實(shí)海況下“海院1號”波浪發(fā)電平臺浮筒取能效率研究

呂　沁，李德堂，李達(dá)特，唐文濤，曹偉男（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山　316022）

實(shí)海況下“海院1號”波浪發(fā)電平臺浮筒取能效率研究

呂沁，李德堂，李達(dá)特，唐文濤，曹偉男
（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022）

取能效率是衡量波浪發(fā)電平臺浮筒水動力性能的重要指標(biāo)。本文通過“海院1號”波浪發(fā)電平臺在實(shí)海況下的測試數(shù)據(jù)，分析水深、系統(tǒng)壓力以及波浪因素對浮筒取能效率的影響。期望試驗結(jié)果可為“海院1號”波浪發(fā)電平臺的進(jìn)一步優(yōu)化提供幫助，也為相關(guān)波浪能研究人員提供技術(shù)支持。

波浪能；浮筒；取能效率；“海院1號”；試驗

能源是人類社會存在和繁榮的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。隨著工業(yè)社會的不斷發(fā)展，化石能源日益短缺，能源問題逐漸成為世界性問題［1-2］。21世紀(jì)，隨著溫室效應(yīng)、環(huán)境污染、能源短缺等問題的持續(xù)惡化，人們開始把越來越多的目光聚集在具有可再生、無污染的海洋清潔能源上，波浪能的開發(fā)利用逐漸成為熱點(diǎn)［3］。隨著我國政府在十八大上提出“大力發(fā)展海洋資源”的政策，更是讓波浪能為主的海洋清潔能源的發(fā)展迎來了前所未有的契機(jī)。

“海院1號”是由國家海洋局海洋可再生能源專項資金項目支持，浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院獨(dú)立自主研發(fā)設(shè)計的自升式點(diǎn)吸收式波浪發(fā)電平臺，如圖1所示。該波浪發(fā)電平臺主要由支撐平臺、3組波浪能收集模塊、液壓系統(tǒng)和電力輸出系統(tǒng)組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，浮筒以樁柱為導(dǎo)向，上端裝有2只波浪板，每只波浪板通過帶有滾輪的群組油缸相配合。平臺選取的發(fā)電浮筒是一個旋轉(zhuǎn)體，以下簡稱浮筒一，其形狀如圖3所示。它的結(jié)構(gòu)可以簡單的分為兩部分，上半部分是一個直徑為3 200 mm，高度為625 mm的圓柱體，下半部分是一個類似于半球的曲面，高度為835 mm。浮筒內(nèi)部有一些加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

本文將根據(jù)“海院1號”波浪發(fā)電平臺在實(shí)海況下的試驗數(shù)據(jù)，分析水深、系統(tǒng)壓力、波浪因素對浮筒取能效率的影響。

圖1　“海院1號”波浪發(fā)電平臺Fig.1　"Haiyuan 1"wave power generating platform

圖2　“海院1號”波浪發(fā)電平臺整體結(jié)構(gòu)Fig.2　The overall structure of"Haiyuan 1" wave power generating platform

圖3　“海院1號”波浪發(fā)電平臺浮筒Fig.3　The buoy of"Haiyuan 1"wave power generating platform

1　計算方法

1.1波浪能量的計算

實(shí)海況下波浪能量［4］的計算可以通過（1）式得到：

式中ρ 、g 、T分別為海水密度、重力加速度、波浪平均周期，H1/3為有義波高（最大三分之一波高的均值），cg為波速（淺水條件下等于，d為水深），Aω為浮筒的水線面面積。

由于實(shí)海況下波浪具有很大的隨機(jī)性，不規(guī)則特點(diǎn)非常明顯，因此本文將采用上跨零點(diǎn)法來處理波浪，得到平均周期T和有義波高H1/3。

上跨零點(diǎn)法取平均水平面為零線，把波面上升與零線相交的點(diǎn)作為一個波的起點(diǎn)。波形不規(guī)則的振動降到零線以下，接著又上升，再次與零線相交，把這一點(diǎn)作為該波的終點(diǎn)（即下一個波的起點(diǎn)）。本文實(shí)海況試驗的波浪圖中，橫坐標(biāo)軸都表示時間，則兩個連續(xù)上跨零點(diǎn)的間距便是這個波的周期，上下振幅是波浪的波高，如圖4所示。

圖4　上跨零點(diǎn)法Fig.4　The method of up across the zero point

1.2浮筒輸出功率的計算

“海院1號”波浪發(fā)電平臺浮筒的輸出功率［5］可以通過（2）式計算：

式中t為浮筒的運(yùn)動總時間，F(xiàn)PTO為液壓阻尼力，可有式（3）計算得到，L有效行程為t時間內(nèi)液壓活塞運(yùn)動的距離，其值等于浮筒運(yùn)動的距離，由于“海院1號”波浪發(fā)電平臺液壓系統(tǒng)為雙向活塞系統(tǒng)，即浮筒的上下運(yùn)動都為有效行程，可由下文的浮筒運(yùn)動曲線得到。

式中k為系統(tǒng)壓力，其值大小可以通過平臺液壓系統(tǒng)人為控制；A為活塞面積，其設(shè)計值為100 cm2。1.3浮筒取能效率的計算

浮筒取能效率為浮筒輸出功率與波浪能量的比值［6］，也稱為一級轉(zhuǎn)化效率，其值由式（4）計算：

2　試驗內(nèi)容

試驗在“海院1號”波浪發(fā)電平臺上進(jìn)行，主要記錄不同海況下波浪與浮筒的運(yùn)動，進(jìn)行控制變量分析，得到實(shí)驗結(jié)果。實(shí)驗前，為了測量波浪數(shù)據(jù)，我們采用浮標(biāo)預(yù)測波浪的傳統(tǒng)方法，自行制造組裝一套裝置進(jìn)行測量，如圖5（a）所示。該套裝置由YF-YJ50激光位移傳感器、計算機(jī)終端、滑竿和浮標(biāo)組成，通過位于滑竿上的激光位移傳感器記錄下方浮標(biāo)的運(yùn)動，得到波浪的運(yùn)動振幅與周期，并得到運(yùn)動曲線圖?！昂Ｔ?號”波浪發(fā)電平臺的浮筒與波浪板相互連接，如圖2所示。在測量浮筒的運(yùn)動時，只需將YF-YJ50激光位移傳感器固定于波浪板上，通過測量波浪板的運(yùn)動，可以預(yù)測浮筒的運(yùn)動，得到浮筒運(yùn)動曲線圖。試驗中，為了保證浮標(biāo)與浮筒的波浪因素相同，只要浮標(biāo)安放地點(diǎn)與測試浮筒中心的連線和波浪的入射方向垂直即可，并保持浮筒與浮標(biāo)相隔位置較遠(yuǎn)，防止相互間影響引起的誤差。測試時，必須保證浮筒與浮標(biāo)同時刻測量。其中本文所涉及到的浮筒為平臺最外側(cè)的一個浮筒，浮筒吃水為0.835 m。試驗場景如圖5

（b）、圖5（c）所示。

圖5　試驗圖片F(xiàn)ig.5　The picture of experiment

2014年4月20日，“海院1號”波浪發(fā)電平臺在浙江省舟山市朱家尖東沙海域進(jìn)行了實(shí)海況試驗，測試海域水深在2.5m左右，屬于淺水條件。在本次試驗中，重點(diǎn)選取具有分析價值的六個海況的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究浮筒取能效率的影響因素，海況條件如表1所示。其中，系統(tǒng)壓力通過平臺人為調(diào)節(jié)，測試時間選取一長段測試中波浪條件較為平穩(wěn)的80秒。

表1　試驗海況Tab.1　The sea conditions of experiment

圖6～圖17分別是No.1～No.6六個海況下的波浪運(yùn)動曲線圖和“海院1號”波浪發(fā)電平臺浮筒運(yùn)動曲線圖。通過本文的計算方法對下列各圖以及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與計算，得到每個海況下的浮筒取能效率。

圖6　No.1波浪運(yùn)動曲線Fig.6　The motion curve of wave in No.1 sea condition

圖7　No.1浮筒運(yùn)動曲線Fig.7　The motion curve of the buoy in No.1 sea condition

圖8　No.2波浪運(yùn)動曲線Fig.8　The motion curve of wave in No. 2 sea condition

圖9　No.2浮筒運(yùn)動曲線Fig.9　The motion curve of the buoy in No.2 sea condition

圖10　No.3波浪運(yùn)動曲線Fig.10　The motion curve of wave in No.3 sea condition

圖11　No.3浮筒運(yùn)動曲線Fig.11　The motion curve of the buoy in No.3 sea condition

圖12　No.4波浪運(yùn)動曲線Fig.12　The motion curve of wave in No.4 sea condition

圖13　No.4浮筒運(yùn)動曲線Fig.13　The motion curve of the buoy in No.4 sea condition

圖14　No.5波浪運(yùn)動曲線Fig.14　The motion curve of wave in No.5 sea condition

圖15　No.5浮筒運(yùn)動曲線Fig.15　The motion curve of the buoy in No.5 sea condition

圖16　No.6波浪運(yùn)動曲線Fig.16　The motion curve of wave in No.6 sea condition

圖17　No.6浮筒運(yùn)動曲線Fig.17　The motion curve of the buoy in No.6 sea condition

3　試驗結(jié)果分析

3.1試驗結(jié)果

通過計算，試驗結(jié)果如表2及圖18所示。

表2　試驗結(jié)果Tab.2　Results of experiment

3.2試驗結(jié)果分析

表2與圖18所示為“海院1號”波浪發(fā)電平臺實(shí)海況試驗結(jié)果。其中，根據(jù)No.3、No.4和No.5我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水深都為2.52 m，波浪相近的情況下，系統(tǒng)壓力從1.5 MPa變化到2.0 MPa，取能效率也隨之從24.7%變化到42.8%，變化幅度明顯，說明浮筒取能效率受到系統(tǒng)壓力影響較大；根據(jù)No.1、No.2和No.4以及No.1、No.6可以得到，當(dāng)系統(tǒng)壓力同為1.8 MPa，波浪相近的情況下，在試驗的淺水條件中，隨著水深從2.17～2.60 m小幅度增加，浮筒取能效率并無特別明顯的規(guī)律可循；根據(jù)No.1、No.2、No.4、No.6我們可以發(fā)現(xiàn)，在其他條件相同的情況下，由于No.1、No.6的有義波高、周期大于No.2、No.4的相應(yīng)值，引起前者的取能效率明顯增大，達(dá)到46.1%和45.4%，說明浮筒取能效率受到波浪周期、波浪高度的影響顯著；根據(jù)浮筒的運(yùn)動曲線圖與試驗結(jié)果也可以發(fā)現(xiàn)，浮筒運(yùn)動中的脈沖性將降低浮筒的取能效率，其中No.1、No.6在波高較大的情況下，脈沖性較其他組有所降低，取能效率較大。

圖18　試驗結(jié)果Fig.18　Results of experiment

4　結(jié)論

在實(shí)海況下開展“海院1號”波浪發(fā)電平臺的試驗，對浮筒的取能效率進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，根據(jù)試驗結(jié)果可以得出以下結(jié)論。

（1）浮筒的取能效率受到波浪發(fā)電平臺系統(tǒng)壓力的影響比較大，在不同的海況下尋找一個最佳的系統(tǒng)壓力可以使浮筒取能效率最大化。

（2）由于浮筒的尺寸比較大，在波浪振幅較小的情況下，浮筒取能效率受到本身重量、體積的影響較大，取能效率普遍一般。在波浪振幅比較大的情況下，浮筒取能效率較好。

（3）在淺水條件下，浮筒取能效率受到水深變化的影響不明顯。

（4）“海院1號”波浪發(fā)電平臺在波浪良好、系統(tǒng)壓力恰當(dāng)?shù)臈l件下，浮筒的取能效率可以穩(wěn)定在40%左右，效果良好。

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Study on Energy Harvesting Efficiency for Wave Power Generating Platform Buoy of“Haiyuan 1”in Actual Sea Conditions

LV Qin，LI De-tang，LI Da-te，et al
（Ship and Marine Engineering School of Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

Energy harvesting efficiency is an important indicator as to measure the buoy hydrodynamic performance of wave power generating platform.In this paper，through the experimental data of"Haiyuan 1" wave power generating platform in the actual sea condition，we will analyze the influence of energy harvesting efficiency caused by the depth of the water，the system pressure and wave factors.Through this paper，we hope that the experimental results will help to optimize"Haiyuan 1"wave power generating platform as well as provide wave energy researchers with technical support.

wave energy；buoy；energy harvesting efficiency；“Haiyuan 1”；experiment

TK79

A

1008-830X（2015）04-0362-05

2014-10-30

國家海洋局海洋可再生能源專項資金項目（ZJME2011BL04）；上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究基金資助項目（1205）

呂沁（1990-），男，浙江余姚人，碩士研究生，研究方向：波浪能開發(fā).E-mail：812514014@qq.com

李德堂（1965-），男，教授級高工.E-mail：lidetang2008@163.com