一種新型漂浮式波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計與研究

吳濤，趙新生，楊波

摘要：文章針對江蘇連云港所取得的漂浮式波浪能發(fā)電裝置的研究新成果，較為詳細(xì)地闡述了該裝置的設(shè)計原理、基本結(jié)構(gòu)以及工作過程，并對試驗裝置的特點進(jìn)行了分析。目前，該發(fā)電裝置研究與試驗已取得了預(yù)期的效果，為下一步試驗樣機(jī)的制造奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：波浪能；漂浮式；發(fā)電裝置；試驗裝置

中圖分類號：P743 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）28-0013-03

當(dāng)下，可再生能源是世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家都在重點研究的課題，而海洋能作為一種極具發(fā)展前景的清潔可再生資源更是受到沿海國家的青睞。海洋能中以波浪能的利用與研究最為典型，因其分布范圍廣、易于大規(guī)模利用，從而受到眾多沿海國家的高度重視。研究和開發(fā)海洋波浪能是世界各海洋國家共同努力發(fā)展的方向，海洋波浪能發(fā)電裝置的開發(fā)和應(yīng)用將推動清潔能源的發(fā)展進(jìn)程，對解決海島和海上裝備的電力供應(yīng)問題具有重大意義。

江蘇連云港海域使用保護(hù)動態(tài)管理中心自2010年起，與中科院廣州能源所、東南大學(xué)、河海大學(xué)等科研院所合作，從事波浪能發(fā)電裝置的研究工作。課題組提出建立獨立的海洋波浪能發(fā)電裝置初步設(shè)計為20kW直列漂浮式結(jié)構(gòu)。該裝置在降低建造和運(yùn)行維護(hù)成本、提高抗大浪沖擊能力、穩(wěn)定的電能輸出等方面都具有明顯優(yōu)勢。文章將對該裝置的設(shè)計原理、基本結(jié)構(gòu)以及工作過程進(jìn)行闡述。

1 裝置總體設(shè)計

通過對波浪能發(fā)電裝置的整體設(shè)計、仿真設(shè)計測試、零部件研制、試驗和模型實海況試驗等研究，取得相關(guān)成果，以研制出結(jié)構(gòu)可靠、發(fā)電持續(xù)穩(wěn)定、運(yùn)營和維護(hù)成本低的波浪能發(fā)電裝置。

該裝置為直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置，主要由采能器與連接耦合件組成，所使用的材料均為船用鋼材及結(jié)構(gòu)鋼材，材料來源廣泛且容易采購。采能器之間通過耦合連接件連接，耦合連接件為一個適應(yīng)波長的加力桿，采能器在波浪的作用下隨波浪擺動，加力桿通過鉸鏈軸的支撐作用驅(qū)動集壓器活塞做兩點間的往復(fù)運(yùn)動，從而擠壓在集壓器中的液體，迫使集壓器中的液體形成一個從常壓→高壓→常壓的往復(fù)循環(huán)過程，繼而高壓液流輸入到液壓調(diào)平蓄能裝置中，液壓調(diào)平蓄能裝置出口液流的壓力與流速會根據(jù)液壓發(fā)電機(jī)組的要求進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)調(diào)整后的恒壓恒流液流輸入到液壓發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行發(fā)電，即波浪迫使采能器擺動，通過集壓器的轉(zhuǎn)換將波浪能量轉(zhuǎn)換成液壓能，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電能。本項目研制的波浪發(fā)電裝置所產(chǎn)出的電能可以直接輸出使用，也可以儲存進(jìn)行二次使用。根據(jù)連云港海州灣海洋平臺海域波浪特征，采能器設(shè)計為可在0.5m以上的波高開始工作，波高在2m時達(dá)到最佳負(fù)荷狀態(tài)。

采能器和耦合件的設(shè)計充分考慮了采能器形狀、耦合器結(jié)構(gòu)、尺寸與實施海域的波長、波高和周期等相關(guān)波浪要素的匹配關(guān)系，使得發(fā)電量在同樣海況下通過耦合件的作用使其最大化。采能器受波浪驅(qū)動運(yùn)動軌跡的理論分析與實海況測試分析計算表明，對于周期3秒、波高0.5m的波浪，活塞的往復(fù)運(yùn)動行程能夠達(dá)到100mm以上，為啟動集壓條件，在本項目的實施環(huán)境中已經(jīng)達(dá)到單個集壓器可以啟動集壓的條件（見圖1）。而對于周期5～6s、波高2m的波浪，活塞的往復(fù)運(yùn)動行程達(dá)到844mm以上，則是集壓器的理想擠壓條件

（見圖2）

圖1 啟動波高差變化圖

圖2 理想波高差變化圖

2 主要研究內(nèi)容

該直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置，主要由采能器、耦合連接系統(tǒng)、集能蓄能系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)以及錨固系統(tǒng)組成（見圖3）。

圖3 裝置示意圖

其工作原理是采能傳輸系統(tǒng)隨波涌運(yùn)動，接受海洋涌動的能量，通過鉸鏈驅(qū)動集壓系統(tǒng)工作，集壓系統(tǒng)給流體施加壓力，把不穩(wěn)定的壓力流壓入穩(wěn)壓系統(tǒng)中，經(jīng)過調(diào)平之后，穩(wěn)定的壓力流驅(qū)動液壓發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，繼而通過輸出系統(tǒng)輸出穩(wěn)定電壓和電流。流體回流進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)。

2.1 整體裝置與波浪匹配的適應(yīng)性優(yōu)化

2.1.1 通過采能器在波高運(yùn)動變化中的規(guī)律、仿真設(shè)計以及水槽試驗的驗證，對比仿真設(shè)計的設(shè)置條件。經(jīng)過一系列的實驗驗證后得到制造實體結(jié)構(gòu)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，按該實體結(jié)構(gòu)參數(shù)制造出采能器。對采能器進(jìn)行實海況測試，驗證其仿真數(shù)據(jù)與試驗測試數(shù)據(jù)的吻合性，繼而檢驗仿真條件設(shè)置的科學(xué)性和合理性，在改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計中使仿真設(shè)計條件更貼近實海況狀態(tài)，從而提高后續(xù)仿真設(shè)計應(yīng)用的可靠性，大量地節(jié)省時間、人力、物力。

2.1.2 裝置外形結(jié)構(gòu)幾何尺寸與運(yùn)動效率的參數(shù)分析。分析裝置的外形形狀與結(jié)構(gòu)尺寸對采能器運(yùn)動幅度和實際擺動力的影響，得到最佳擺動幅度與最佳出力的結(jié)合參數(shù)。

2.1.3 耦合結(jié)構(gòu)與波長、頻率的最佳工作段分析。其目的是優(yōu)化設(shè)計耦合結(jié)構(gòu)，使采能器在屬地海域獲得最大出力。

2.1.4 優(yōu)化集能器的最佳出力范圍。通過水槽測試分析將集能器的受力角度、力的大小與壓力流的輸出匹配到最佳出力范圍。

2.1.5 裝置整體結(jié)構(gòu)與啟動波高、最大波高對系統(tǒng)出力的穩(wěn)定性和持續(xù)性的影響。優(yōu)化啟動波高、最大波高與出力的關(guān)系，指導(dǎo)下一步的優(yōu)化設(shè)計。

2.2 耐大浪和抗臺風(fēng)研究

直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計將充分考慮我國為臺風(fēng)多發(fā)區(qū)，遭受破壞性風(fēng)浪襲擊的發(fā)生概率較高，所以裝置能在風(fēng)浪中安全地運(yùn)行，又不被風(fēng)浪破壞顯得至關(guān)重要，必須對裝置的抗風(fēng)浪的能力有充分的準(zhǔn)備，強(qiáng)化裝置在大風(fēng)大浪中的運(yùn)行穩(wěn)定性以及裝置的安全性是極其必要的。采能器使用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，分為上密封艙與下壓載艙。裝置的正常工作狀態(tài)是裝置整體的大部分是浸在海水中（如圖4所示），根據(jù)波浪高度調(diào)整裝置的吃水深度，最大限度地提高采能器工作效率，使裝置在適當(dāng)?shù)牟ɡ蓑?qū)動力作用下平穩(wěn)地工作。

圖4 直列漂浮式波浪能裝置抗風(fēng)浪半潛工作狀態(tài)（正常情況下）

當(dāng)海況出現(xiàn)惡劣情況時候，提前將裝置的壓載調(diào)整到適合配置（圖5），減少裝置上部的受浪面積，使裝置在較穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。

圖5 直列漂浮式波浪能裝置抗風(fēng)浪半潛工作狀態(tài)（惡劣情況下）

如海況環(huán)境進(jìn)一步惡化，如強(qiáng)臺風(fēng)的襲擊，此時可打開采能器的進(jìn)水口，自然灌入海水，使采能器的內(nèi)外壁等壓，調(diào)整裝置進(jìn)入全潛狀態(tài)（見圖6），以便保護(hù)裝置的安全，錨鏈浮球?qū)甘狙b置下潛的位置。需要上浮時，從采能器進(jìn)水口注入高壓空氣，將水從采能器排水口排出，調(diào)采能器回復(fù)到海面進(jìn)行工作。

圖6 直列漂浮式波浪能裝置抗大風(fēng)浪下全潛安全狀態(tài)

通過波浪能發(fā)電裝置抗側(cè)浪、采能器耦合結(jié)構(gòu)斜浪受扭曲的分析，提高裝置耐大浪能力。當(dāng)發(fā)生側(cè)浪力作用時，裝置會因為受側(cè)向力而沿著錨固中心點進(jìn)行旋轉(zhuǎn)漂移，在這個過程中裝置的設(shè)計強(qiáng)度足以克服由于側(cè)浪力給裝置帶來的沖擊；當(dāng)發(fā)生斜浪力的沖擊時，裝置會因為受斜向力分力的作用而沿著錨固中心點進(jìn)行旋轉(zhuǎn)漂移，裝置采能器、耦合機(jī)構(gòu)會受到因側(cè)浪力的沖擊而形成的結(jié)構(gòu)扭曲力，耦合連接件、鉸鏈結(jié)構(gòu)充分考慮此環(huán)節(jié)的破壞力量，在理論設(shè)計和仿真測試當(dāng)中給予高度重視，將鉸鏈結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全系數(shù)調(diào)整到上位（見圖7）：

圖7 直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置抗側(cè)浪斜浪結(jié)構(gòu)扭曲設(shè)計

2.3 集壓器蓄能器匹配，穩(wěn)定可靠的發(fā)電

直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置采用波浪能集壓器轉(zhuǎn)換為液壓能，液壓能轉(zhuǎn)換為電能的總體設(shè)計方案。其中液壓能轉(zhuǎn)換為電能的具體方案為：穩(wěn)壓蓄能后，驅(qū)動液壓發(fā)電機(jī)發(fā)電。液壓發(fā)電機(jī)是一個成熟的設(shè)備，可實現(xiàn)電能穩(wěn)定輸出，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用的元件均為成熟的工業(yè)產(chǎn)品，性能穩(wěn)定可靠。集壓器與蓄能器的匹配顯得至關(guān)重要，如設(shè)計、調(diào)試不當(dāng)，會出現(xiàn)能量傳遞瓶頸，將降低整個系統(tǒng)的發(fā)電能力。項目組將對本環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)致深入的研究調(diào)試。

2.4 裝置海水防腐研究分析

直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置的大部件中只有采能器浸在海水中工作，所以采能器的防止海水腐蝕是必須重視的研究內(nèi)容。本項目將研究采用常規(guī)海洋工程防腐技術(shù)防腐方法，降低日常維護(hù)和防腐成本。

3 技術(shù)路線

3.1 裝置總體設(shè)計

直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置利用采能器隨海洋波浪的波幅而運(yùn)動，將采集到的能量傳送到集壓器，通過能量整合等一系列運(yùn)作，驅(qū)動發(fā)電機(jī)平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)電站的發(fā)電。

圖8 發(fā)電系統(tǒng)示意圖

采能傳輸系統(tǒng)接受海洋涌動的能量后隨波涌運(yùn)動，通過耦合件鉸鏈驅(qū)動集壓系統(tǒng)工作，集壓系統(tǒng)給流體施加壓力，把不穩(wěn)定的壓力流壓入穩(wěn)壓系統(tǒng)中，經(jīng)過調(diào)平穩(wěn)定后的壓力流進(jìn)入工作環(huán)節(jié)。經(jīng)過調(diào)平穩(wěn)定后的壓力流驅(qū)動流體發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)——控制器通過輸出系統(tǒng)輸出穩(wěn)定電壓和電流（見圖8）。

3.2 技術(shù)路線

3.2.1 通過理論計算、仿真設(shè)計試驗和零部件測試，對直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行整體優(yōu)化和仿真分析，確定采能器外形尺寸、連接耦合件尺寸和主要技術(shù)參數(shù)。優(yōu)良的設(shè)計方案是降低制造以及使用成本的重要環(huán)節(jié)，也直接影響直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置發(fā)電效率的高低。設(shè)計采能器外形尺寸時，通過理論計算和仿真測試，獲得采能器的最佳外形尺寸。同時對耦合件進(jìn)行大量比對仿真測試，得到最佳的波浪能采集效率。當(dāng)采能器、連接耦合件與波浪達(dá)到較好的匹配時，即達(dá)到獲得最大平均功率的設(shè)計目的。

3.2.2 匹配設(shè)計集壓器蓄能器液壓系統(tǒng)。根據(jù)采能器相關(guān)數(shù)據(jù)，計算出集壓器液壓和流量參數(shù)需求，能量處理過程采用變動液壓直接蓄能調(diào)壓的方式，環(huán)節(jié)簡單可靠，能量行程路線短，管損率低。需要特別注意匹配設(shè)計集壓器與蓄能器液壓系統(tǒng)的與調(diào)試，可以有效地提高生產(chǎn)率和降低運(yùn)營成本。

3.2.3 裝配發(fā)電系統(tǒng)。項目計劃裝備液壓發(fā)電機(jī)作為發(fā)電裝置，液壓發(fā)電機(jī)通過穩(wěn)定的液壓、穩(wěn)定的流量驅(qū)動發(fā)電。屬于成熟的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化零部件，可靠性很高，容易維護(hù)。

3.2.4 設(shè)計安裝錨固系統(tǒng)。項目采用浮球牽引的彈性錨固系統(tǒng)，有效防止錨鏈崩斷，可靠性很高，容易調(diào)整維護(hù)。

3.2.5 采能器、耦合件設(shè)計調(diào)試。采能器、耦合件完成設(shè)計制造后，通過一個周期的實海況調(diào)試、試驗驗證方案是否合理，零部件強(qiáng)度是否等效匹配等。通過實海況測試及時發(fā)現(xiàn)問題破解原因，并在優(yōu)化中得以解決，提高裝置的適應(yīng)能力。

3.3 關(guān)鍵問題

3.3.1 低波高啟動問題。本裝置采用采能器作為能量采集的第一步，波浪高度不夠可能導(dǎo)致無法驅(qū)動采能器工作，所以必須設(shè)置和驗證最小啟動波高，使裝置在適當(dāng)波高的海域中正常工作。

3.3.2 抗臺風(fēng)破壞問題。通過將裝置整體下潛脫離海面以避免臺風(fēng)的破壞。

3.3.3 抗斜浪對結(jié)構(gòu)的扭曲問題。結(jié)構(gòu)在遇到斜浪時，耦合件會發(fā)生扭曲，為解決此類問題，耦合件截面設(shè)計成封閉圓管結(jié)構(gòu)，以抵抗采集單元橫搖導(dǎo)致的耦合件扭曲問題。本裝置設(shè)計為最大限度地追求縱搖，在海上工況下允許其最大限度地橫搖，以最大限度地釋放斜側(cè)浪對裝置的沖擊，提高裝置的安全性。

4 結(jié)語

波浪發(fā)電裝置的研究與試驗面臨的首要問題就是如何抵御海上惡劣的環(huán)境，以保障發(fā)電設(shè)備的安全。通過本項目的研究，綜合考慮海上多種不利因素，設(shè)計較為科學(xué)與合理的發(fā)電裝置，在避免裝置損壞的前提下，穩(wěn)定進(jìn)行電力輸出。項目組對該結(jié)構(gòu)的波浪能裝置已初步進(jìn)行多次仿真分析，下一步，課題組將進(jìn)行多次模型實海況試驗分析，充分驗證波高、采能器的有效運(yùn)動量與液壓發(fā)電機(jī)輸出之間的關(guān)系。在大量仿真及實驗的基礎(chǔ)上，召集船舶設(shè)計專家及相關(guān)專業(yè)專家進(jìn)行詳細(xì)論證與結(jié)構(gòu)設(shè)計，研制出直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置，并提高裝置的抗風(fēng)浪破壞能力，穩(wěn)定發(fā)電。

作者簡介：吳濤（1981-），男，安徽壽縣人，連云港市海域使用保護(hù)動態(tài)管理中心科長，中級工程師，碩士，研究方向：海域管理與海洋技術(shù)。

圖5 直列漂浮式波浪能裝置抗風(fēng)浪半潛工作狀態(tài)（惡劣情況下）

如海況環(huán)境進(jìn)一步惡化，如強(qiáng)臺風(fēng)的襲擊，此時可打開采能器的進(jìn)水口，自然灌入海水，使采能器的內(nèi)外壁等壓，調(diào)整裝置進(jìn)入全潛狀態(tài)（見圖6），以便保護(hù)裝置的安全，錨鏈浮球?qū)甘狙b置下潛的位置。需要上浮時，從采能器進(jìn)水口注入高壓空氣，將水從采能器排水口排出，調(diào)采能器回復(fù)到海面進(jìn)行工作。

圖6 直列漂浮式波浪能裝置抗大風(fēng)浪下全潛安全狀態(tài)

通過波浪能發(fā)電裝置抗側(cè)浪、采能器耦合結(jié)構(gòu)斜浪受扭曲的分析，提高裝置耐大浪能力。當(dāng)發(fā)生側(cè)浪力作用時，裝置會因為受側(cè)向力而沿著錨固中心點進(jìn)行旋轉(zhuǎn)漂移，在這個過程中裝置的設(shè)計強(qiáng)度足以克服由于側(cè)浪力給裝置帶來的沖擊；當(dāng)發(fā)生斜浪力的沖擊時，裝置會因為受斜向力分力的作用而沿著錨固中心點進(jìn)行旋轉(zhuǎn)漂移，裝置采能器、耦合機(jī)構(gòu)會受到因側(cè)浪力的沖擊而形成的結(jié)構(gòu)扭曲力，耦合連接件、鉸鏈結(jié)構(gòu)充分考慮此環(huán)節(jié)的破壞力量，在理論設(shè)計和仿真測試當(dāng)中給予高度重視，將鉸鏈結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全系數(shù)調(diào)整到上位（見圖7）：

圖7 直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置抗側(cè)浪斜浪結(jié)構(gòu)扭曲設(shè)計

2.3 集壓器蓄能器匹配，穩(wěn)定可靠的發(fā)電

直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置采用波浪能集壓器轉(zhuǎn)換為液壓能，液壓能轉(zhuǎn)換為電能的總體設(shè)計方案。其中液壓能轉(zhuǎn)換為電能的具體方案為：穩(wěn)壓蓄能后，驅(qū)動液壓發(fā)電機(jī)發(fā)電。液壓發(fā)電機(jī)是一個成熟的設(shè)備，可實現(xiàn)電能穩(wěn)定輸出，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用的元件均為成熟的工業(yè)產(chǎn)品，性能穩(wěn)定可靠。集壓器與蓄能器的匹配顯得至關(guān)重要，如設(shè)計、調(diào)試不當(dāng)，會出現(xiàn)能量傳遞瓶頸，將降低整個系統(tǒng)的發(fā)電能力。項目組將對本環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)致深入的研究調(diào)試。

2.4 裝置海水防腐研究分析

直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置的大部件中只有采能器浸在海水中工作，所以采能器的防止海水腐蝕是必須重視的研究內(nèi)容。本項目將研究采用常規(guī)海洋工程防腐技術(shù)防腐方法，降低日常維護(hù)和防腐成本。

3 技術(shù)路線

3.1 裝置總體設(shè)計

直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置利用采能器隨海洋波浪的波幅而運(yùn)動，將采集到的能量傳送到集壓器，通過能量整合等一系列運(yùn)作，驅(qū)動發(fā)電機(jī)平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)電站的發(fā)電。

圖8 發(fā)電系統(tǒng)示意圖

采能傳輸系統(tǒng)接受海洋涌動的能量后隨波涌運(yùn)動，通過耦合件鉸鏈驅(qū)動集壓系統(tǒng)工作，集壓系統(tǒng)給流體施加壓力，把不穩(wěn)定的壓力流壓入穩(wěn)壓系統(tǒng)中，經(jīng)過調(diào)平穩(wěn)定后的壓力流進(jìn)入工作環(huán)節(jié)。經(jīng)過調(diào)平穩(wěn)定后的壓力流驅(qū)動流體發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)——控制器通過輸出系統(tǒng)輸出穩(wěn)定電壓和電流（見圖8）。

3.2 技術(shù)路線

3.2.1 通過理論計算、仿真設(shè)計試驗和零部件測試，對直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行整體優(yōu)化和仿真分析，確定采能器外形尺寸、連接耦合件尺寸和主要技術(shù)參數(shù)。優(yōu)良的設(shè)計方案是降低制造以及使用成本的重要環(huán)節(jié)，也直接影響直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置發(fā)電效率的高低。設(shè)計采能器外形尺寸時，通過理論計算和仿真測試，獲得采能器的最佳外形尺寸。同時對耦合件進(jìn)行大量比對仿真測試，得到最佳的波浪能采集效率。當(dāng)采能器、連接耦合件與波浪達(dá)到較好的匹配時，即達(dá)到獲得最大平均功率的設(shè)計目的。

3.2.2 匹配設(shè)計集壓器蓄能器液壓系統(tǒng)。根據(jù)采能器相關(guān)數(shù)據(jù)，計算出集壓器液壓和流量參數(shù)需求，能量處理過程采用變動液壓直接蓄能調(diào)壓的方式，環(huán)節(jié)簡單可靠，能量行程路線短，管損率低。需要特別注意匹配設(shè)計集壓器與蓄能器液壓系統(tǒng)的與調(diào)試，可以有效地提高生產(chǎn)率和降低運(yùn)營成本。

3.2.3 裝配發(fā)電系統(tǒng)。項目計劃裝備液壓發(fā)電機(jī)作為發(fā)電裝置，液壓發(fā)電機(jī)通過穩(wěn)定的液壓、穩(wěn)定的流量驅(qū)動發(fā)電。屬于成熟的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化零部件，可靠性很高，容易維護(hù)。

3.2.4 設(shè)計安裝錨固系統(tǒng)。項目采用浮球牽引的彈性錨固系統(tǒng)，有效防止錨鏈崩斷，可靠性很高，容易調(diào)整維護(hù)。

3.2.5 采能器、耦合件設(shè)計調(diào)試。采能器、耦合件完成設(shè)計制造后，通過一個周期的實海況調(diào)試、試驗驗證方案是否合理，零部件強(qiáng)度是否等效匹配等。通過實海況測試及時發(fā)現(xiàn)問題破解原因，并在優(yōu)化中得以解決，提高裝置的適應(yīng)能力。

3.3 關(guān)鍵問題

3.3.1 低波高啟動問題。本裝置采用采能器作為能量采集的第一步，波浪高度不夠可能導(dǎo)致無法驅(qū)動采能器工作，所以必須設(shè)置和驗證最小啟動波高，使裝置在適當(dāng)波高的海域中正常工作。

3.3.2 抗臺風(fēng)破壞問題。通過將裝置整體下潛脫離海面以避免臺風(fēng)的破壞。

3.3.3 抗斜浪對結(jié)構(gòu)的扭曲問題。結(jié)構(gòu)在遇到斜浪時，耦合件會發(fā)生扭曲，為解決此類問題，耦合件截面設(shè)計成封閉圓管結(jié)構(gòu)，以抵抗采集單元橫搖導(dǎo)致的耦合件扭曲問題。本裝置設(shè)計為最大限度地追求縱搖，在海上工況下允許其最大限度地橫搖，以最大限度地釋放斜側(cè)浪對裝置的沖擊，提高裝置的安全性。

4 結(jié)語

波浪發(fā)電裝置的研究與試驗面臨的首要問題就是如何抵御海上惡劣的環(huán)境，以保障發(fā)電設(shè)備的安全。通過本項目的研究，綜合考慮海上多種不利因素，設(shè)計較為科學(xué)與合理的發(fā)電裝置，在避免裝置損壞的前提下，穩(wěn)定進(jìn)行電力輸出。項目組對該結(jié)構(gòu)的波浪能裝置已初步進(jìn)行多次仿真分析，下一步，課題組將進(jìn)行多次模型實海況試驗分析，充分驗證波高、采能器的有效運(yùn)動量與液壓發(fā)電機(jī)輸出之間的關(guān)系。在大量仿真及實驗的基礎(chǔ)上，召集船舶設(shè)計專家及相關(guān)專業(yè)專家進(jìn)行詳細(xì)論證與結(jié)構(gòu)設(shè)計，研制出直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置，并提高裝置的抗風(fēng)浪破壞能力，穩(wěn)定發(fā)電。

作者簡介：吳濤（1981-），男，安徽壽縣人，連云港市海域使用保護(hù)動態(tài)管理中心科長，中級工程師，碩士，研究方向：海域管理與海洋技術(shù)。

圖5 直列漂浮式波浪能裝置抗風(fēng)浪半潛工作狀態(tài)（惡劣情況下）

如海況環(huán)境進(jìn)一步惡化，如強(qiáng)臺風(fēng)的襲擊，此時可打開采能器的進(jìn)水口，自然灌入海水，使采能器的內(nèi)外壁等壓，調(diào)整裝置進(jìn)入全潛狀態(tài)（見圖6），以便保護(hù)裝置的安全，錨鏈浮球?qū)甘狙b置下潛的位置。需要上浮時，從采能器進(jìn)水口注入高壓空氣，將水從采能器排水口排出，調(diào)采能器回復(fù)到海面進(jìn)行工作。

圖6 直列漂浮式波浪能裝置抗大風(fēng)浪下全潛安全狀態(tài)

通過波浪能發(fā)電裝置抗側(cè)浪、采能器耦合結(jié)構(gòu)斜浪受扭曲的分析，提高裝置耐大浪能力。當(dāng)發(fā)生側(cè)浪力作用時，裝置會因為受側(cè)向力而沿著錨固中心點進(jìn)行旋轉(zhuǎn)漂移，在這個過程中裝置的設(shè)計強(qiáng)度足以克服由于側(cè)浪力給裝置帶來的沖擊；當(dāng)發(fā)生斜浪力的沖擊時，裝置會因為受斜向力分力的作用而沿著錨固中心點進(jìn)行旋轉(zhuǎn)漂移，裝置采能器、耦合機(jī)構(gòu)會受到因側(cè)浪力的沖擊而形成的結(jié)構(gòu)扭曲力，耦合連接件、鉸鏈結(jié)構(gòu)充分考慮此環(huán)節(jié)的破壞力量，在理論設(shè)計和仿真測試當(dāng)中給予高度重視，將鉸鏈結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全系數(shù)調(diào)整到上位（見圖7）：

圖7 直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置抗側(cè)浪斜浪結(jié)構(gòu)扭曲設(shè)計

2.3 集壓器蓄能器匹配，穩(wěn)定可靠的發(fā)電

直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置采用波浪能集壓器轉(zhuǎn)換為液壓能，液壓能轉(zhuǎn)換為電能的總體設(shè)計方案。其中液壓能轉(zhuǎn)換為電能的具體方案為：穩(wěn)壓蓄能后，驅(qū)動液壓發(fā)電機(jī)發(fā)電。液壓發(fā)電機(jī)是一個成熟的設(shè)備，可實現(xiàn)電能穩(wěn)定輸出，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用的元件均為成熟的工業(yè)產(chǎn)品，性能穩(wěn)定可靠。集壓器與蓄能器的匹配顯得至關(guān)重要，如設(shè)計、調(diào)試不當(dāng)，會出現(xiàn)能量傳遞瓶頸，將降低整個系統(tǒng)的發(fā)電能力。項目組將對本環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)致深入的研究調(diào)試。

2.4 裝置海水防腐研究分析

直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置的大部件中只有采能器浸在海水中工作，所以采能器的防止海水腐蝕是必須重視的研究內(nèi)容。本項目將研究采用常規(guī)海洋工程防腐技術(shù)防腐方法，降低日常維護(hù)和防腐成本。

3 技術(shù)路線

3.1 裝置總體設(shè)計

直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置利用采能器隨海洋波浪的波幅而運(yùn)動，將采集到的能量傳送到集壓器，通過能量整合等一系列運(yùn)作，驅(qū)動發(fā)電機(jī)平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)電站的發(fā)電。

圖8 發(fā)電系統(tǒng)示意圖

采能傳輸系統(tǒng)接受海洋涌動的能量后隨波涌運(yùn)動，通過耦合件鉸鏈驅(qū)動集壓系統(tǒng)工作，集壓系統(tǒng)給流體施加壓力，把不穩(wěn)定的壓力流壓入穩(wěn)壓系統(tǒng)中，經(jīng)過調(diào)平穩(wěn)定后的壓力流進(jìn)入工作環(huán)節(jié)。經(jīng)過調(diào)平穩(wěn)定后的壓力流驅(qū)動流體發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)——控制器通過輸出系統(tǒng)輸出穩(wěn)定電壓和電流（見圖8）。

3.2 技術(shù)路線

3.2.1 通過理論計算、仿真設(shè)計試驗和零部件測試，對直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行整體優(yōu)化和仿真分析，確定采能器外形尺寸、連接耦合件尺寸和主要技術(shù)參數(shù)。優(yōu)良的設(shè)計方案是降低制造以及使用成本的重要環(huán)節(jié)，也直接影響直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置發(fā)電效率的高低。設(shè)計采能器外形尺寸時，通過理論計算和仿真測試，獲得采能器的最佳外形尺寸。同時對耦合件進(jìn)行大量比對仿真測試，得到最佳的波浪能采集效率。當(dāng)采能器、連接耦合件與波浪達(dá)到較好的匹配時，即達(dá)到獲得最大平均功率的設(shè)計目的。

3.2.2 匹配設(shè)計集壓器蓄能器液壓系統(tǒng)。根據(jù)采能器相關(guān)數(shù)據(jù)，計算出集壓器液壓和流量參數(shù)需求，能量處理過程采用變動液壓直接蓄能調(diào)壓的方式，環(huán)節(jié)簡單可靠，能量行程路線短，管損率低。需要特別注意匹配設(shè)計集壓器與蓄能器液壓系統(tǒng)的與調(diào)試，可以有效地提高生產(chǎn)率和降低運(yùn)營成本。

3.2.3 裝配發(fā)電系統(tǒng)。項目計劃裝備液壓發(fā)電機(jī)作為發(fā)電裝置，液壓發(fā)電機(jī)通過穩(wěn)定的液壓、穩(wěn)定的流量驅(qū)動發(fā)電。屬于成熟的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化零部件，可靠性很高，容易維護(hù)。

3.2.4 設(shè)計安裝錨固系統(tǒng)。項目采用浮球牽引的彈性錨固系統(tǒng)，有效防止錨鏈崩斷，可靠性很高，容易調(diào)整維護(hù)。

3.2.5 采能器、耦合件設(shè)計調(diào)試。采能器、耦合件完成設(shè)計制造后，通過一個周期的實海況調(diào)試、試驗驗證方案是否合理，零部件強(qiáng)度是否等效匹配等。通過實海況測試及時發(fā)現(xiàn)問題破解原因，并在優(yōu)化中得以解決，提高裝置的適應(yīng)能力。

3.3 關(guān)鍵問題

3.3.1 低波高啟動問題。本裝置采用采能器作為能量采集的第一步，波浪高度不夠可能導(dǎo)致無法驅(qū)動采能器工作，所以必須設(shè)置和驗證最小啟動波高，使裝置在適當(dāng)波高的海域中正常工作。

3.3.2 抗臺風(fēng)破壞問題。通過將裝置整體下潛脫離海面以避免臺風(fēng)的破壞。

3.3.3 抗斜浪對結(jié)構(gòu)的扭曲問題。結(jié)構(gòu)在遇到斜浪時，耦合件會發(fā)生扭曲，為解決此類問題，耦合件截面設(shè)計成封閉圓管結(jié)構(gòu)，以抵抗采集單元橫搖導(dǎo)致的耦合件扭曲問題。本裝置設(shè)計為最大限度地追求縱搖，在海上工況下允許其最大限度地橫搖，以最大限度地釋放斜側(cè)浪對裝置的沖擊，提高裝置的安全性。

4 結(jié)語

波浪發(fā)電裝置的研究與試驗面臨的首要問題就是如何抵御海上惡劣的環(huán)境，以保障發(fā)電設(shè)備的安全。通過本項目的研究，綜合考慮海上多種不利因素，設(shè)計較為科學(xué)與合理的發(fā)電裝置，在避免裝置損壞的前提下，穩(wěn)定進(jìn)行電力輸出。項目組對該結(jié)構(gòu)的波浪能裝置已初步進(jìn)行多次仿真分析，下一步，課題組將進(jìn)行多次模型實海況試驗分析，充分驗證波高、采能器的有效運(yùn)動量與液壓發(fā)電機(jī)輸出之間的關(guān)系。在大量仿真及實驗的基礎(chǔ)上，召集船舶設(shè)計專家及相關(guān)專業(yè)專家進(jìn)行詳細(xì)論證與結(jié)構(gòu)設(shè)計，研制出直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置，并提高裝置的抗風(fēng)浪破壞能力，穩(wěn)定發(fā)電。

作者簡介：吳濤（1981-），男，安徽壽縣人，連云港市海域使用保護(hù)動態(tài)管理中心科長，中級工程師，碩士，研究方向：海域管理與海洋技術(shù)。