-352.
[3]张三慧.大学基础物理学[M].北京：清华大学出版社，2010：155-161.
[4]沈元华.设计性、研究性物理实验介绍[J].物理实验，2004，24（2）：33-37.
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