水伏感应发电技术及其在航标上的应用方案
发布时间：2020-09-25
摘要：文中以“为航标高效提供更多绿色电力”为核心目标，紧密围绕目前航标供电系统中存在的“电力少、低温受限”等突出问题，提出了一种基于水伏原理的新型海洋发电技术，利用水伏发电和直线发电两种方式，实现电能的高效存储和利用。
关键词：水伏;发电;双电层;浮标
引言
航标即助航标志，是指示航道方向、界限与障碍物的重要标志，它包括河标、沿岸标、导标、过渡导标等形式，主要起到引导船舶航向、定位、标志障碍物的作用。为确保航标实际应用中始终发挥良好的导向作用，可通过优化航标动力供应渠道实现资源的综合利用。
1振荡水柱式波浪能发电技术原理
振荡水柱式波浪能发电技术也称为空气透平式波浪能发电技术，是目前应用最广泛的波浪能发电技术，在国内也有较多振荡水柱式波浪能试验电站在运行。振荡水柱型装置主要有一个气室，由一个空箱构成，在它淹没于水面以下部分有一个开口，在气室上部有气流通道(空气出入口)。波浪向着空箱移动，当波峰接近空箱前壁时，水进入空箱，推动箱内水位上升，上升的水位使箱内气压增加，气室内空气通过出入孔排出，由于气孔狭小，气体高流速喷出，见图1左图。在波谷接近空箱前壁时，水从空箱抽出，箱内水位下降，下降的水位使箱内气压降低，外面空气通过出入孔高速进入气室，见图1右图，流出流进的气体将推动涡轮机旋转，这就把波浪能转换为机械能。
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气室内水面有一个固定的波动频率，冲入气室的水碰到气室后壁反射回来，如能和下降水面同向，将会与波浪共振，选择合适的气室尺寸可以使室内水面振荡与外面波浪频率相近，共振的水面波动幅度会远高出波浪的幅度，大大提高气体的流量从而提高系统效率。在气流通道内安装气动涡轮机，进出的气流就会推动涡轮机旋转，涡轮机带动发电机发出电来，这就是振荡水柱式波浪能发电的原理。
上面介绍的振荡水柱式波浪能发电装置是靠岸边安装，称为固定式(靠岸式)安装。本文研究振荡水柱式波浪能发电装置在航标中的应用，结构漂浮在海面上，称为漂浮式(离岸式、近岸式)发电装置。图2是下面进水的漂浮式振荡水柱式波浪能发电装置，为振荡水柱式波浪能发电在航标中应用的原理图。
2灯浮标供电模式现状
目前，北方海区海上灯浮标灯器的供电方式大多数采用太阳能电池板发电、铅酸蓄电池或锂电池储电的模式，而这种供电模式存在诸多弊处：一是供电效率低，由于气候、环境因素和地域依赖性影响，太阳能光伏发电间歇性工作，导致能量输入很不稳定，长期的雨雪天、阴天、雾天甚至云层的变化都会严重影响系统的发电状态，蓄电池在低温条件下充放电性能显著变差;二是光电转换效率低，目前晶体硅光伏电池转换效率为16%—25%，由于光电转换效率偏低，光伏发电功率密度低，难以获取高功率发电，另外，空气中的颗粒物和鸟类排泄物等附着在太阳能电池组件的表面，阻挡了部分光线的照射，使电池组件工作效率降低，从而造成发电量减少甚至电池板的损坏;三是晶体硅的制造过程高污染、高能耗，晶体硅电池的主要原料是纯净的硅，硅是地球上含量仅次于氧的元素，主要存在形式是硅砂，从硅砂一步步提取出晶体硅，要经过多道化学和物理工序的处理，不仅要消耗大量能源，还会造成一定的环境污染。在能源危机日益突出的今天，大力发展可再生能源，已经成为全球的共识。航标设备现在使用的能源主要是太阳能，对于可再生能源来说，太阳能和风能的使用几乎占据所有比例，相比之下，海洋资源的使用比例很小，地球的70%面积是海洋，海洋中贮藏着潮汐能、波浪能、海流能等形式的海洋可再生能源，因此，开发和利用海洋能资源对航标事业的长远发展具有重要意义。
3双电层
当固体与液体接触后，固体表面会带电，固体表面的电荷会通过静电作用，吸引液体中的异号电荷，从而在固—液两相界面之间形成电量相等、电性相反的双电层,并具有一定的电势(zeta电势)。
从19世纪末到20世纪中叶，科学家们相继提出若干种有关双电层的物理模型，模型发展经历了由简单到复杂、由粗糙到精确、由现象到本质的演化过程。德国物理学家Helmholtz从当时已有的物理学概念出发，首先提出了双电层的平板电容器模型，正负电荷整齐地排列于界面两侧，如同平板电容器中的电荷分布，电势在双电层内呈直线下降。随着对电化学研究的逐渐深入，只有正负两个电荷层的简单双电层模型被不断改进。1910年和1913年，Gouy和Mooney认识到固液界面的双电层电容并非定值，而是会随离子浓度和施加电场的不同而变化，并对Helmholtz模型进行修正，提出了扩散双电层模型，表明zeta电势在液体中的分布随着离固液界面距离的增加呈指数衰减(见图3)。
双电层电容器(EDLC)是基于Helmholtz双电层模型的应用，它是介于蓄电池和传统电容器之间的新型能源储备件，具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。
4振荡水柱波浪式发电技术在无线电航标中的应用
振荡水柱波浪式发电技术在无线动力系统工银结构中的应用，也是该项技术服务于社会的直接体现。无线信号标主要采用雷达信号体进行动力传输，甚至是利用子午仪卫星导航系统进行航空导航。这样的卫星调节方式，可随时保障卫星信号与航标信号的跟踪联系，避免出现动力系统航向外部因素调节不当的情况发生。该项技术的应用方式可归纳为：(1)借助水波波浪供应体，全面性进行动力传导，随时保持良好产业动力规划与调控;(2)振荡水柱波浪式发电技术，可随时保持以良好的技术供应波进行动力传输，由此，无论是持续性的无线雷达信号调节，还是系统性的动力跟踪式调控，振荡水柱波浪式发电技术都可以保持在稳定的动力传输状态，即，我们所说的系统性的动力传输与动向模式调控。
结语
本文基于目前航标电力系统供电效率低、光电转换效率低、原材料不环保、低温受限等现状，以“为航标高效提供更多绿色电力”为核心目标，提出一种基于水伏效应的发电技术，实现海洋能源到电能的转化，进行电能的高效存储和利用。该装置围装在灯浮标浮鼓四周，与浮标合为一体，漂浮于海面，依靠波浪的运动来改变装置内电极片与电解质之间的双电层分布，同时也依靠波浪的起伏完成磁感线的切割，因此，该装置适用于有波浪的海面，对于北方海区冬季结冰的海面并不适用。另外，该发电方式对装置的密闭性要求极高，密闭性欠缺时，海水会进入装置内部，污染电解质，对电极片、线圈和磁铁等造成腐蚀，同时海生物的附着也会影响发电性能。该装置的前期研究成本较高，随着水伏发电技术的发展和完善，应精简配置，以降低生产成本用于大规模使用。在当今全球资源、能源供应紧张与人口迅速增长的矛盾日益突出的情况下，开发利用海洋中丰富的资源，已是历史发展的必然趋势，基于水伏效应的发电技术为能源的捕获开辟了新的方向，具有巨大的发展空间。——论文作者：田玉尊
