自升式波浪能發(fā)電裝置設(shè)計與試驗研究

徐 超 石晶鑫 李德堂

（浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院 舟山316022）

引 言

波浪能是海洋能源中蘊藏最為豐富的能源之一，也是近期海洋能利用開發(fā)中研究最多的海洋能源［1］。波浪能以其分布廣泛、清潔無污染、能源密度大、有規(guī)律可循、易裝換等優(yōu)點成為新能源家族中備受關(guān)注的一員［2］。波浪雖然只是海水質(zhì)點在原地的起伏運動，但其運動能量十分巨大，據(jù)估算一平方公里海面上的波浪能可達到25萬千瓦的功率。正因其蘊含巨大的能量，波浪的破壞力也大得驚人。巨浪曾將幾十噸的巨石拋到岸上，也曾把萬噸輪船推向海岸。如何駕馭海浪為人類造福，是人們幾百年來的夢想。目前全世界有關(guān)波浪能技術(shù)的專利已超過1 500項，數(shù)十項波浪能利用技術(shù)正在開發(fā)中。有的已經(jīng)進入發(fā)電應(yīng)用狀態(tài)，然而由于技術(shù)起步晚且仍面臨一些大的難題，波浪能的應(yīng)用遠低于風(fēng)能和太陽能，真正能經(jīng)得起海浪考驗的不多，不少發(fā)電裝置被損壞（岸式）或沉沒（船式）［3］。自升式平臺由于其良好的適應(yīng)性、可移動性、作業(yè)穩(wěn)定性和定位能力，在海洋石油開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用［4-5］。我們借助于自升式平臺的優(yōu)勢和成熟的技術(shù)，將振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置應(yīng)用到自升式平臺上，建造一座小型自升式波浪發(fā)電平臺。

本文基于國家海洋局可再生能源專項資金項目“惡劣海況下自保護式高效穩(wěn)定波浪發(fā)電裝置”，設(shè)計了一種以自升式平臺為載體的新型波浪能發(fā)電裝置，可以有效地解決目前波浪能發(fā)電效率低、不穩(wěn)定及成本高等不足，并且自升式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)可靠性也得到保證。

1 自升式波浪能發(fā)電裝置簡介

1.1 自升式波浪能發(fā)電裝置的組成

波浪能發(fā)電裝置可看作一個包括三級能量的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。一般說來，一級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)直接與波浪相互作用，將波浪能轉(zhuǎn)換成裝置的動能和勢能等；二級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)將一級能量轉(zhuǎn)換所得的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機械的液壓能；三級能量轉(zhuǎn)換將旋轉(zhuǎn)機械的液壓能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能［2］。如圖1所示，即為自升式波浪能發(fā)電裝置組成圖。自升式波浪能發(fā)電裝置的實物圖，如圖2所示。

從圖1和圖2可以看出，在自升式波浪能發(fā)電裝置中，一級能量機構(gòu)是浮筒，液壓油缸和蓄能器可視為二級能量機構(gòu)，和其他波浪發(fā)電裝置一樣，三級能量機構(gòu)是發(fā)電機系統(tǒng)。

圖1 自升式波浪能發(fā)電裝置組成圖

圖2 自升式波浪能發(fā)電裝置實物圖

1.2 自升式波浪能發(fā)電裝置的工作原理

自升式波浪能發(fā)電裝置包括浮筒、液壓油缸、導(dǎo)向柱、自升式平臺、液壓油缸安裝底座、蓄能庫、液壓控制系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)，如圖1所示。

當(dāng)波浪上升時，波浪推動浮筒沿著導(dǎo)向柱向上運動，進而帶動液壓油缸的活塞桿上升，使得液壓油缸的無桿腔油液排出，通過液壓控制系統(tǒng)進入高壓蓄能庫，經(jīng)過恒壓調(diào)節(jié)后進入高壓液壓馬達，從而使高壓液壓馬達連續(xù)平穩(wěn)的驅(qū)動大發(fā)電機發(fā)電。當(dāng)波浪下降時，浮筒靠自重沿著導(dǎo)向柱下降，進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)進入低壓蓄能庫，經(jīng)過恒壓調(diào)節(jié)后進入低壓液壓馬達，從而使低壓液壓馬達連續(xù)平穩(wěn)地驅(qū)動小發(fā)電機發(fā)電。

1.3 浮筒的受力分析

在自升式波浪能發(fā)電裝置中，浮筒與海水直接接觸。大海中的波浪運動給予浮筒一定的作用力，使得浮筒隨著波浪作起伏運動。這樣，浮筒就從波浪中吸收了能量，海水中的波浪能轉(zhuǎn)換為浮筒的勢能。

本文忽略浮筒之間的相互影響，只分析單個浮筒的性能。作用在浮筒上的力包括波浪力、浮力、樁腿對浮筒的支持力、浮筒與樁腿之間的摩擦力以及液壓阻尼力。其中波浪力可分解為水平波浪力和垂直波浪力。顯然，水平波浪力和支持力大小相等但方向相反，因此兩者的作用效果相互抵消。由于浮筒與樁腿之間的摩擦力為滾動摩擦，因此摩擦系數(shù)為0.05，該系數(shù)與水平力相乘所得數(shù)值一般很小，故摩擦力的影響可以忽略不計。所以，可以近似認(rèn)為浮筒只受到液壓阻尼力、浮力、重力和垂向波浪力?；诰€性隨機波浪理論，P-M譜和三維浮體波浪載荷頻率方法［6-7］，本文采用SESAM軟件進行水動力分析，浮體所受的波浪力包括兩部分，二者相加得到浮筒所受波浪力：Froude krylove-佛汝德-克雷洛夫力+Diffraction-波浪繞射力。表1給出了各工況下浮筒運動響應(yīng)和波浪力幅值。

為使浮筒的俘獲波浪能最大，就要增大浮筒的豎向垂蕩運動幅值和豎向波浪力。為使浮筒結(jié)構(gòu)能夠抵抗波浪的沖擊力，就要減小水平波浪力。綜合考慮，浮筒帶有0.8 m水深配重的俘獲波浪能效果最好，對應(yīng)的浮筒水線面直徑為3 m左右。

表1 各工況下浮筒運動響應(yīng)和波浪力幅值

2 海上工程試驗及結(jié)果分析

自升式波浪能發(fā)電裝置安置在浙江省舟山市普陀區(qū)朱家尖鎮(zhèn)東沙，具體所處位置為長江口與杭州灣的交匯處，如圖2所示。整個試驗在自升式波浪發(fā)電平臺上完成，做試驗5分鐘，共做試驗3次，任取其中兩次試驗的數(shù)據(jù)。

2.1 試驗條件

（1）試驗場地：朱家尖東沙的自升式波浪發(fā)電平臺；

（2）試驗主要儀器：功率200 W的白熾燈8個，功率100 W的白熾燈8個，激光測距儀，塑料泡沫浮標(biāo)，雷諾液壓測試儀，萬能表。

2.2 試驗步驟

把塑料泡沫浮標(biāo)串在鐵棍上，放在海平面上，讓它隨著波浪做起伏運動。其中一個實驗人員用激光測距儀測量浮標(biāo)與激光發(fā)射點之間的距離，并用電腦采集波浪數(shù)據(jù)。同時，另一個實驗人員通過壓力傳感器和流量傳感器，使用雷諾液壓測試儀對液壓管道系統(tǒng)的流量、壓力進行動態(tài)測量，記錄流體管道特性相關(guān)參數(shù)，為液壓系統(tǒng)的改進提供相應(yīng)的定量數(shù)據(jù)分析。最后，還有一個實驗人員通過萬能表同時測量電壓和電流，使用攝像機拍攝視頻，事后每秒鐘記錄一個數(shù)據(jù)。

2.3 試驗結(jié)果及分析

為了便于觀察輸出電能的穩(wěn)定性，首先對各個負(fù)載的數(shù)據(jù)進行分析，然后再進行對比分析。

當(dāng)負(fù)載A時，波浪、電壓、電流測量數(shù)據(jù)見圖3、圖4和圖5所示。

圖3 波浪采集數(shù)據(jù)圖

圖4 電壓采集數(shù)據(jù)圖

圖5 電流采集數(shù)據(jù)圖

圖6 負(fù)載A功率輸出實物圖

從圖3看出，大海的波浪十分不穩(wěn)定，是個不規(guī)則波，波浪的平均周期是6.2 s，平均波高是0.5 m。從圖4看出，在0 ～ 300 s內(nèi)，平均電壓是137.12 V，電壓在100 ～ 200 V之間波動。由于波浪時有時無，從而導(dǎo)致電壓變化。從圖5看出，電流在4 ～ 5.5 A范圍內(nèi)波動，電流平均值是4.75 A，電流變化不是很大。

當(dāng)負(fù)載B時，波浪、電壓、電流測量數(shù)據(jù)見圖7、圖8和圖9所示。

圖7 波浪采集數(shù)據(jù)圖

圖8 電壓采集數(shù)據(jù)圖

圖9 電流采集數(shù)據(jù)圖

圖10 負(fù)載B功率輸出實物圖

從圖7看出，波浪的平均波高是0.55 m，平均周期是6.5 s。從圖8看出，電壓在120～220 V之間變化，平均電壓值是150.22 V。從圖9看出，電流在5～7 A之間變化，平均電流值是6.36 A。

通過負(fù)載A和負(fù)載B得出分析比較，比較結(jié)果見表2。

表2 負(fù)載A與B的實驗結(jié)果

從圖6、圖10和表2看出，兩個負(fù)載的電信號都穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)并保證了其能穩(wěn)定的進行發(fā)電作業(yè)。針對波浪時有時無、時大時小的特點，波浪能發(fā)電裝置設(shè)置了液壓蓄能器，能夠連續(xù)穩(wěn)定高效發(fā)出電來。圖6、圖10已經(jīng)證明自升式波浪能發(fā)電裝置能夠適應(yīng)不規(guī)則波的海況。

3 波浪能量估算及波浪發(fā)電效率計算

3.1 線性波浪理論的波浪能量

根據(jù)線性波浪理論［8-9］，一個波浪周期內(nèi)，單位面積水平水面的平均波浪能量為：

式中：E為單位面積水平水面的平均波浪能量，W；ρ為海水的密度，kg/m3；H為波高，m。

波浪能量的傳遞速度為：

式中：CE為波能傳播速度，m/s；C為波浪傳播速度，m/s；k為波數(shù)；h為發(fā)電作業(yè)海域的水深，m；g為重力加速度，m/s2；T為波浪周期，s；波數(shù)k由色散關(guān)系可以求解（采用迭代方法求解）：

式中：k為波數(shù)；h為發(fā)電作業(yè)海域的水深，m；ω為角速度，rad/s；T為波浪周期，s。

因此，水線面積為A的區(qū)域一個波浪周期內(nèi)接收到的平均波浪功率為：

3.2 波浪發(fā)電效率計算

當(dāng)計算負(fù)載A時，浮筒吃水深度0.8 m，波浪周期6.2 s，波高0.5 m，發(fā)電作業(yè)海域的水深2.3 m，此時水線面處浮筒外徑為3 m，內(nèi)徑為0.66 m。

（1）3個浮筒的水線面積

（2）波數(shù)k：通過MATLAB編程序計算k= 0.22

（3）波浪傳播速度

（4）波能傳播速度

（5）入射波的平均波浪功率為：

（6）總的波浪發(fā)電效率為：

當(dāng)計算負(fù)載B時，浮筒吃水深度0.8 m，波浪周期6.5 s，波高0.55 m，此時水線面處浮筒外徑3.1 m，內(nèi)徑0.66 m。同理可得，總的波浪發(fā)電效率為：

綜上所述，無論是負(fù)載A還是負(fù)載B的情況下，自升式波浪能發(fā)電裝置的發(fā)電效率超過了15%，具有較高的轉(zhuǎn)換效率，達到了項目的技術(shù)指標(biāo)。

4 自升式波浪能發(fā)電裝置的優(yōu)勢與發(fā)明創(chuàng)新點

（1）惡劣海況下生存能力強。裝置采用成熟的自升式平臺支撐，并設(shè)置自保護裝置，在風(fēng)暴來襲之前，能將浮筒提離水面。本項目中的裝置創(chuàng)新發(fā)明了一種可升降式波浪發(fā)電機構(gòu)，惡劣海況下浮筒可升離海面之上，與平臺主體鎖緊，可有效抵御風(fēng)暴與波浪的沖擊，已經(jīng)經(jīng)歷了蘇力、潭美和菲特3次臺風(fēng)考驗。

（2）該裝置不受潮位變化的影響。通常固定式波浪能發(fā)電裝置都會面臨一大難題，即消除潮差變化對發(fā)電裝置的影響。潮位變化引起的最大問題是需要頻繁調(diào)整受波體的浮態(tài)和平衡位置才能保證裝置能正常運作。本項目中的裝置發(fā)明了潮位、潮差變化自適應(yīng)隨動技術(shù)，研制出一種隨動波浪齒條，實現(xiàn)了全天候跟蹤波浪運動，在不同的潮位都能夠進行波浪發(fā)電。

（3）創(chuàng)新設(shè)計了一種群組液壓油缸取能技術(shù)，液壓油缸成對均衡地布置在齒條兩邊，既有效提高了能量轉(zhuǎn)化效率，又消除了波浪水平力帶來的沖擊影響。

（4）電力輸出穩(wěn)定性很好，即使在實際海況下，波浪的隨機性很強且平均波高不大的情況下，仍能持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電。本項目中的裝置研發(fā)了一種自動連續(xù)穩(wěn)定電力輸出系統(tǒng)，實現(xiàn)了波浪能的平穩(wěn)轉(zhuǎn)化難題，通過蓄能模塊和液壓馬達流量調(diào)節(jié)，控制發(fā)電機輸出穩(wěn)定電壓，不同大小的波浪能自動切換相應(yīng)的功率負(fù)載。

（5）該裝置可靠性好，管理維護成本低。裝置的平臺設(shè)計有利于降低管理維護成本，一方面因為采用固定式及水下沒有活動的設(shè)計，使裝置的可靠性大大提升；另一方面平臺式設(shè)計能存放維修工具和必要生活物資、為維護管理人員提供生活處所，可大大降低出海次數(shù)，從而降低了管理維護成本。本項目中的裝置創(chuàng)新設(shè)計了一種水上隔離波浪發(fā)電系統(tǒng)，核心設(shè)備均在海面之上，消除了海水腐蝕影響。

5 結(jié) 論

自升式波浪能發(fā)電裝置具有抗風(fēng)抗浪、連續(xù)高效、性能穩(wěn)定的特點。該裝置在電力輸出穩(wěn)定性、裝置可靠性、發(fā)電效率、管理和維護成本方面具有優(yōu)勢，達到了項目中的技術(shù)指標(biāo)，并克服了固定式波浪發(fā)電裝置難以解決的潮差問題，實現(xiàn)了多方面的突破。

自升式波浪能發(fā)電裝置還需要進一步完善，平臺應(yīng)插樁于水域更深、波浪能量更豐富的海域，有利于提高發(fā)電效率。浮筒式波浪發(fā)電裝置主要通過利用水質(zhì)點垂向運動的能量發(fā)電，波浪由深水向淺水行進過程中，其垂向運動能量減少，水平方向運動能量增大，因此在淺水區(qū)域，波浪對浮筒的水平作用力增加很多，不利于本裝置發(fā)電。如果將發(fā)電平臺放置于波浪能量豐富的深水海域，本裝置的發(fā)電效率或許會有所提高。后期，我們將研發(fā)更大功率的波浪能發(fā)電站，并將自升式波浪能發(fā)電裝置向更深、更惡劣的海況邁進。

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