微型水波能发电装置的设计

    沈昕

    摘 要：文章设计了一种利用水面波浪作为动力源的微型水波能发电装置，水面波浪经过本装置内部的一系列组成部件的处理后，最终实现水波能到电能的转换。本微型水波能发电装置体积微小，实现简单，且成本低，可以有效满足特定场合的应用需求，具有广泛的应用前景。

    关键词：微型；发电装置；水波能；电能

    1 前言

    水力发电是我国电力工业一个重要的门类，建国以来，我国的水电事业有了长足的发展，取得了令人瞩目的成绩[1]。能取得这样的成绩归结为如下几点：①我国水能资源丰富，不论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，在世界各国中均居首位，水力发电前景广阔[1]。②常规发电方式，煤的燃烧过程中会排放出大量的有害物质使大气环境受到严重污染，引发酸雨和温室效应等多方面的环境问题。而核能发电又有很大的潜在危险性，一旦泄露将造成严重污染，对环境的破坏作用是不可估量的。水力发电不排放有害的气体、烟尘和灰渣，又没有核辐射污染，是一种情结的电力生产，具有明显的优势[1]。③水力发电经过一个多世纪的发展，其工程建设技术、水轮发电机组制造技术和输电技术趋于完善，单机容量也不断增大。并且水力发电成本低廉，运行的可靠性高，故其发展极为迅速[1]。

    目前，水力发电的基本原理是利用水位落差，配合水轮发电机产生电力，也就是利用水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，从而得到电力。以这种传统方式产生的电能电压都较高，多用于市电及工农业用电，且受制于地形限制，需要修建专门的水利设施和购置专门的发电设备。

    随着水利水电应用的发展，出现了以水面波浪为动力的发电装置。

    2 波浪能发电技术概况

    2.1 波浪能简介

    波浪能主要是由海面上风吹动以及大气压力变化引起的海水有规则的周期性动，具有一定的动能和势能，动能是指波动的水质点以一定速度运动具有的能量，势能是指水质点运动与海平面发生位移所具有的能量。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比[2]。

    波浪能主要用于发电，可为海上孤岛、沿海经济开发区及其它设施等提供优质电能。此外，波浪能还可以用于供热、抽水、制氢以及海水淡化等[2]。

    2.2 波浪发电的原理

    波浪发电的原理主要是利用波浪运动的往复力、浮力产生动力或位能差。利用水面波浪发电的方法大致有3种：①是利用水面波浪的上下运动所产生水流或空气流，使水（气）轮机转动，从而带动发电机发电；②利用水面波浪装置的前后转动或摆动产生水流或气流，使水（气）轮机转动，从而带动发电机工作，产生电；③将低压大波浪变为小体积的高压水，然后把水引入高位水池积蓄起来，使它形成了水位的高度差，再来冲动水轮发电机发电[2]。

    波浪能具有储量大、分布广、获取方式多样等优势，因而成为最有发展前景的能源之一。但是现有的水波能发电多采用液压发电技术，通过水波能压缩空气振动涡轮带动发电机运转以产生电能，但这种水波能发电装置设备庞大，技术复杂，而且成本高。通常在一些环境监测设备节点以及其他微电子设备供能方面，只需功率很小的发电装置即可，采用现有的水波能发电设备并不能应用在这种场合。因此，针对这些应用场合，文章设计了一种比较小的水波能发电装置——微型水波能发电装置。

    3 微型水波能发电装置技术实现

    3.1 微型水波能发电装置系统组成

    主要由漂浮振子、微型电磁感应线圈、微型磁缸、整流电路、充电控制模块、电能储存装置组成，如图1所示。

    3.2 微型水波能发电装置各部分功能

    3.2.1 漂浮振子

    漂浮振子将漂浮在水面上，它随着水波运动而振动，实现了水波能到机械能的转换。

    3.2.2 微型电磁感应线圈

    将微型电磁感应线圈与漂浮振子连接在一起，当漂浮振子在水面上随水波运动时，将带动微型电磁感应线圈在微型磁缸中作切割磁感线运动，从而产生电动势，进而完成机械能到电能的转换。

    3.2.3 微型磁缸

    微型磁缸是一个由磁铁构成的圆柱体物体，如图2所示。微型电磁感应线圈通过在其中作切割磁感线运动而产生电动势。

    3.2.4 整流电路

    整流电路如图3所示，由于微型电磁感应线圈随着漂浮振子在微型磁缸中上下往返运动而产生正负交替的交流电压输出，这种电压极性不稳定，因此，整流电路的作用就是将正负交替的交流电压输出转换成极性稳定的直流电压输出。

    3.2.5 充电控制模块

    充电控制模块如图4所示，其核心部件是LTC4425充电控制器，通过充电控制器实现对储能部件（超级电容，如图5中6-1）的充电进行控制和保护，它能够防止对储能部件的过度充电和过度放电，提高储能部件的使用寿命和安全性。

    3.2.6 电能储存装置

    电能储存装置如图5所示，主要由超级电容（6-1）通过连接头（6-2）串并组合而成，它与普通的可充电电池相比，超级电容具有更多的可充放电次数，实际效率更高，而且具有更低的内部电阻，并具有更好的安全余量和热性能，而且超级电容所要求的低电压正符合低功耗微电子产品的供能要求。

    3.3 微型水波能发电装置关键技术

    3.3.1 整流电路的技术实现

    整流电路采用经典的全波桥式整流，如图3所示。整流桥由4个二极管组成，在整流桥的每个工作周期内，同一时间只有两个二极管进行工作，通过二极管的单向导通功能，把交流电转换成单向的直流脉动电压。在图3中电容C1，C2主要起滤波作用，平滑直流电压输出，减少纹波成分，C1，C2可以根据实际应用的环境选取合适大小的电容。

    3.3.2 充电控制模块的技术实现

    充电控制模块是本设计的重要部分之一，它是控制系统正常运转的神经中枢，电路图如图4所示，其核心部件是LTC4425充电控制器，该器件采用具有热量限制的线性恒定电流-恒定电压（CC-CV）架构，从锂离子/聚合物电池、USB端口或其它2.7V至5.5V的电流受限电源，将两节串联的超级电容器充电至可编程的输出电压，具有智能充电电流曲线限制浪涌电流，自动能量平衡在充电时防止电容器过压的特点。

    3.3.3 电能储存装置的技术实现

    电能储存装置采用超级电容通过串并组合的方式实现，如图5所示。由于微电子供电电压普遍较低，分别选取标称值为30F/2.5V的超级电容四个，每两个超级电容串联起来使其输出电压达到5V，串联起来的超级电容两组再并联起来，提高其可输出电流，以增大其所存储的电能容量。另外，还可以根据具体的应用情况选取合适的超级电容，并采用灵活的串并组合方式满足不同的应用需求。

    4 结语

    文章设计的微型水波能发电装置具有很多优点，它克服了常规大型水波能发电装置在微电子供能方面的不足，大大降低了水波能发电装置的体积，使其实现简单，成本低廉，能够有效的满足微电子低功耗设备的供能需求，具有广阔的市场应用前景。

    [参考文献]

    [1]马一太，邢英丽.我国水力发电的现状和前景[J].能源工程，2003（4）：58-60.

    [2]陈韦，余顺年，詹立，等.波浪能发电技术研究现状与发展趋势[J].能源与环境，2014（3）：94-95.