全潛液囊式波浪能俘獲系統(tǒng)特性研究

摘要：針對(duì)海洋監(jiān)測(cè)潛標(biāo)系統(tǒng)的供電需求，研發(fā)設(shè)計(jì)一種元器件少、結(jié)構(gòu)簡單、適用于潛標(biāo)的水下波浪能俘獲系統(tǒng)。相對(duì)于使用液壓系統(tǒng)的波浪能發(fā)電裝置，此系統(tǒng)具有工質(zhì)環(huán)保的特點(diǎn)。該系統(tǒng)由液囊、主體、基礎(chǔ)和能量傳輸4部分組成，工質(zhì)采用水。在實(shí)驗(yàn)室造波水槽中對(duì)該系統(tǒng)的特性進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)適合在長周期和大波高的波浪下工作，試驗(yàn)中功率最大工況為波高0.20 m，周期3.4s，功率可達(dá)5.2 W，效率最大工況為波高0.08 m，周期3.1s，效率可達(dá)25%，且系統(tǒng)的功率和效率會(huì)隨液囊在水下深度的增大而快速下降。

關(guān)鍵詞：波浪能；潛式；囊式；

中圖分類號(hào)：0325;TK79文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

長期穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)并獲取海洋環(huán)境要素的各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)于發(fā)展海洋科學(xué)技術(shù)和開發(fā)利用海洋資源至關(guān)重要。海洋潛標(biāo)是海洋立體檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，現(xiàn)有的海洋潛標(biāo)系統(tǒng)主要依靠蓄電池供電，這種供電方式成本高、維護(hù)難度大，難以實(shí)現(xiàn)長周期持續(xù)運(yùn)行，且蓄電池容量有限導(dǎo)致潛標(biāo)系統(tǒng)無法攜帶更多和更大功率的觀測(cè)儀器，而定期更換蓄電池也會(huì)破壞潛標(biāo)的隱蔽性。波浪能具有能量密度高、分布面廣等特點(diǎn)，是一種可再生的清潔能源，因此利用海洋中的波浪能進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)系統(tǒng)的電能供給有利于促進(jìn)海洋綜合利用和國防事業(yè)的發(fā)展。

目前波浪能利用技術(shù)大致可劃分為振蕩水柱、擺式、筏式、收縮波道、點(diǎn)吸收（振蕩浮子）、鴨式1]和鷹式等2，這些波浪能發(fā)電裝置都是剛性結(jié)構(gòu)[3-4]，Kurniawan等5提出一種將柔性結(jié)構(gòu)應(yīng)用于波浪能裝置的方案，設(shè)計(jì)了一個(gè)漂浮在水面的氣囊，氣囊通過透平連接在一個(gè)空腔上，在波浪作用下，通過氣流往返通過透平來實(shí)現(xiàn)波浪能的提取，研究發(fā)現(xiàn)該裝置比相同尺寸的剛性裝置具有更長的波浪共振周期。Kurniawan等6在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，將氣囊裝置設(shè)置于水下，頂部通過透平連接開放的剛性浮筒，在這種裝置中，氣囊的作用更類似于彈簧。Fareley？在水下氣囊裝置的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步改進(jìn)，將之前與空氣聯(lián)通的開放式浮子改成內(nèi)部設(shè)置具有一定體積的封閉式浮子，該裝置的優(yōu)勢(shì)在于無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，但氣囊的耐用性存疑。Kurniawan等8提出一種改進(jìn)的計(jì)算氣囊變形的方法，研究發(fā)現(xiàn)增加氣囊的彈性有助于增大裝置的共振周期。

目前關(guān)于柔性結(jié)構(gòu)波浪能裝置的研究大都采用氣動(dòng)式，且裝置大多數(shù)都有浮子。隨著水深的增大，波浪的能量密度會(huì)急速下降，且在水下環(huán)境中，對(duì)波浪能發(fā)電裝置的可靠性和耐用性要求更高，因此很有必要開發(fā)一種簡單可靠且工質(zhì)環(huán)保的水下波浪能發(fā)電裝置。為了開發(fā)適用于潛標(biāo)的水下波浪能俘獲系統(tǒng)，本文研發(fā)設(shè)計(jì)一種元器件少、結(jié)構(gòu)簡單和工質(zhì)環(huán)保的全潛液囊式波浪能俘獲系統(tǒng)，并針對(duì)其特性進(jìn)行研究。

1工作原理

本文研究的全潛液囊式波浪能俘獲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)以水作為工質(zhì)，液囊1內(nèi)部充注有水，用于響應(yīng)海面波浪形成的壓力波動(dòng)。液囊1底部設(shè)有開口與中心管2上端連通，使水能進(jìn)入到中心管2內(nèi)。中心管2下端連接在穩(wěn)定板5頂面，穩(wěn)定板5具有一定的平展面積，起到穩(wěn)定整套潛標(biāo)的作用，可減小潛標(biāo)隨海浪的垂蕩運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也可作為探測(cè)設(shè)備或其他通信設(shè)備的安裝基礎(chǔ)。穩(wěn)定板5底面通過鎧裝光電吊纜6與海底的錨體7連接，錨體7固定在海底，其重量應(yīng)大于整套潛標(biāo)提供的最大正浮力。浮筒3套設(shè)在中心管2上部，可通過對(duì)空氣進(jìn)行壓縮以改變體積進(jìn)而改變浮力的方式進(jìn)行浮力控制。為了使液囊1能準(zhǔn)確、靈敏響應(yīng)壓力波動(dòng)，液囊1需處在海面以下的確定位置，即盡量減小液囊在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)，為此浮筒3提供的正浮力應(yīng)使鎧裝光電吊纜6始終保持在張緊狀態(tài)，為此，整個(gè)系統(tǒng)的正浮力要使鎧裝光電吊纜6始終保持在張緊狀態(tài)，這樣在穩(wěn)定板5的共同作用下，液囊1在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)將會(huì)受限，只能在前后左右的平面內(nèi)稍微擺動(dòng)，且系統(tǒng)張緊狀態(tài)下裝置產(chǎn)生的拉力垂直向上，也可有效抵抗海流對(duì)裝置產(chǎn)生的水平方向位移。

系統(tǒng)的做功原理為：液囊1位于海水表面之下確定位置，利用液囊1上部波動(dòng)壓變化做功，當(dāng)液囊1處在波峰位置時(shí)，因波峰水質(zhì)點(diǎn)集合對(duì)液囊1的壓力增大，液囊1正壓收縮，液囊1內(nèi)的水被擠壓進(jìn)中心管2以推動(dòng)活塞41向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)壓縮復(fù)位彈簧45，活塞桿42帶動(dòng)磁體43在線圈44內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)切割線圈44;當(dāng)液囊1處在波谷位置時(shí)，因波谷水質(zhì)點(diǎn)集合對(duì)液囊1的壓力減小，復(fù)位彈簧45回彈，推動(dòng)活塞41向上運(yùn)動(dòng)，將中心管2內(nèi)的水?dāng)D入液囊1，液囊1恢復(fù)原狀，活塞桿42帶動(dòng)磁體43在線圈44內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)切割線圈44，重復(fù)上述過程，磁體43在線圈44內(nèi)做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，磁體43的磁力線切割線圈44從而在線圈兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，所產(chǎn)生的電能經(jīng)整流裝置后儲(chǔ)存于蓄電池，為負(fù)載提供穩(wěn)定的電源。

本文只進(jìn)行裝置前端（即波浪能俘獲系統(tǒng)）的研究，因此對(duì)上述裝置進(jìn)行簡化，如圖2所示。系統(tǒng)主要分為4個(gè)部分，分別為液囊、主體、基礎(chǔ)和能量傳輸部分。液囊采用柔性材料，制成球形，內(nèi)部充滿水，用以響應(yīng)入射波的壓力變化；主體部分是一根大口徑的有機(jī)玻璃圓管，上端開口與液囊連通，下端封閉并開有一定直徑的圓孔，圓孔連接能量傳輸部分，內(nèi)部充滿水；基礎(chǔ)是一個(gè)鋼架，上端固定于主體的底部，下端固定在水底，起到穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)的作用；能量傳輸部分由柔性水管、球閥和豎直的小口徑有機(jī)玻璃管組成，柔性水管通過球閥與豎直的小口徑有機(jī)玻璃管相聯(lián)通，整個(gè)部分與主體相聯(lián)通，內(nèi)部充滿水，當(dāng)液囊在入射波下體積產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化時(shí)，便會(huì)通過能量傳輸部分引起小口徑有機(jī)玻璃管中的水位波動(dòng)，在小口徑有機(jī)玻璃管中放入一個(gè)波高儀，用來測(cè)量管中的液面運(yùn)動(dòng)。與液囊相比，小口徑有機(jī)玻璃管中的靜止液面高度高出一定的水頭，起到類似于復(fù)位彈簧的作用，在液囊擴(kuò)張時(shí)，可促使系統(tǒng)中的水回流入液囊中，從而使液囊體積恢復(fù)。

2試驗(yàn)裝置

2.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

模型參數(shù)如表1所示。模型設(shè)計(jì)如圖3所示，液囊采用一個(gè)直徑400 mm的柔性球；主體部分是一個(gè)直徑300 mm、高250 mm的有機(jī)玻璃管；基礎(chǔ)是一個(gè)可調(diào)節(jié)高度的鋼架，頂端固定在主體底部，底座上放置大重量砝碼，確保系統(tǒng)底座穩(wěn)定在地面上；能量傳輸部分的有機(jī)玻璃管直徑為50 mm，下端通過球閥和柔性水管與主體相聯(lián)通。

2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

物理模型試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)水槽中進(jìn)行，水槽長50m，寬1.2 m，深1.2 m，并配備有一臺(tái)單板造波機(jī)和相對(duì)應(yīng)的消波裝置。造波機(jī)為電動(dòng)伺服不規(guī)則波吸收式造波機(jī)，可造周期為0.4～4.0s，波高為0.02～0.3 m的規(guī)則波和不規(guī)則波。

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)傳感器（均是波高儀），參數(shù)如表2所示。設(shè)置于水槽前側(cè)的波高儀用來測(cè)量入射波的參數(shù)，用以輸入的入射波參數(shù)對(duì)比；設(shè)置于液囊前側(cè)的波高儀用以測(cè)量入射波傳播至模型處的損失大?。辉O(shè)置于有機(jī)玻璃管內(nèi)的波高儀用以測(cè)量液面高度隨入射波的變化，以表示系統(tǒng)俘獲波浪能的效果。

在前期研究階段，分別測(cè)試直徑為150和200 mm的兩個(gè)小型液囊（如圖4）在波浪下的響應(yīng)效果，并測(cè)試不同開孔大?。床煌艿雷枇Γ┑挠绊懀芯堪l(fā)現(xiàn)在小液囊和小孔徑（即較大管道阻力）的情況下，系統(tǒng)在入射波下的響應(yīng)效果較差。為了更好地研究系統(tǒng)特性，模型在初步測(cè)試的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大液囊直徑為400 mm和開孔直徑為50 mm，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在此尺寸下響應(yīng)效果有較大提升。在該尺寸模型下，首先以0.1s的跨度從周期0.4～3.6s大范圍對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在短周期的入射波下，系統(tǒng)的響應(yīng)效果同樣很差，有機(jī)玻璃管中的液位變化幅度較小，不利于試驗(yàn)進(jìn)行，因此試驗(yàn)工況選擇在長波條件下。

依據(jù)波高、周期以及液囊頂部距水面距離的變化，設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況如表3所示。

2.3計(jì)算方法

在規(guī)則波工況下，入射波功率P的計(jì)算公式為：

式中：P——入射波功率，W;p——水的密度，取1000 kg/m3;g ——重力加速度，取g=9.8 m/s2;H——規(guī)則波高，m;w——波的頻率；k——波數(shù)；h——水深，m;b——吸波裝置迎波寬度，即為液囊直徑，此處取為0.4 m。

液囊系統(tǒng)俘獲的波浪能以有機(jī)玻璃管內(nèi)的液面表示，有機(jī)玻璃管內(nèi)的液面隨波浪產(chǎn)生周期性波動(dòng)，如圖5所示。圖5選取入射波波高0.16m，周期3.2s的工況來示意有機(jī)玻璃管內(nèi)的液面變化情況。液面的升高是由于系統(tǒng)俘獲的波浪能轉(zhuǎn)換為有機(jī)玻璃管內(nèi)水柱的勢(shì)能；液面的降低則是由于重力和波谷的作用。計(jì)算中僅計(jì)水柱上升時(shí)的重力勢(shì)能，因此液囊系統(tǒng)俘獲的波浪能的計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：P——液囊系統(tǒng)的做功功率，W;t——系統(tǒng)做功的時(shí)間段，s;D——能量傳輸部分的有機(jī)玻璃管的直徑，m;d——有機(jī)玻璃管內(nèi)波高儀的直徑，m;（H+1-H）——相鄰兩個(gè)采集點(diǎn)的液面高度差，m。

液囊系統(tǒng)俘獲波浪能的效率用系統(tǒng)的做功功率P與入射波功率P的比值來表示，計(jì)算公式為：

式中：η——液囊系統(tǒng)俘獲波浪能的效率；P——液囊系統(tǒng)的做功功率，W。

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1液囊頂部距水面為0m

在液囊頂部距水面為0m，即液囊貼近水面時(shí)，系統(tǒng)做功功率和效率分別隨波浪參數(shù)的變化而變化。由圖6和圖7可觀察到，隨著周期的增大，系統(tǒng)功率呈先增大后減小的趨勢(shì)，即存在最優(yōu)工況；隨著波高的增大，系統(tǒng)做功功率呈增大的趨勢(shì)，且最優(yōu)工況對(duì)應(yīng)的周期也呈增大趨勢(shì)。

通過圖8和圖9可觀察到，隨著周期的增大，系統(tǒng)俘獲波浪能的效率呈先增大后減小的趨勢(shì)，即存在最優(yōu)工況；隨著波高的增大，系統(tǒng)俘獲波浪能的效率呈減小趨勢(shì)，最優(yōu)工況呈增大趨勢(shì)，且系統(tǒng)效率隨周期變化的趨勢(shì)逐漸趨于平緩。

3.2液囊頂部距水面為0.05 m

在液囊頂部距水面為0.05 m時(shí)，系統(tǒng)做功功率和效率分別隨波浪參數(shù)的變化而變化。由圖10和圖11可觀察到，隨著周期的增大，在波高為0.08～0.18m時(shí)，系統(tǒng)做功功率呈先增大后趨于平緩的趨勢(shì)，在波高為0.20m時(shí)，系統(tǒng)做功功率呈先增大后減小的趨勢(shì)；隨著波高的增大，系統(tǒng)做功功率呈先增大后減小的趨勢(shì)，即存在最優(yōu)工況，最優(yōu)工況均出現(xiàn)在波高約為0.18 m。

通過圖12和圖13可觀察到，隨著周期的增大，系統(tǒng)俘獲波浪能的效率呈先增大后趨于平緩的趨勢(shì)，且總體來看，系統(tǒng)效率的變化幅度較??；隨著波高的增大，系統(tǒng)俘獲波浪能的效率呈減小趨勢(shì)，且系統(tǒng)效率隨周期變化的趨勢(shì)逐漸趨于平緩，在波高為0.20m時(shí)，系統(tǒng)效率變化幅度較小。

3.3液囊頂部距水面為0.10m

在液囊頂部距水面為0.10m時(shí)，系統(tǒng)做功功率和效率分別隨波浪參數(shù)的變化而變化。由圖14和圖15可觀察到，隨著周期的增大，在波高為0.18m時(shí)，系統(tǒng)做功功率呈先增大后趨于平緩的趨勢(shì)，在其他波高下，系統(tǒng)做功功率呈先增大后減小的趨勢(shì)，即都存在最優(yōu)工況；隨著波高的增大，系統(tǒng)做功功率呈先減小后增大的趨勢(shì)，且最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波高都約為0.16和0.18m。

通過圖16和圖17可觀察到，隨著周期的增大，系統(tǒng)俘獲波浪能的效率呈先增大后減小的趨勢(shì)，即存在最優(yōu)工況，且總體來看，系統(tǒng)效率變化幅度較小；隨著波高的增大，系統(tǒng)俘獲波浪能的效率呈減小趨勢(shì)，且系統(tǒng)效率隨周期變化的趨勢(shì)逐漸趨于平緩，在波高為0.20m時(shí)，系統(tǒng)效率變化幅度較小。

3.4液囊頂部距水面的距離

通過圖18可觀察出，隨著液囊的下潛（即液囊距水面距離的增大），系統(tǒng)做功功率迅速減小，但減小速度逐漸趨于平緩。通過圖19可觀察出，隨著液囊的下潛（即液囊距水面距離的增大），系統(tǒng)俘獲波浪能的效率呈下降趨勢(shì)，但下降速度逐漸趨于平緩。

4結(jié)論

本文針對(duì)液囊式波浪能發(fā)電模型，在造波水槽中同步測(cè)量了波浪參數(shù)、系統(tǒng)做功功率和效率等數(shù)據(jù)，獲得了一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為下一步實(shí)現(xiàn)發(fā)電和實(shí)海況試驗(yàn)提供了重要的參考依據(jù)。

1）隨著波高的增大，系統(tǒng)俘獲波浪能的效率呈減小趨勢(shì)，即最大效率均出現(xiàn)在波高為0.08 m的工況；而液囊在水下不同位置，功率隨波高變化呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)，在液囊貼近水面時(shí)，最大功率出現(xiàn)在波高0.20 m的工況，在液囊距水面0.05 m時(shí)，最大功率出現(xiàn)在波高0.16m的工況，在液囊距水面0.10m時(shí)，系統(tǒng)最大功率對(duì)應(yīng)的波高并不一致，分析其原因可能是由于試驗(yàn)條件限制，未在更長波高序列中完整地展示功率隨波高的變化。由此可說明系統(tǒng)在大波高工況時(shí)會(huì)損失效率，而在水下不同位置，系統(tǒng)工作的最佳波高也不同，需根據(jù)實(shí)際工作海況來調(diào)節(jié)裝置的安裝位置。

2）隨著周期的變化，系統(tǒng)的功率和效率都存在最優(yōu)工況，且功率和效率的最優(yōu)周期相近；在不同波高下，系統(tǒng)功率和效率所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)工況的周期也不同；隨著液囊距水面的距離增大，系統(tǒng)的功率和效率隨周期變化趨勢(shì)逐漸平緩、變化幅度逐漸減小。由此可說明系統(tǒng)隨周期的變化存在最優(yōu)工況，但在不同波高下和系統(tǒng)在水下不同位置處，最優(yōu)工況對(duì)應(yīng)的周期不同，要根據(jù)實(shí)際工作海況以及應(yīng)用場(chǎng)景來設(shè)計(jì)液囊的大小及其安裝位置，且隨著系統(tǒng)在水下深度的增大，入射波的周期對(duì)于系統(tǒng)的影響逐漸減小。

3）隨著液囊在水下深度的增大，系統(tǒng)的功率和效率都急劇下降，在液囊貼近水面時(shí)，最大功率為5.2 W，最大效率為25%;液囊距水面為0.05m時(shí)，最大功率為1.9 W，最大效率為12%;液囊距水面為0.10m時(shí)，最大功率為0.66W，最大效率為8%。但是變化趨勢(shì)逐漸趨于平緩，這是因?yàn)殡S著距水面高度的增大，波浪的能量急劇衰減。由此說明系統(tǒng)不宜在水下太深的位置工作。

本研究后續(xù)將考慮改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件，擴(kuò)大周期和波高序列，測(cè)試系統(tǒng)在更廣泛工況下的特性；且液囊大小對(duì)系統(tǒng)工作效果的影響也值得深入研究；試驗(yàn)水槽兩壁所造成的邊界效應(yīng)也值得考慮；已完成的研究顯示，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了俘獲波浪能的目標(biāo)，后續(xù)考慮增加發(fā)電系統(tǒng)，為以后實(shí)踐應(yīng)用提供參考。

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CHARACTERIZATION OF FULLY SUBMERGED BAG TYPE WAVEENERGY CAPTURE SYSTEM

Wei Jianfeng1-4，Sheng Songwei24，Chen Min？，Zhang Yaqun24，Wang Kunlin24，Wang Zhenpeng24

（1.School of Engineering Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China;

2.Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China;

3.South China Sea Insitute of Ecological and Environmental Engineering Innouation，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China;

4.Key Laboratory of Renewable Energy，Chinese Academy of Sciences ，Guangzhou 510640，China）

Abstract：In order to meet the power supply needs of marine monitoring submersible systems，anunderwater wave energy capturesystem with few components and a simple structure is developed and designed for use in submersible beacons，and the system isenvironmentally friendly in terms of the working mass compared to wave energy generation devices using hydraulic systems.Thesystemconsists of a liquid capsule，a main body，a foundation and an energy transfer system，using water as the working mass.The system wastested in a laboratory wave tank and found to be suitable for long periods and large wave heights，with a maximum power of 0.20m，3.4sand 5.2 W and a maximum efficiency of 0.08m，3.1s and 25%.The power and fficiency of the system decreases rapidly as the depth ofthe bladder increases，providing a reference for subsequent practical applications.

Keywords：oceanenergy;waveenergy;submerged;bags