无尽的海洋 无尽的能量--海洋波浪能开发技术

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从上世纪70年代石油危机开始，各国开始将注意力转移到利用本地资源和寻找适宜廉价的能源上。海洋是孕育人类的摇篮，地球上75%的面积都是海洋，人类向大海索取资源已成为必然的趋势。波浪发电是继潮汐发电之后发展最快的海洋能源利用形式，到目前为止，世界上已有日本、英国、爱尔兰、挪威、西班牙、瑞典、丹麦、印度、美国等国家相继在海上建立了波浪发电装置。100多年来各国科学家提出了300多种设想，发明了各种各样的发电装置，但普遍存在发电功率小、发电质量差、单机容量在千瓦级以下等缺陷。因而波浪发电技术仍未达到普及的应用水平。
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　　波浪能是可再生能源中最不稳定的能源，波浪不能定期生产，且具有能量强但速度慢和周期变化的特点。现有的有关波浪发电技术的不足在于，采能的效率低，被转换的二次能不稳定，以及对海域环境的适应性差。

　　现介绍的有关海洋波浪能开发利用的两项技术，对上述有关波浪发电技术不足的地方有了实质性的突破。

" p! }# T" G1 H　　波动气筒增压换能装置

　　本装置希望解决现有技术的不足，以期实现高效采能并转换为稳定的能直接应用的二次能源。波动气筒增压换能装置，包括2个部分，一部分是在海面上浮动构建的一个用于接收及换能的功能装置，该装置包括内为高压集气室的浮球、活塞室，及与活塞室贯通且由浮球中部穿设沿至海中的气筒管。活塞室上开通道口，并经高压导气管连至浮子高压集气室的侧开口，在高压集气室的侧开口处设止回流单向阀，在活塞室上方位于通道口的两侧还开有经碟型阀门控制的小进气口。另一部分是与活塞室内的活塞体连设的活塞推进杆，该活塞推进杆下端连设一级以上的阻力障板。

　　有2个部分值得注意：一是上述的浮球与活塞推进杆是非刚性连接的两结合体，以确保二者在动荡的海洋环境下实现相对运动且在相互反作用力下保持垂直；二是，上述的气体增压室的底端应高于海平面，活塞体的直径应大于活塞推进杆的直径。
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　　波动气筒增压换能装置的工作过程是，浮球受到波浪能作用上浮，带动气筒管向上运动，而活塞体相对于气筒管是已相对固定的支撑点，此时活塞室的增压室（即由活塞体隔离成的上气室）的体积增大，碟型阀门打开，气体被吸入；当波浪能消失，浮球受地心引力的作用以一定的速度下沉，使增压室体积变小，气体压力增大，碟型阀门关闭，止回流单向阀打开，涌动的高压气体通过气体导管注入浮球的高压集气室内，以实现将波浪能转化为可直接利用的二次能。
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% Y1 c" `) e( u/ ?　　活塞体距海平面的高度是由本身的比重所决定的，它是不变的定值，且由于处于深海中受海平面的波浪的影响可以忽略不计。故当浮球受波浪能作用时，只能沿与活塞推进杆的中心线发生相对作用，气筒管与活塞推进杆的相互制约就是采用了这种方法来确保二者在动荡的海洋环境下实现相对运动，方向反作用力保持垂直，获得最高的换能效率。

　　波动活塞换能装置

　　波动活塞换能装置包括3个部分。一是在海面上构建一个用于接收及换能的高位水库。二是水库下方设置的采能系统单元，它包括一组置入海里的活塞筒及内含的活塞体，活塞体上方为与其贯通的增压管，同时一个浮于海平面的浮球套设在活塞筒及增压管上，在增压管中设有止回流单项阀，在活塞体上设有进水增压单向阀。三是，在活塞体底端连设一级以上的阻力障板。
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; Q& g- e' r7 o) l- ?　　波动活塞换能装置的工作过程是，活塞筒运动，活塞体相对于活塞筒为一相对固定的支撑点，在波浪能的作用下，把海水增压并注入到居于高位的水库中以实现能量的转换。

/ x8 o  t+ Y% ]/ A　　波动活塞换能装置应注意，置于海域内的活塞筒与其内含的活塞体之间的配合长度应大于所置海域的最大波高。

) ?6 i' k- @* J　　上述在海面上构建的高位水库与主体结构为一体，其高度是由设计水头高度要求决定的，它给二次能的应用提供了一个固定高度的水头稳定的能源。在波浪能的作用下，把海水增压并注入到居于高位的水库中，就实现了能量转换的目的。
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4 o) H/ p: X0 z6 K　　水面上的浮球是本装置的载体，更是采能的主体，它的几何形状可是圆锥漏斗型的，这决定了它对波浪的方向无选择性，可全方位采集波浪能。受波浪作用，浮球向上运动，也就迫使活塞筒向上运动，与相对于浮球静止的处于深水的活塞体产生相对的位移，这一过程即为波浪能的做功期，即采能过程。当波浪能消失，由于本身的质量及高位水库的质量受到地球引力的作用，以一定的速度下沉，其动量完全作用在与之相对固定的活塞体上，同时使活塞筒内的水压力增加，挤压到高位水库中，吸收浮球动量并转化为高位水库的位能，从而实现了高效采能，并转化为一定高度的稳定的位能。由于活塞体的比重决定了它距海面的距离是不变的定值，并且由于它处于深水中受海面波浪的影响较小，故当浮球受波能作用时，只能沿二者的中轴线发生相对的运动，活塞体与活塞筒相互制约。采用了这种方法，确保二者在动荡的海洋环境下，实现相对运动，方向相反，作用力保持垂直，获得最大的换能效率。
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　　波动气筒增压换能装置和波动活塞换能装置都具有结构简单，易于实施，适应于各种环境的海域，且能量转换效率高、质量高的优点。

　　波动气筒增压换能装置和波动活塞换能装置，把无序的波浪能一次地转换为可直接利用的稳定的二次能源。这两项技术都可直接用于发电，建立海上工厂，应用于海水淡化、制氢以及锰结核的开采。