近岸式波浪發(fā)電裝置研究

韋家礎(chǔ) ，李德堂

(1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山 316004；2.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316021）

海浪能使巨輪上下顛簸，也能把巨石推到岸上，甚至能夠瞬間摧垮岸堤，可見波浪里蘊(yùn)藏著巨大的能量。波浪的成因除了風(fēng)，還有浪涌和洋流，波浪能具有能量密度高、分布面廣等優(yōu)點(diǎn)，與石化燃料相比，它是一種取之不竭的可再生清潔能源。尤其是在能源消耗較大的冬季和夏季，可以利用的波浪能能量也最大。例如，英國沿海、美國西部沿海和新西蘭南部沿海等都有著特別好的波候。

1 波浪能的儲量與研究現(xiàn)狀

1.1 波浪能的儲量

波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。實(shí)際海洋中的波動是一種十分復(fù)雜的現(xiàn)象，最低近似可以把實(shí)際的海洋波動看作是簡單正弦波或正弦波的疊加，而簡單波動的許多特性可以直接應(yīng)用于解釋海洋波動的性質(zhì)[1]。平面正弦波浪在垂直于其傳播方向的單位面積上的能量流為:

積分式(1.1)，則有

單位時(shí)間在傳播峰面單位寬度上的能量傳播P(kW/m)為:

波浪的能量與波高的平方、波浪的運(yùn)動周期以及迎波面的寬度成正比。波浪在傳遞過程中會存在一些耗散,到達(dá)近岸的能流仍然相當(dāng)可觀。我國有廣闊的海洋資源，浙江、福建、廣東和臺灣等沿海地區(qū)具有較豐富的波能。波浪能清潔無污染，再生能力強(qiáng)，波浪發(fā)電得到了國家相關(guān)政策的鼓勵(lì)和扶持，投資前景良好。

1.2 波浪能的研究現(xiàn)狀

國外對波浪能利用的研究開展得較早，取得了一些成果。英國于2000年在蘇格蘭艾萊島建造額定功率為500 kW的岸基式波浪發(fā)電站[2]。

目前可供利用的波浪能資源僅局限于靠近海岸線的地方，大洋中的波浪能從技術(shù)上目前還難以提取利用。但即使是這樣，據(jù)估計(jì)全世界可開發(fā)利用的波浪能達(dá)2.5 TW。波浪能利用的主要方式是發(fā)電，此外，還可以用于抽水、供熱、海水淡化以及制氫等。除了風(fēng)能，波浪能的開發(fā)利用同樣值得重視。小功率的波浪能發(fā)電，已在導(dǎo)航浮標(biāo)等取得成功并推廣應(yīng)用,大功率的波浪能發(fā)電尚在研究試驗(yàn)。利用波浪發(fā)電為我國沿海地區(qū)尤其是一些不方便輸電的海島開發(fā)服務(wù)，形成競爭力后也可用于出口，因而具有重大的研究意義。

2 波浪發(fā)電裝置的分類與比較

2.1 根據(jù)安裝地點(diǎn)分類

從安裝地點(diǎn)來看，波浪發(fā)電裝置有漂浮式和固定式。漂浮式可選址范圍較大、制造難度較小、潮位適應(yīng)性好，但輸電線路較長，且若遇到大浪，其結(jié)構(gòu)件、錨泊裝置、輸電電纜容易受到破壞，適用于類似導(dǎo)航浮標(biāo)和波浪發(fā)電舶這樣的孤立場所；固定式又可分為離岸式、近岸式和岸線式，其中離岸式固定于海底，優(yōu)點(diǎn)是周圍的波浪能流大，但輸電成本高、管理難度大；近岸式和岸線式距離陸域不遠(yuǎn)，優(yōu)點(diǎn)是輸電成本低，便于管理，若選址和裝置設(shè)計(jì)得當(dāng)，可獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率，缺點(diǎn)是能流密度比離岸式小。

2.2 根據(jù)接受體結(jié)構(gòu)分類

從接收體的結(jié)構(gòu)形式來分類，有點(diǎn)頭鴨式、振蕩水柱式、擺板式和浮子式等等，下面具體比較分析這幾種方式的特點(diǎn)。

（1）點(diǎn)頭鴨式

點(diǎn)頭鴨式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的形狀和運(yùn)動特性類似于鴨子的運(yùn)動而得名，在理想的規(guī)則波作用下，與其它形式的轉(zhuǎn)換裝置相比，其轉(zhuǎn)換效率最高，可達(dá)90%。曾受到人們的長期重視,但在非規(guī)則波的作用下，其轉(zhuǎn)換效率則低很多，且由于存在有水下活動部件，在風(fēng)浪襲擊下穩(wěn)定性略差,實(shí)際的應(yīng)用較少,沒能得到推廣。

（2）振蕩水柱式

振蕩水柱式波浪能轉(zhuǎn)換裝置采用豎井結(jié)構(gòu)，底部與海水連通，波浪使豎井中水面振蕩，壓縮豎井內(nèi)的空氣，將波浪的能量傳給空氣透平發(fā)電。存在的缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率低，氣室多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，水下施工困難，建造費(fèi)用昂貴等。

（3）擺板式

擺板式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的主體是放置于海面隨著波浪前后擺動的擺體，將波浪能轉(zhuǎn)換成擺體的動能,與擺體相聯(lián)的通常是一套液壓系統(tǒng)，擺體驅(qū)動液壓油缸伸縮將其動能轉(zhuǎn)換成液壓能，再通過液壓馬達(dá)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。此方式在工藝上轉(zhuǎn)軸宜置于水面以上，而擺板懸垂于水中，這在理論上導(dǎo)致擺質(zhì)點(diǎn)的線速度上小下大，而與波質(zhì)點(diǎn)線速度上大下小相矛盾，因此效率變差[3]。擺板式電站與振蕩水柱式同屬于岸線式，受地形影響，波浪能流密度由于水深的限制遠(yuǎn)低于離岸水域；且其導(dǎo)波水道系混凝土澆筑而成，土建工程量大費(fèi)用高。

（4）振蕩浮子式

振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的原理是將浮子放置于海面隨波上下振蕩，由于受波體與波浪直接接觸獲能，因此能量轉(zhuǎn)換效率較高[4]。其發(fā)電方式有兩種：一是讓振蕩浮子通過纜繩或齒條齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)發(fā)電，但所發(fā)的電不穩(wěn)定，需要經(jīng)過蓄電、整流、逆變成電壓和頻率穩(wěn)定的交流電才能使用；二是讓振蕩浮子驅(qū)動液壓缸將其動能轉(zhuǎn)換為液壓能蓄存，并通過流體技術(shù)控制油馬達(dá)驅(qū)動發(fā)電機(jī)穩(wěn)頻發(fā)電。在當(dāng)代技術(shù)條件下，與電池相比，液壓蓄能器的優(yōu)勢在于貯存能量既多又快、相同功率容量下成本低、體積小、能夠平緩壓力沖擊從而獲得較為平穩(wěn)的運(yùn)動，即適于浪大時(shí)多蓄能,浪小時(shí)多放能；也適于用電低谷時(shí)（如夜間）蓄能少發(fā)或不發(fā)電、待用電高峰時(shí)放能多發(fā)電,這種蓄能發(fā)電的方式恰好與現(xiàn)時(shí)社會生活推崇的峰谷用電較為合拍，且振蕩浮子式僅需導(dǎo)柱導(dǎo)向,土建工程費(fèi)用低,能夠降低單位發(fā)電成本,值得進(jìn)一步深入研究。

浮子式波浪發(fā)電方式與其它方式一樣，也面臨潮位影響問題，海面潮漲潮落是普遍的現(xiàn)象，例如浙江沿海就屬于我國強(qiáng)潮海區(qū)，潮差普遍較大，平均潮差約4 m左右。波浪發(fā)電裝置也將面臨潮位的影響，為避免波浪能接受收體懸空或沒入水下造成不能隨波振蕩，其位置高度最好能夠隨潮位調(diào)節(jié)。在浮子發(fā)電方式中常規(guī)的做法是將一導(dǎo)柱打樁豎立于海床，浮子中間開孔，套裝在導(dǎo)柱外周（圖1），浮子沿著導(dǎo)柱隨潮位變化振蕩發(fā)電。但時(shí)間一長，水面之下的導(dǎo)柱在表面保護(hù)層被磨掉之后會出現(xiàn)銹蝕，同時(shí)海洋生物和污泥也容易附著在導(dǎo)柱上，導(dǎo)致浮子卡死而停止工作，需研究改善。浮子式波浪發(fā)電方式面臨的第二個(gè)問題是，目前的實(shí)驗(yàn)研究中浮子大都采用球狀或桶狀，受波浪波長所限直徑不能做得很大，單個(gè)浮子的發(fā)電功率普遍較小，需設(shè)法進(jìn)一步提高。

圖1 浮子-導(dǎo)柱Fig.1 System of buoy and guiding pole

圖2 搖桿式浮筒受波機(jī)構(gòu)Fig.2 Sway-buoy mechanism

3 新型擺桿式浮筒受波機(jī)構(gòu)研究

波浪能是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源。波浪發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)是能量轉(zhuǎn)換裝置，包含波浪能量接收體和轉(zhuǎn)換發(fā)電機(jī)組，裝置的安裝選址和結(jié)構(gòu)原理將影響到波浪能利用的效率。針對這些情況，本文首次提出了一種近岸新型擺桿式浮筒受波機(jī)構(gòu)(圖2)，除了橫置的浮筒之外，運(yùn)動機(jī)構(gòu)不與海水直接接觸，提高了可靠性；當(dāng)潮位漲落，浮筒隨潮位上下移位振蕩，潮位適應(yīng)性好；浮筒長度可根據(jù)海浪實(shí)情加長以增加受波寬度和發(fā)電功率。

海洋中基本上不存在穩(wěn)定有規(guī)律的波浪，故波浪浮筒驅(qū)動油缸產(chǎn)生的液壓壓力、流量脈動大，若直接用于驅(qū)動液壓馬達(dá)，馬達(dá)-發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和頻率將不穩(wěn)定。為了用電設(shè)備可靠工作，需進(jìn)一步采取措施穩(wěn)速穩(wěn)頻，如圖3所示。

圖3中如果讓電磁閥9（左）通電，則選取了蓄能器10（左）先工作，10（右）為備用。油缸排出的高壓液壓油一邊由該蓄能器10（左）平緩脈動；同時(shí)經(jīng)比例流量閥12驅(qū)動馬達(dá)-飛輪－發(fā)電機(jī)組13，機(jī)組13的實(shí)際轉(zhuǎn)速由傳感器檢測并轉(zhuǎn)換電流信號n1，將給定轉(zhuǎn)速信號n0以正值輸入比例積分調(diào)節(jié)器，實(shí)際測量轉(zhuǎn)速以負(fù)信號輸入（見圖4），這兩個(gè)轉(zhuǎn)速值之差為偏差u，則PI調(diào)節(jié)器的輸出信號UO為：

圖3 液壓原理圖Fig.3 Hydraulic system

圖4 PI電子調(diào)節(jié)器Fig.4 PI electronic regulator

剛啟動時(shí)，機(jī)組13的實(shí)際轉(zhuǎn)速n1為0，與給定轉(zhuǎn)速n0存在較大偏差u，PI調(diào)節(jié)器的輸出一個(gè)較大的調(diào)節(jié)信號UO，比例閥12的開度和流量加大，機(jī)組轉(zhuǎn)速和頻率將增大，升到給定值，偏差u降為0，調(diào)節(jié)信號UO降為0，比例閥12的開度不再調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速和頻率維持不變；如果轉(zhuǎn)速高于給定值，則作相反的調(diào)節(jié)，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定。當(dāng)用電量增大（或減少），會導(dǎo)致機(jī)組13轉(zhuǎn)速下降（或增加），調(diào)節(jié)過程同上，基本能夠保證發(fā)電機(jī)的交流電頻率變化在±1%以內(nèi),達(dá)到供電要求。飛輪起慣性環(huán)節(jié)的作用，可避免調(diào)節(jié)過于頻繁。若用電量大，蓄能器10（左）放能過多，壓力傳感器11（左）檢測到的壓力降至下限值，則監(jiān)控的PLC發(fā)出指令，電磁閥9（右）通電開啟，9（左）停電,由備用的蓄能器10（右）供油；若用電少，比例閥12開度自動調(diào)小，高壓油充入各個(gè)蓄能器貯能。

普通發(fā)電機(jī)一般都帶有電壓調(diào)節(jié)器（也可以單獨(dú)設(shè)置），用來檢測調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓，若低于額定值，則調(diào)高勵(lì)磁電流，增加磁通調(diào)高電壓，反之則調(diào)低，從而使電壓穩(wěn)定。本機(jī)組還可以與其它機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，并車前將給定值n0稍調(diào)高，使頻率略大于額定頻率，然后捕捉同相位點(diǎn)，將連接電網(wǎng)的主開關(guān)合閘，負(fù)載轉(zhuǎn)移后即可完成并網(wǎng)。

臺風(fēng)來臨之前，利用液壓千斤頂將搖桿和浮筒壓入水中停止發(fā)電，潛水防臺，臺風(fēng)過后把浮筒放回就可以繼續(xù)工作了。

4 結(jié)語

本文提出了一種新型擺桿浮筒式波浪發(fā)電方案，適合近岸波浪能的開發(fā)利用，能夠提供電壓、頻率穩(wěn)定的交流電，既可獨(dú)立供電，也可以與風(fēng)能發(fā)電等聯(lián)合并網(wǎng)供電，技術(shù)方案經(jīng)濟(jì)易行,管理方便并有抗臺風(fēng)措施，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]高 輝.振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置最佳功率控制研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2012:5.

[2]管 秩.我國波浪能開發(fā)利用可行性研究[D].青島:中國海洋大學(xué)，2011:6.

[3]范航宇.一種新型漂浮式波浪發(fā)電系統(tǒng)研究[D].北京:清華大學(xué),2005:5.

[4]史宏達(dá),高人杰,鄒華志.一種振蕩浮子波能發(fā)電裝置的研究[M]//第一屆中國海洋可再生能源發(fā)展年會暨論壇論文集.北京:海洋出版社,2012.

[5]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊:第5卷[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.