浅谈光能潮汐能互补发电系统设计与分析

    袁广民　朱日程　杜鑫鑫

    摘 要：本文以当前能源紧缺，新型能源崛起为背景，基于一款潮汐能联合发电装置，首先通过实体建模对此套装置进行介绍，然后对装置合理性进行理论性分析，最后开展系统设计推广的探究讨论。旨在归类总结当前能源两大热点方向联合的可能性和适配性。

    关键词：联合发电技术；潮汐能利用；适配性讨论

    0 前言

    为了更好地落实能源有效开发、能源节约这一发展战略，通过建模、设计的形式分析潮汐能与光能的联合发电系统是极为必要的，在掌握系统工作原理、工作方式的基础上，大大提高系统利用率，确保所供应的电能及时满足生产、生活需要，为实现南海战略发展提供可靠的能源平台。从中能够看出，本文针对潮汐能光能互补发电系统建模与设计的探讨这一论题全面分析，具有重要的现实意义。

    1 光能潮汐能发电系统介绍

    传统斯特林机是一种以化石燃料为能源的闭循环回热式外燃机，依靠外燃燃料供能就会出现对燃料纯度要求高且能量耗损大的问题。采用的酒精灯供能方式，燃烧效率低，且对酒精纯度有较高要求。而对于潮汐能的利用方面，通常采用平面转轮桨叶模型来采集能源。采用的平面转轮桨叶存在着对于潮汐能利用率低，叶片耗损大的弊端。现对新型潮汐能风能联合发电设备进行如下简介。

    1.1 系统组成

    此套装置主要有三个方面组成。具体为：斯特林聚光机组、旋转桨叶式潮汐吸收发电机组、“超—连”集合装置。其中斯特林聚光包括聚光镜、斯特林机（热气缸、 冷气缸、散热片、 热气缸活塞、冷氣缸活塞、回热器、热气缸连杆、冷气缸连杆、套筒、曲轴）。旋转桨叶式潮汐吸收发电机组包括大齿轮、小齿轮、反式轴向立式桨叶。“超—连”集合装置包括超越离合器、锥齿轮、发电机、飞轮、鼓形齿式联轴器、椭球型稳定器。值得指出，发电机也是整套发电机组的主要组成部分，它主要发挥能量转换工作，即机械能转变为电能；采用铅蓄电池可储存发电系统的过剩产能，且规避同频率并网的难题，确保生产、生活用电需要得到持续性满足。

    1.2 系统结构

    具体结构（如图1所示）左端为斯特林聚光机组，中间部分为“超—连”集合装置，通过超越离合器与鼓形齿式联轴器相互配合，实现两种能源的联合，最右端为旋转桨叶式潮汐吸收发电机组。

    2 原理介绍与理论分析

    由于此套装置所涉及内容较多，系统结构较为复杂，因此针对部分重点内容进行详述。

    此套装置机械部分主要包括聚光镜，斯特林机，飞轮，鼓形齿式联轴器，反式轴向立式桨叶，椭球型稳定器，发电机等装置。

    聚光镜为一个半球形的球面反射镜，安装于斯特林机的热气缸底部，聚焦太阳能加热斯特林机的热气缸来为其提供热能，球面反射镜的球心位于热气缸中轴线上。在太阳能利用领域，菲涅尔主要作为光伏聚光设备的聚光核心部件，将光线从大范围光区通过折射转化为小范围光区。廉价的菲涅尔透镜一般由透明塑料压铸或模塑而成，其尺寸可以在做得比玻璃大的同时更轻、更经济，因此，大型的菲涅尔透镜也被广泛用在太阳灶聚集阳光或是太阳能热水器上。

    斯特林机[1]为一个以聚焦太阳光为热源的外燃机，主要结构有热气缸、冷气缸、散热片、活塞、迷宫回廊回热器、连杆、曲轴、套筒。散热片是位于冷气缸上的铜质同心圆环薄片，用于增加冷气缸的散热效率。回热器位于连接冷热气缸的通道中，热气缸向冷气缸排气时气体对回热器散热，冷气从冷气缸回流至热气缸时从回热器吸收热量，充分利用热能，即太阳能使得热气缸活塞先动，然后带动冷气缸活塞动，从而依次交替运动，提高发电机效率。套筒内圈的轴瓦为黄铜，曲轴为钢材，二者配合可以降低摩擦，提高零件的使用寿命。连杆和活塞铰接，连杆可以绕活塞有小角度的转动。

    飞轮为一个六孔钢制轮盘，在曲轴运转至上下死点（即当压力角等于90度时，连杆对从动件的驱动力或力矩为零的情形）时可以利用简单的机械驱动装置（旋转飞轮）驱动飞轮旋转使曲轴冲过死点开始运转。飞轮具有较好的质量，可以储存释放角动能使得斯特林机运转更加平稳。由于曲轴转速是随转动位置而变化的，当曲轴转速增高时，飞轮的动能增加，把角动能贮蓄起来；当曲轴转速降低时，飞轮动能减少，把角动能释放出来。同时，飞轮可以用来减少曲轴运转过程的速度波动，使运转更加平稳。

    反式轴向立式桨叶（如图2所示）是由一个弧形叶片绕主轴阵列旋转形成的，具有结构强度高、潮汐能利用率大的优点，扩大水下能量采集装置的工作面积，使对于潮汐现象引起的海水流动所产生的能量进行吸收、转化。并与锥齿轮连接，经超越离合器，将扭矩汇聚至鼓形齿式联轴器，最终传递至发电机。

    椭球型稳定器可减少水下负载对整体装置的拉力，同时增大转动惯量，提高装置稳定性与抗损性。

    曲轴末端与发电机连接的一端还连接有飞轮，用于储存角动能，稳定装置。

    电路控制部分主要集中在控制菲涅尔透镜的追光性。为保证透镜聚焦太阳光的效率最高，应使透镜的聚焦中心实时追踪太阳光。此外考虑到灰尘堆积、太阳高度角变化以及光敏电阻在同环境下的敏感度不同问题，设计多控制变量的敏感电路。

    斯特林机热力循环过程如下：

    定温压缩过程：承接自定容冷却中的热气缸运动，循环开始，冷气缸连杆推动冷活塞向上移动，热活塞不动，冷气缸中气体被压缩，向气缸外放出热量，气体温度不变。

    定容加热过程：冷气缸连杆继续推动冷活塞上移，在气体压力与热气缸连杆控制下热活塞向下移动，冷气缸中的气体通过回热器进入热气缸，气体通过回热器时温度升高压力升高。

    定温膨胀过程：高温气体膨胀推动热活塞向下移动，对外做功，加热源使热气缸中气体在膨胀做功时温度不变，减缓气压下降，热活塞移动到下死点。

    定容冷却过程：热气缸连杆控制热活塞向上移动，冷活塞向下移动，气体通过回热器时对其放热，温度降低，压力下降，等冷热活塞移动到各自端头整个循环完成。

    可见此种光能潮汐能集成发电装置，采用基于斯特林循环利用太阳能热效应的发电方式，完全替代单晶硅、多晶硅材料，降低生产能耗，减少污染。采用反式轴向立式桨叶，增加桨叶在水下的稳定性，扩大水下能量采集装置的工作面积，使对于潮汐现象引起的海水流动所产生的能量进行吸收、转化。采用椭球型稳定器减少水下负载对整体装置的拉力，同时增大转动惯量，提高装置稳定性与抗损性。

    3 系统设计推广分析

    过去的十年间，新型能源发电装置不断涌现，其中光伏发电产业和自适应性潮汐能源产业已受到了各国政府的大力支持，发展清洁能源已经被提到国家战略层面，光伏发电一直以清洁为宣传口号，但其所使用的硅光板的生產需要消耗大量的能源，也会产生很大的污染。而采用以太阳能为热源的斯特林循环发电，不需要使用能耗高、污染大的单晶硅、多晶硅材质的光伏板，真正发挥了太阳能清洁能源的特点。同时，因地制宜地利用广袤无垠海洋中海浪流动、起伏的能量发展潮汐能，解决沿海经济发展受制能源限制的困境，将成为未来的一大发展趋势。

    为了解决现有能源紧缺问题，提高诸如南海等特殊地区的能源补给率，充分利用环境资源，实现可循环可再生发展。此套光能潮汐能集成发电装置：基于斯特林循环利用太阳能的热效应发电，避免使用制作成本大能耗高污染的光伏发电板。利用反式轴向立式桨叶，增加轴向转动力矩，避免平面桨叶易破损的弊端，增强装置结构稳定性，以此适应潮汐变化对装置的侵蚀。椭球型稳定器为中空的椭球型囊腔，可用于减少水下负载对整体装置的拉力，增大转动惯量，提高装置稳定性与抗损性。所采用的菲涅尔透镜具有结构轻巧，聚光度高，光能穿透损失小的特点。终端所采用蓄电池简化图如图3所示。

    在匹配问题上，实际上是指光能潮汐能系统对于现有环境的贡献度以及两种能源的相互干涉。通过采用“超—连”集合装置，“超”即超越离合器，可实现扭矩的定向传递，互不干扰。“连”即鼓形齿式联轴器，可消除因联轴器前后两轴不共轴线而带来的曲轴内力。通过中间的曲轴连接，可以实现两种能源的互补发电不受影响。

    4 结论

    基于上述系统特点，可见，针对南海等偏远地区，此套装置具有很大的发展空间。同时光能潮汐能的联合技术，不仅实现了对于沿海地区所蕴含丰富的潮汐能的利用，光能的加入也使得发电更加趋于稳定。这对我国实施南海战略提供了坚实的能源支撑，有利于我国对于偏远地区的开发与发展。

    参考文献：

    [1]赵征，吴艳辉. 一种风光联合发电机[P].西北工业大学，2017.

    [2]李蔷，高郭平，安佰超，程灵巧.白令海峡及其邻近海域潮汐潮能数值模拟[J]. 极地研究，2018，30（1）：2-10.