有效吸收和傳遞波浪能的錨泊系統的設計制作

(中國科學院 海洋研究所,山東 青島 266071)

海洋能是指依附在海水中的可再生能源,海洋通過各種物理過程或化學過程接收、儲存和散發能量,這些能量以波浪、海流、潮汐、溫差等形式存在于海洋之中,從而形成潮汐能、波浪能、海洋溫差能、海洋鹽差能和海流能等。海洋能理論儲量是目前全世界各國每年耗能量的幾百倍甚至幾千倍。而波浪能是其中較豐富的一種能量,將波浪簡化成正弦波,可得單位面積的鉛直水柱內平均波能功率[1]為：

其中ρ為海水密度,g是萬有引力常數,T為波周期,H為波高。以波高H=1.5 m,波周期T=6 s為例,海水密度ρ取為1 000 kg/m3,則單位面積的鉛直水柱內平均波能功率為：

臺風產生的巨浪,其功率密度可達每米迎波面數兆瓦,而波浪能豐富的歐洲北海地區,其年平均波浪功率為 20～40 kW/m。中國海岸年平均波浪功率密度為2～71 kW/m。據世界能源委員會的調查顯示：全球波浪能儲量為 700億 kW,可利用的波浪能達到20億kW,相當于目前世界電產量的2倍。在能源危機日益嚴重和環保壓力不斷加大的今天,如何能夠有效利用波浪能這種巨大的環保型可再生能源,顯得尤其重要。本文提出一種以簡約的方式吸收和傳遞波浪能的錨泊系統,并通過實踐證明此方法是行之有效的。

1 波浪能吸收與傳遞系統構成和工作原理

這里設計的波浪能吸收和傳遞系統從上到下由三大部分組成,分別是：海面浮標系統、錨泊纜系和底端錨定物。其中錨泊纜系又是由錨泊纜、張緊錘和儲鏈構成。此系統傳遞波浪能的原理是：合理控制海面浮標的正浮力,使其大約有一半體積露于水面,事先測定錨泊區域的深度,確定錨泊鋼纜的長度,保證在正常海況下,能使懸掛在錨泊纜下面的張緊錘離海底有數米的距離,讓儲鏈處于半懸狀態(即儲鏈一半懸于海底上方,一半拖在海底上),合理選擇重物錨塊的質量,既便于投放,又確保定位。漂浮著的海面浮標對錨泊纜有向上的拉力,而連于錨泊纜下端的張緊錘和部分儲鏈對其有向下的拉力,這樣錨泊纜在水中基本處于懸直狀態。當波浪經過時,海面浮標就跟隨著起伏運動,連于海表面浮球下面的錨泊纜便隨其一起上下振動,從而有效地將海表面波浪能吸收并傳遞下去,直達海底。見圖1。

圖1 波浪能傳遞裝置組成圖Fig.1 The formation of the mooring system

當臺風過境或者漲潮退潮時,錨泊地點的海水深度變化較大,張緊錘至重物錨塊之間二十幾米長的鋼質儲鏈保證系統仍然有效地吸收并傳遞波浪能。比如,當臺風經過時,海面波峰會有十幾米甚至二十幾米,依靠海面浮標的浮力,儲鏈會被拉起,使海表面浮球繼續漂浮在海表面隨波浪起伏運動,整個系統也可以繼續傳遞波浪能;再如當退潮時,儲鏈的絕大部分接觸著海底,這時錨泊纜依靠張緊錘的作用,仍然處于比較懸直的狀態。可以看出,儲鏈起到了在需要的時候間接增長或縮短錨泊纜系垂直長度的目的,從而使海面浮標始終漂浮在海表面吸收傳遞波浪能。

2 系統組成部件的設計與制作

2.1 海面浮標

海面浮標包括錨燈、不銹鋼球殼和鏈接機構等,具體機械結構如圖2所示。所設計的海面浮標主要是由兩個不銹鋼半球拼焊而成的球殼,球殼厚度要在保證構成浮標一定剛性的前提下,盡可能地薄,這樣可以減輕質量,增強其隨波性。為了便于鏈接錨泊纜和固定錨燈以及增加不銹鋼球殼的剛性,過球心從上到下穿有主拉鋼管;為了便于運輸,對稱地焊接著四個拉環;為了防止浮標變形,球殼內外的吃力部位都焊接著加強筋。海面浮標制作裝配完成后,在實際應用前,要進行密封性能和壓力性能測試。由于海面浮標體積一般較大,進行外壓試驗需要較大的壓力試驗容器,受此條件限制,可以從內部進行加壓試驗[2-3]。在制作的時候可以在浮球上留出尺寸合適的兩個圓孔(如孔的直徑為 2cm),從外部加壓試驗。確定密封和耐壓性能良好后,將圓孔密封。

圖2 海面浮標結構組成Fig.2 The formation of surface float

2.2 輔助錨件

2.2.1 錨泊纜

錨泊纜的設計制作是基于三方面的考慮：(1)錨泊纜的承載力：由于海面浮標體積較小,排水量有限,錨泊纜上的張力有限,但考慮到內波和臺風經過等惡劣海況的影響,應該選取較大的保險系數。(2)錨泊纜自身質量和水中質量：由浮標帶動錨泊纜隨波浪起伏運動,鋼纜不能過重,尤其水中質量要嚴格控制。(3)錨泊纜防腐蝕性能：由于錨泊纜長時間在海水中浸泡,外表面要進行防腐蝕處理[4]。

綜合以上要求,圖3是所設計的一種用作錨泊纜的注塑鋼纜的截面,其內芯為優質鋼絲繩,外面進行注塑封裝處理。通過合適的尺寸和比例選擇,使其剛性、水中浮力和韌性恰到好處。

圖3 錨泊纜斷面圖Fig.3 Sketch of line’s section

2.2.2 張緊錘

錨泊裝置中的張緊錘綴于錨泊纜下部,起到繃直錨泊纜的作用,它采用流線型設計,主要由中軸處有孔的圓柱形和圓臺形鉛磚串套在中心軸桿上構成,它在水中質量數十公斤(根據水深和海況進行調節),可以有效地使錨泊鋼纜處于可上下振動的懸直狀態。具體結構組成如圖4所示。

圖4 張緊錘設計圖Fig.4 Design of pendulum

2.2.3 儲鏈和錨塊

張緊錘和錨塊之間連接一20 m左右的儲鏈,儲鏈可以購置現成的不銹鋼鏈條。

錨泊重物起到定位的作用,為了方便運輸和海上投放,錨泊重物采用分體組裝的方法,組裝塊采用鑄鐵材料,其結構如圖5所示。

圖5 錨泊重物設計圖Fig.5 Sketch of gravity anchor

3 應用舉例

本錨泊裝置能夠隨著波浪的起伏而上下運動,從而將波浪能轉化成錨泊纜系的動能,在錨泊纜周圍放置永磁鐵,可以用其來發電[5-6]。另外也可以用其來作單向驅動,配以適當的單向步進傳動機構和測量平臺,可以構成海洋要素垂直剖面循環測量系統[7]。

由圖6可以看出,搭載傳感器的測量平臺借助棘爪機構攀附在引導纜上,棘爪機構的主要部分是兩個夾槽,一個固定在底板上(固定底板又緊固在測量平臺的一側),另一個可以隨轉動臂在一定范圍內轉動,引導纜穿過兩個夾槽相對的部分。整套垂直剖面測量系統的工作原理是：海面浮標隨波浪起伏,帶動一定長度的引導纜在海水中上下振動。當引導纜向下運動時,依靠摩擦力帶動棘爪的可動夾槽下行,從而使兩夾槽擠緊引導纜,隨纜下滑,而測量平臺與傳動棘爪是連在一起的,所以測量平臺也被引導纜帶著下滑;當纜向上運動時,它帶動可動轉臂斜向上轉動,兩夾槽松開引導纜,因此棘爪和測量平臺依靠慣性滯留原位。當纜繩被波浪帶動反復上下振動時,不斷重復上面的過程,這樣測量平臺就被一步步帶到海底,此時,由電機帶動凸輪推動傳動棘爪上的可動夾槽轉離引導纜,使棘爪徹底松開,測量平臺就在自身正浮力的作用下上浮到海面,此后,電機松開棘爪上的可動夾槽,傳動棘爪又起作用,依靠波浪能又使測量平臺步進下潛,如此反復,就可以使測量平臺不斷地沿著引導纜反復上下循環,實現海洋要素的長期、連續、循環測量。

圖6 波浪驅動垂直剖面測量系統工作原理Fig.6 The working principle of a vertical profiler

4 小結

有效吸收和傳遞波浪能的錨定裝置已經在近海試驗中取得了成功,從中可以看出該裝置的特征為：(1)球形的海面浮標隨波浪上下起伏性能較好,同時,海面浮標采用加內、外加強筋結構,增加了抗拉伸性能,確保浮球不變形。(2) 錨泊纜是經過特殊制作的注塑鋼纜,具有一定的抗拉伸性能,同時又具有較高的防腐蝕能力。(3)張緊錘綴于錨泊纜下部,起到繃直錨泊纜的作用,使其處于可上下振動的懸直狀態。(4)二十多米長的儲鏈可以保證整個系統在海上潮起潮落以及較大風浪的情況下,有效地吸收并傳遞海表面波浪能。(5)錨燈可以在夜間使過往船只等海上交通工具注意到浮標的存在,從而避免整個裝置被船只撞壞。

[1]Arne R.Wave-power absorption by an oscillating water column[J].Physiea Scripta,1991,43(1)：60-67.

[2]李永泰,黃金國,潭繼錦,等.球罐整體結構水平剛度及支柱拉桿應力分析[J].壓力容器,2006,34(3)：19-24.

[3]電子工業專用設備設計手冊編寫組.機械設計手冊[M].北京：國防工業出版社,1979.

[4]中國鋼絲繩網.不旋轉鋼絲繩技術參數[EB/OL].[2007-09-15].http：//www.gangsisheng.net.cn/html/429/.

[5]Emmanuel B A.A direct-drive wave energy converter with contactless force transmission system[D].Oregon：Oregon State University,2005.

[6]Eriksson M,Isberg J,Leijon M.Hydrodynamic modelling of a direct drive wave energy converter[J].International Journal of Engineering Science.2005,43：1377-1387.

[7]李思忍,陳永華,龔德俊,等.有效傳遞波浪勢能的錨定裝置[P].中國專利：200610135091.5,2006-12-27.