陣列浮子式波浪能發(fā)電技術(shù)研究概述

史玉濤 劉艷嬌 趙凌志

（1 中國科學(xué)院電工研究所 北京 100190 2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

隨著國際能源安全、生態(tài)環(huán)境、氣候變化等問題日益突出，加快開發(fā)利用海洋能已成為世界沿海國家和地區(qū)的共識(shí)。波浪能具有分布范圍廣、儲(chǔ)量大、能流密度高等特點(diǎn)，備受科研工作者的關(guān)注，成為海洋能開發(fā)利用的熱點(diǎn)。自1910 年法國波契克斯·普萊西克設(shè)計(jì)出第一套氣動(dòng)式波浪能發(fā)電裝置，波浪能發(fā)電技術(shù)已獲得長(zhǎng)足發(fā)展，目前全球已有4 000 余種波浪能發(fā)電裝置［1］。振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置效率高、制造難度低、可靠性好，成為當(dāng)前研究的主要方向［2］。單一浮子不能同時(shí)吸收不同海面位置的波浪能，且受自身體積、重量等影響，存在單機(jī)容量小、發(fā)電成本高、發(fā)電量不穩(wěn)定等一系列問題，不能滿足大型化、規(guī)?；l(fā)電的要求［3］。陣列浮子式波浪能發(fā)電是將多個(gè)振蕩浮子在一定的海域面積內(nèi)陣列有序布置，可以連續(xù)、均勻地吸收不同位置的波浪能，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模發(fā)電、連續(xù)穩(wěn)定電能輸出和高效能量轉(zhuǎn)換，同時(shí)大大降低發(fā)電成本。因此，陣列式波浪能發(fā)電成為目前波浪能發(fā)電研究的重點(diǎn)之一。

1 陣列浮子式波浪能發(fā)電方式及系統(tǒng)構(gòu)成

陣列浮子式波浪能發(fā)電裝置可分為很多種類，不同類型裝置的發(fā)電原理有很大差異。依據(jù)能量輸出（Power Take Off，PTO）系統(tǒng)與振蕩浮子聯(lián)結(jié)方式的不同，可將之分為陣列浮子式波浪能發(fā)電場(chǎng)（Wave energy farm）和陣列浮子式波浪能發(fā)電平臺(tái)（Wave floating platform）。

陣列浮子式波浪能發(fā)電場(chǎng)是將一系列單浮子波浪能發(fā)電裝置在一定的海域內(nèi)陣列布置，每臺(tái)發(fā)電裝置都裝配有一套完整的PTO 系統(tǒng)，可單獨(dú)完成波浪能到電能的轉(zhuǎn)換。陣列布置的多臺(tái)發(fā)電裝置通過分布式拓?fù)錁?gòu)架對(duì)輸出電能進(jìn)行匯集，再經(jīng)過一系列電能轉(zhuǎn)換后輸送至用戶或儲(chǔ)能裝置［4］。相較于單浮子發(fā)電裝置，陣列浮子式波浪能發(fā)電場(chǎng)不僅發(fā)電量高，而且進(jìn)一步提高了對(duì)海洋環(huán)境適應(yīng)性。

陣列浮子式波浪能發(fā)電平臺(tái)是將多個(gè)振蕩浮子有序排布于漂浮平臺(tái)四周，各振蕩浮子通過機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)連接至漂浮平臺(tái)，平臺(tái)上安裝有中間轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)，通過中間轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行能量的匯集和轉(zhuǎn)換，最終驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能［5］。目前，陣列浮子式波浪能發(fā)電平臺(tái)中間轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要采用液壓蓄能系統(tǒng)。每個(gè)浮子分別連接一個(gè)或多個(gè)液壓缸，通過匯流母管和蓄能器將吸收的波浪能匯集并轉(zhuǎn)換為液壓能，從而有效降低波浪突變性對(duì)裝置的載荷沖擊，蓄能器進(jìn)一步消除了波浪周期性對(duì)功率輸出的影響。陣列浮子式波浪能發(fā)電平臺(tái)最大特點(diǎn)是多個(gè)浮子共用同一個(gè)PTO 系統(tǒng)，可以一定程度上實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)成本的最優(yōu)化，并能夠保證電能輸出的穩(wěn)定與連續(xù)。

根據(jù)振蕩浮子結(jié)構(gòu)的不同，可將陣列式波能裝置分為陣列擺式、陣列筏式、陣列鷹式、陣列鴨式和陣列點(diǎn)吸收式等。

2 陣列浮子式波浪能發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，陣列浮子式波浪能發(fā)電處于初步海試運(yùn)行階段，各國學(xué)者研究重點(diǎn)主要在于振蕩浮子陣列化布局及其水動(dòng)力學(xué)特性、陣列裝置波浪能俘獲效果。

2.1 陣列浮子式波浪能發(fā)電裝置工程應(yīng)用

世界上已有多個(gè)國家研制完成陣列浮子式波浪能發(fā)電系統(tǒng)樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)海況測(cè)試，甚至進(jìn)行了商業(yè)化示范運(yùn)行，典型代表如表1 所示。其中，澳大利亞CETO 波浪能發(fā)電場(chǎng)、丹麥Wave Star 陣列式波能裝置1∶2 比例樣機(jī)和中國“舟山號(hào)”陣列鷹式裝置成功并網(wǎng)運(yùn)行。

2.2 陣列浮子式裝置波能俘獲效果研究

作為波浪能發(fā)電的第一級(jí)能量轉(zhuǎn)換過程，波浪能俘獲效果直接決定著波浪能發(fā)電裝置性能的優(yōu)劣。通常采用影響系數(shù)q 作為判斷陣列裝置波浪能俘獲效果的依據(jù)［4］。如公式1 所示，q＞1 表示陣列布置對(duì)波浪能俘獲有積極作用；反之，則說明布置方式抑制波浪能吸收。

式中：N 為陣列中浮子個(gè)數(shù)，P 為單浮子吸收的波浪能功率，Pi為陣列中第i 個(gè)浮子吸收的波浪能功率。

表1 陣列浮子式波浪能發(fā)電裝置工程應(yīng)用實(shí)例

目前，主要研究波浪頻率、入射波方向以及各振蕩浮子之間的間距對(duì)陣列式發(fā)電裝置影響系數(shù)q 的作用。Fitzgerald 等［12］基于點(diǎn)吸收理論，采用數(shù)值分析方法對(duì)5 個(gè)半球形振蕩浮子不同的陣列布置方式和入射波方向進(jìn)行了研究分析。結(jié)果顯示，考慮全部的入射波方向時(shí)，影響系數(shù)q 均值等于1。Borgarino 等［13］通過對(duì)陣列式波能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行參數(shù)研究，將9～25 個(gè)垂直圓柱型振蕩浮子布置于標(biāo)準(zhǔn)的正方形和三角形網(wǎng)格上，研究了浮子布置間距對(duì)波浪能吸收的影響。

2.3 陣列布局對(duì)水動(dòng)力系數(shù)的影響研究

對(duì)于陣列浮子式波浪能發(fā)電系統(tǒng)，各浮體之間的相互作用亦是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。Agamloh 等［14］采用三維數(shù)值水槽模擬計(jì)算分析了波能裝置的流固耦合相互作用，并對(duì)2 個(gè)浮子小陣列垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)雙浮體之間的相互作用進(jìn)行了研究。研究表明，浮體之間的相互作用隨浮體間距、波浪要素的變化而變化。吳廣懷等［15］根據(jù)三維線性勢(shì)流理論，對(duì)多浮體系統(tǒng)的水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析。仿真結(jié)果表明固定波浪頻率下水動(dòng)力系數(shù)幅值隨浮子間距增大而減小，且相鄰極值的間距為一個(gè)或半個(gè)波長(zhǎng)。楊紹輝等［16］采用數(shù)值模擬研究了不同波向作用下圓周形、雙列形、單列形3 種陣列布置方式的水動(dòng)力響應(yīng)及陣列間距對(duì)各浮子波能俘獲的影響。研究發(fā)現(xiàn)不同波向下圓周形布置時(shí)其陣列浮子平均振幅最大。在這種布置方式下，對(duì)于直徑2.8 m 的圓柱形振蕩浮子，浮子間距8 m～10 m 為最佳距離。

3 陣列浮子式波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

陣列浮子式波浪能發(fā)電技術(shù)的提出，對(duì)波浪能發(fā)電間歇性和高成本等問題提供了相對(duì)較好的解決方案。因此，陣列浮子波浪能發(fā)電在全球沿海國家獲得快速發(fā)展。陣列浮子式波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)主要有以下4 個(gè)方面：

3.1 波浪能發(fā)電平臺(tái)成為主要研究對(duì)象

相比較于陣列浮子式波浪能發(fā)電場(chǎng)，陣列式波浪能發(fā)電平臺(tái)具有受海浪沖擊影響小、輸出電能相對(duì)穩(wěn)定、活動(dòng)部件少、整體穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，迅速成為陣列浮子式波浪能發(fā)電的研究熱點(diǎn)和主要研究對(duì)象。

3.2 發(fā)電平臺(tái)單機(jī)容量逐漸增大

大容量發(fā)電裝置單位發(fā)電效率高，建設(shè)投資和發(fā)電成本逐漸降低且易于控制，因此，大容量裝置亦是波浪能發(fā)電發(fā)展趨勢(shì)之一。從表1 可以看出，目前研制成功的陣列浮子式波浪能發(fā)電裝置單機(jī)容量多為千瓦級(jí)并且逐漸增大。因此，陣列式波浪能發(fā)電平臺(tái)單機(jī)容量必然隨波浪能發(fā)電技術(shù)的成熟而增大，甚至?xí)_(dá)到兆瓦級(jí)及以上。

3.3 海上多能源綜合開發(fā)利用

海洋中具有同樣豐富的風(fēng)能和太陽能資源。為優(yōu)化能源布局，提高海洋能源綜合利用率，各種可再生能源綜合開發(fā)利用已成發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前的互補(bǔ)式發(fā)電平臺(tái)有波浪能發(fā)電平臺(tái)與漂浮式風(fēng)電機(jī)組相結(jié)合的“STC”發(fā)電裝置，波浪能-太陽能相結(jié)合的“澎湖號(hào)”波浪能發(fā)電平臺(tái)。

3.4 波浪能發(fā)電平臺(tái)與發(fā)電場(chǎng)相結(jié)合

陣列浮子式波浪能發(fā)電平臺(tái)的裝機(jī)容量相比較于單浮子有很大提高，然而相比于傳統(tǒng)發(fā)電方式，波浪能發(fā)電平臺(tái)裝機(jī)容量依然很小。將陣列浮子式波浪能發(fā)電平臺(tái)作為發(fā)電單元陣列布置，形成波浪能發(fā)電場(chǎng)，是波浪能發(fā)電大型化、規(guī)?；挠行緩?。

4 結(jié)論及展望

陣列浮子式波浪能發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模發(fā)電、連續(xù)穩(wěn)定電能輸出和高效能量轉(zhuǎn)換，同時(shí)大大降低發(fā)電成本，是波浪能發(fā)電研究的重點(diǎn)。目前，陣列浮子式波浪能發(fā)電研究多處于理論分析和樣機(jī)海試階段，其發(fā)展趨勢(shì)為多能源綜合開發(fā)利用的波浪能發(fā)電平臺(tái)陣列布置成發(fā)電場(chǎng)。隨著波浪能發(fā)電技術(shù)日趨成熟和完善，以其所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，陣列浮子式波浪能發(fā)電或?qū)l(fā)揮更大的作用。