振蕩浮筒式波浪能發(fā)電裝置設(shè)計與實驗研究

石晶鑫李德堂 李達(dá)特 張 偉 李 飛

（1.浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院 舟山 316022；2.浙江海洋學(xué)院 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院 舟山 316022）

0 引 言

海洋波浪能是一種清潔的可再生環(huán)保新能源，而波浪發(fā)電是波浪能利用的主要方式［1］。早在上世紀(jì)70年代中期，人們就開始研究波浪能的利用技術(shù)；此后有多個國家開展波浪能的研究，并相繼出現(xiàn)各種各樣的換能裝置，如點頭鴨式發(fā)電裝置、“海蛇”號波能發(fā)電裝置、收縮波道式波能轉(zhuǎn)換裝置、振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置等［2］。振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置通過浮筒采集波浪能，再采用液壓裝置轉(zhuǎn)化能量，最終使能量轉(zhuǎn)化為電能［3］。

波浪能發(fā)電裝置工作的環(huán)境是非常惡劣的，涉及的問題也各種各樣。振蕩浮筒式波浪能發(fā)電裝置是一種新型的波浪能發(fā)電站，國內(nèi)外可參考的資料目前還很少。為此，我們設(shè)計了振蕩浮筒式波浪能發(fā)電裝置，通過該裝置來模擬驗證海上工程樣機(jī)的各項工作性能指標(biāo)，從而為海上工程的實施奠定基礎(chǔ)。

1 波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

波浪能發(fā)電裝置主要由浮筒、伸縮油缸、油箱、控制器、蓄能器、液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)等組成。裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖

該裝置工作原理:當(dāng)波浪上升時，波浪推動浮筒沿著導(dǎo)向柱向上運(yùn)動，帶動液壓油缸的活塞桿上升，使液壓油缸的無桿腔油液排出并通過液壓控制系統(tǒng)進(jìn)入高壓蓄能器，經(jīng)過恒壓調(diào)節(jié)后進(jìn)入高壓液壓馬達(dá)，從而使高壓液壓馬達(dá)連續(xù)平穩(wěn)地驅(qū)動大發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)波浪下降時，浮筒靠自重沿著導(dǎo)向柱下降，進(jìn)而帶動液壓油缸的活塞桿下降，使得液壓油缸的有桿腔油液排出，通過液壓控制系統(tǒng)進(jìn)入低壓蓄能器，經(jīng)過恒壓調(diào)節(jié)后進(jìn)入低壓液壓馬達(dá)，從而使低壓液壓馬達(dá)連續(xù)平穩(wěn)的驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

2 浮筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 浮筒的水動力計算

本文基于線性隨機(jī)波浪理論、P-M譜和三維浮體波浪載荷頻率法［4-5］，采用SESAM軟件的 Geni E核心模塊建立浮筒水動力模型。該浮筒直徑D=2 m、高度H=0.6 m、吃水為0.3 m，如圖2所示。波浪載荷計算參數(shù)浪向角度 0°～180°、環(huán)境水深3.5 m、有義波高Hs=0.3 m， 在跨零周期Tz分別為3 s、4 s和5 s的情況下進(jìn)行短期預(yù)報。

圖2 浮筒直徑D=2 m，H=0.6 m的水動力模型

圖3 浪向角度為0°浮筒的三個方向力傳遞函數(shù)

圖4 浪向角度為30°浮筒的三個方向力傳遞函數(shù)

圖5 浪向角度為0°浮筒的三個方向力短期預(yù)報結(jié)果

圖6 浪向角度為30°浮筒的三個方向力短期預(yù)報結(jié)果

圖7 浮筒垂向位移HEAVE短期預(yù)報

表1 在Tz=3 s，Hs=0.3 m時浮筒受力短期預(yù)報N

表2 在Tz=4 s，Hs=0.3 m時浮筒受力短期預(yù)報N

表3 在Tz=5 s，Hs=0.3 m時浮筒受力短期預(yù)報N

表4 浮筒的垂向位移HEAVE短期預(yù)報值m

通過圖2～圖7和表1～表4可得到以下結(jié)論:

（1）從表1、表2和表3中可以看出:當(dāng)Tz=5 s時，浮筒垂向受力最大（Fz=8124 N）。水平方向最大合力為848.89 N，只有垂向受力的10.45%。摩擦力FS=F水平×s（其中:s為滑動摩擦系數(shù)；F水平為水平合力）。查閱機(jī)械手冊后得到:鋼與鋼摩擦?xí)r，若以水作為潤滑劑，其摩擦系數(shù)s=0.1。水平方向合力所導(dǎo)致的滑動摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于浮筒垂向力，因此不會出現(xiàn)浮筒卡死現(xiàn)象。

（2）本文計算波浪的條件結(jié)合水池造波形式，當(dāng)Tz=5 s時，浮筒的垂向力最大，且不受波浪入射角的改變而改變大小；水平X方向隨著入射角增大而減小，水平Y(jié)方向力隨著入射角增大而增大，但水平合力隨波浪入射角度改變略有變化。

2.2 水池模型的優(yōu)化

本文共選取4種形式的浮筒模型，主尺度分別如圖8～圖11所示，吃水狀態(tài)分別如下頁表5所示。對4個模型進(jìn)行Hs=0.3 m、Tz=5 s規(guī)則波情況下的耐波性分析，各個模型吃水狀況如表5所示；而后，分別得到其垂直方向上的合力如下頁表6所示。

圖8 直徑D=2.5 m，H=0.8 m（水動力模型1）

圖9 浮筒直徑D=1.5 m，H=0.5 m（水動力模型2）

圖10 浮筒直徑D=2 m，H=0.6 m（水動力模型3）

圖11 浮筒小徑D=2 m，大徑D=2.5 m，H=0.8 m（水動力模型4）

表5 各種形式模型的裝載狀況

表6 各模型垂直方向合力

圖12、圖13分別為向角度0°時，4種浮筒模型的垂向力傳遞函數(shù)以及垂向力短期預(yù)報結(jié)果。

圖12 向角度0°時，四種浮筒模型的垂向力傳遞函數(shù)

圖13 向角度0°時，四種浮筒模型的垂向力短期預(yù)報結(jié)果

從表6中我們可以看出，模型1的垂直方向合力為12.273 kN，模型1比模型4大5%，主要由于在垂直方向模型4存在外飄，但由于水線以下外飄并不明顯，所以結(jié)果相差不大。綜合考慮浮筒水動力計算結(jié)果以及模型加工工藝，根據(jù)計算結(jié)果，本文選取模型1作為水池試驗?zāi)Ｐ汀Ｗ罱K確定的浮筒形狀如圖14所示。

圖14 浮筒形狀

3 實驗及結(jié)果分析

整個實驗在浙江海洋學(xué)院水動力實驗室水池中完成，通過模擬不同波浪狀態(tài)，測試發(fā)電裝置的原理及其結(jié)構(gòu)的合理性，在水池實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正和優(yōu)化，達(dá)到理想狀態(tài)后，選擇適當(dāng)?shù)暮Ｓ蜻M(jìn)行海上試驗。

用造波機(jī)造波，造波時間為10 min，設(shè)置波浪周期為3～6 s，并用聲學(xué)測波儀進(jìn)行實際波況數(shù)據(jù)的采集。部分波浪數(shù)據(jù)如圖15和圖16所示。

圖15 波浪數(shù)據(jù)圖

圖16 波浪曲線圖

由波浪數(shù)據(jù)圖15和波浪數(shù)據(jù)曲線圖16可以看出，波況為:最大波高為3.5 m，周期為3.5 s，平均波高為0.3 m，平均水深為2.9 m，測量波數(shù)為120個；波形為正弦波而且比較穩(wěn)定。

通過數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件，得到發(fā)電裝置負(fù)載的電壓、電流、功率、功率因數(shù)值以及數(shù)值的變化曲線，如圖17所示。

圖17 負(fù)載電信號變化曲線

由實驗結(jié)果可知，負(fù)載電壓保持在8.3～9.3 V、電流保持在0.67～0.69 A、功率保持在5.7～6.3 W、功率因數(shù)基本保持為1，負(fù)載的電信號也保持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，從而保證負(fù)載相對穩(wěn)定工作。

然而，由于水池實驗條件有限，造波機(jī)無法造出不規(guī)則、不穩(wěn)定的波，所以無法進(jìn)行不規(guī)則波的發(fā)電試驗。針對不規(guī)則波的波高、波長和波周期的不斷變化，我們在波浪發(fā)電裝置里設(shè)置了液壓蓄能器。當(dāng)波高和波長較大、周期較小時，過多的波浪能轉(zhuǎn)換成液壓能儲存在蓄能器里，用于波浪較小的情況，從而解決波浪時大、時小的問題。這樣我們就能將電壓控制在某一個范圍之內(nèi)，通過切換負(fù)載來調(diào)節(jié)輸出功率。所以，我們認(rèn)為不規(guī)則波對電壓和輸出功率的變化影響不大。

4 海上工程樣機(jī)發(fā)電效能估算分析

本項目把振蕩浮筒式波浪發(fā)電裝置安裝到自升式平臺上，組成自升式波浪發(fā)電裝置。每個樁腿上安裝1個浮筒，共3個浮筒。浮筒直徑D=3.2 m、H=1.6 m。該發(fā)電裝置設(shè)置在浙江省舟山市普陀區(qū)朱家尖鎮(zhèn)東沙，此處位于長江口與杭州灣的交匯處，屬于E1海域［6］。 全年波浪周期處于 3.5～10 s之間，全年波浪跨零周期Tz為6 s的出現(xiàn)概率最高。該發(fā)電裝置預(yù)計發(fā)電功率保持在1～2 kW，電壓保持在100～200 V，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率不低于15%。

5 波浪能發(fā)電裝置的特點

（1）連續(xù)性:針對波浪不連續(xù)的特點，設(shè)置了液壓蓄能器，將不連續(xù)的波浪能儲存在蓄能器中，通過壓力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，能夠連續(xù)發(fā)電。

（2）高效性:針對波浪能低效率轉(zhuǎn)換的特點，設(shè)置了雙向液壓油管，將浮筒上下運(yùn)動的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能，通過液壓馬達(dá)能夠高效發(fā)電。

（3）穩(wěn)定性:針對波浪大小不穩(wěn)定的特點，設(shè)置了蓄能瓶，將不穩(wěn)定的波浪能儲存起來，達(dá)到一定壓力值之后，通過液壓馬達(dá)穩(wěn)定發(fā)電。

6 結(jié) 論

本文對振蕩浮筒式波浪能發(fā)電裝置的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述，采用SESAM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過水池試驗得到一系列波浪發(fā)電的功率、效率，為海上工程樣機(jī)的實施奠定了基礎(chǔ)。但是，目前尚無法在水池中進(jìn)行不規(guī)則波的試驗。在今后的工作中，我們將要研發(fā)在惡劣海況下能抗風(fēng)浪的自保護(hù)式波浪能發(fā)電裝置。

［1］譚思明，秦洪花，趙霞，等.海洋波浪能領(lǐng)域國際專利競爭態(tài)勢分析［J］.現(xiàn)代情報，2011，45（6）:14.

［2］李仕成.振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置性能的實驗研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2006:2-10.

［3］王凌宇.海洋浮子式波浪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及試驗研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2008:1-3.

［4］戴仰山，沈進(jìn)威，宋競正.船舶波浪載荷［M］.北京，國防工業(yè)出版社，2007:23-37.

［5］姜大寧.鋼筒組塊的靜穩(wěn)性和波浪中的運(yùn)動響應(yīng)［D］.天津:天津大學(xué)，2005:16-24.

［6］方鐘圣.西北太平洋波浪統(tǒng)計集［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1996.