摘 要： 监测海洋资源信息的小尺寸浮标的研究是一个热门话题，但一直面临一个重大限制问题，常用的太阳能发电并不能满足设备的全部电量需求，需要设计一种尺寸小，发电稳定的装置满足小型浮标的工作耗费的电量。基于此提出一种小型偏心摆式波浪能发电装置应用于小型渔业浮标上，发电装置安装在浮标内部下层，吸收浮标周围的自然能量，控制产生稳定的电量满足浮标工作电量需求，并能将多余电量储存在蓄电池中，发电装置产能不足时蓄电池支撑浮标持续工作。
关键词： 偏心摆; 波浪能发电; 小型渔业浮标;
随着海洋捕捞业的蓬勃发展，渔业浮标也越发受到人们的重视。过去由于浮标本身尺寸的限制，小型渔业浮标采用蓄电池作为能量源，但由于浮标内监测仪器工作频繁耗电量较大，因此需要人工定期回收补充蓄电池能量，耗费人力财力较大。近些年随着技术发展，越来越多的小型渔业浮标采用太阳能板发电配合蓄电池作为能量源供能，但太阳能板发电受到周围环境温度和光照强度的影响，发电电压并不稳定，不稳定的电压易损坏检测仪器，且太阳能板随着时间推移会逐渐降低发电功率，不足以支撑监测仪器长期稳定工作。因此研发一种稳定且可持续时间长的发电设备应用于小型浮标上是有必要的。
波浪能作为一种清洁无污染的能量源，主要是通过转化为机械能、热能和化学能的方式，最终将波浪能转化为电能，经过200多年的研究，部分波能发电技术已十分成熟。中国波浪能资源十分丰富，可开发量达到10亿kw的量级，在近岸区域波浪能量平均在1285万kw，因此将波浪能发电技术应用于小型渔业浮标是可行的。
1 、偏心摆波浪能发电装置介绍
偏心摆式波浪能发电装置是近些年才兴起的一种新型发电设备，主要由外壳、转子、转轴、发电机、蓄电池、用电器等组成通过，工作原理是将波浪对浮体造成的摇动转化为转子转动的机械能，经过传动将机械能通过发电机转化为电能。目前国内对该装置研究较少，但在国外已有一些成功商化的例子。偏心摆式波能发电装置最早在1966年由Thiokol公司正式发布的专利中提出，2006年美国Neptune Wave Power有限公司被授予首批偏心摆波能发电装置专利，该装置特点在于工作过程中，可以根据受到波浪力的大小浮体中的控制模块自动改变摆锤上重物的位置，从而改变摆的转动惯量，促使摆稳定速度转动，最终使产生的电压稳定。目前芬兰Wello公司提出的Penguin TM是最为成功的偏心摆波浪能发电装置，已经成功商化，该装置直径在20m左右，内部发电装置主要由摆锤、转轴、加速轮系、发电机组、外壳组成，外壳进行特殊设计适应工作地的波浪特性，摆锤与波浪能够更好达到共振，WEllo公司宣传该装置在峰值时功率可达到500kw。
2 、摆式波能发电装置在小浮标上的设计
2.1、 装置总体设计方案
本文主要设计了一种小型渔业浮标，如图1所示。浮标分为上下两层相互隔离，上层安装监测、传输仪器。摆式波能发电装置安装在浮标下层，替代原本浮标内沉块的作用，不会干扰浮标的正常工作。发电装置由三部分组成，分别为蓄能部分、控制部分、转换发电部分，总体设计图如图2所示，图2中1-偏心摆，2-减速轮系，3-扭簧轴，4-双层扭簧盒，5-发电机，6-圆薄支撑板1,7-擒纵叉，8-擒纵叉轴，9-圆薄支撑板2,10-摆轮游丝装置，11-加速轮系。
图1 小型渔业附表
图2 摆式波能发电装置整体设计
2.2、蓄能部分
集能部分由偏心摆、减速轮系、扭簧轴（图3）和双层扭簧盒（图4）组成。扭簧轴由粗细2根扭簧轴组成，细轴放置于粗轴内部，细轴较粗轴更长，粗细扭簧轴下端都开有沟槽，用于连接扭簧盒内扭簧的其中一端。双层扭簧盒外部分别有擒纵齿和一般轮齿，擒纵齿受控制部分装置限制，起到稳定扭簧盒转速的作用，一般轮齿与加速轮系相连，增大转速，为发电机主轴提供动能。扭簧盒内部分上下两层，上层放置粗扭簧轴，下层放置细扭簧轴，扭簧盒内部开有勾槽，连接扭簧另一端。当浮标在受到波浪作用开始摇晃时，偏心摆随浮标进行围绕摆轮轴的顺逆时针转动，将波浪能开始转化为机械能，与偏心摆连接的摆轮轴下方连接2个转动方向不同的单向轮，单向轮分别连接2组换向轮系。当偏心摆逆时针转动时，上单向轮有效转动，下单向轮空转，通过换向轮传动使细扭簧轴产生顺时针转动。当偏心轮顺时针转动时，上单向轮空转，下单向轮进行顺时针转动，经过换向齿轮传动，最终将偏心摆顺时针转动也转变为粗扭簧轴的顺时针转动。经过齿轮的换向作用，不仅将偏心摆的顺逆时针转动化为扭簧轴的顺时针，使扭簧盒内扭簧开始蓄能，等能量积累至一定程度时，扭簧的作用力会带动扭簧盒转动，从而使与扭簧盒连接的加速轮系开始传动。
图3 扭簧轴
图4 双层扭簧盒
2.3 、控制部分
控制部分如图5所示，由擒纵叉、擒纵叉轴（图6）和摆轮游丝装置组成。当扭簧盒开始转动时，扭簧盒外部擒纵轮开始与擒纵叉相互碰撞，擒纵叉绕插头细轴发生一定的偏转。擒纵叉尾与摆轮轴通过短轴相互固定，短轴上套有弹簧，弹簧连接擒纵叉尾与摆轮轴，擒纵叉转动时扭簧轴也会发生相应转动。在摆轮游丝装置中，游丝一头固定在摆轮边缘，另一头固定在摆轮轴上，当摆轮轴开始转动时，游丝开始压缩，摆轮也会发生转动，游丝压缩后产生反向作用力，促使摆轮轴恢复初始位置，最终使擒纵叉同样恢复至原有位置，扭簧盒转动一个擒纵叉齿的位置，下一个擒纵轮碰触擒纵叉，开始下一个循环，达到稳定扭簧转速的作用。为了限制擒纵叉的转动幅度，摆轮轴上部增加一个深槽，可以将擒纵叉尾部的延申至摆轮轴内部，擒纵叉转动时会碰触到槽壁，最终限制转动幅度。摆轮游丝系统的恢复效果由游丝刚度和摆轮转动惯量决定，通过改变游丝的长度、厚度、材质等属性可以改变擒纵叉的转动频率，从而达到改变扭簧盒的转速的效果。
图5 擒纵控制装置
图6 摆轮轴
2.4 、转换发电部分
发电部分由发电机和加速轮系组成，分别安装在下层圆板上。扭簧盒的稳定转动经过加速轮系传动加速，最终带动发电机主轴转动，产生稳定的电能。电能提供给浮标的整个工作系统使用，剩余电能暂时储存于蓄电池中，当发电机发电不足时使用。
3、 偏心摆式发电装置优点与未来发展
(1）浮体的外壳形状对偏心摆吸收波浪能有非常重要的作用。合适的外壳形状可以有效提高波能捕捉效率。设计外壳时，应尽可能参考当地海域平均波高和频率，适当改变浮体形状。
(2）改变偏心摆转动惯量可以提高不同海洋环境中装置的波能吸收效率。当波浪高改变时，控制偏心摆质心与转动中心的距离，瞬间改变偏心摆的转动惯量，可以提起稳定转速和提高能量转换率的作用。因此在浮标内部设置控制器，控制偏心摆上重物的位置是有效提高发电效率的手段。
(3）增加储能装置储能上限，可以使浮体在高波浪频率海域持续工作。增加扭簧的长度、厚度以及更换材质，使扭簧盒更多的暂时储存机械能。
4、 结论
摆式波能发电装置通过偏心摆吸收波浪能，经过控制装置限制，最终使发电机获得稳定的转速，产生稳定的电能供给监测设备使用。装置安装于浮标内部免受海水侵蚀，工作时运转稳定，适用于独立长时间工作的渔业探测浮标上。轻微波浪就可使装置产生电力，该装置适用海域十分广泛。
应用摆式波能发电装置的渔业浮标可以稳定长时间工作，在长期帮助渔民获得目标鱼群信息方面作用明显，并且装置适用范围广，配件生产模块，替换方便，作为波能转换发电应用于城市发电，值得进行进一步的研究和推广。
参考文献
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