自升式波浪能發電裝置設計與試驗研究

徐 超 石晶鑫 李德堂

（浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院 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、有規律可循、易裝換等優點成為新能源家族中備受關注的一員［2］。波浪雖然只是海水質點在原地的起伏運動，但其運動能量十分巨大，據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。目前全世界有關波浪能技術的專利已超過1 500項，數十項波浪能利用技術正在開發中。有的已經進入發電應用狀態，然而由于技術起步晚且仍面臨一些大的難題，波浪能的應用遠低于風能和太陽能，真正能經得起海浪考驗的不多，不少發電裝置被損壞（岸式）或沉沒（船式）［3］。自升式平臺由于其良好的適應性、可移動性、作業穩定性和定位能力，在海洋石油開發中得到了廣泛的應用［4-5］。我們借助于自升式平臺的優勢和成熟的技術，將振蕩浮子式波浪發電裝置應用到自升式平臺上，建造一座小型自升式波浪發電平臺。

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定波浪發電裝置”，設計了一種以自升式平臺為載體的新型波浪能發電裝置，可以有效地解決目前波浪能發電效率低、不穩定及成本高等不足，并且自升式波浪能發電裝置的結構可靠性也得到保證。

1 自升式波浪能發電裝置簡介

1.1 自升式波浪能發電裝置的組成

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

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

圖1 自升式波浪能發電裝置組成圖

圖2 自升式波浪能發電裝置實物圖

1.2 自升式波浪能發電裝置的工作原理

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

當波浪上升時，波浪推動浮筒沿著導向柱向上運動，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，通過液壓控制系統進入高壓蓄能庫，經過恒壓調節后進入高壓液壓馬達，從而使高壓液壓馬達連續平穩的驅動大發電機發電。當波浪下降時，浮筒靠自重沿著導向柱下降，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，通過液壓控制系統進入低壓蓄能庫，經過恒壓調節后進入低壓液壓馬達，從而使低壓液壓馬達連續平穩地驅動小發電機發電。

1.3 浮筒的受力分析

在自升式波浪能發電裝置中，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，因此摩擦系數為0.05，該系數與水平力相乘所得數值一般很小，故摩擦力的影響可以忽略不計。所以，可以近似認為浮筒只受到液壓阻尼力、浮力、重力和垂向波浪力。基于線性隨機波浪理論，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。為使浮筒結構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和波浪力幅值

2 海上工程試驗及結果分析

自升式波浪能發電裝置安置在浙江省舟山市普陀區朱家尖鎮東沙，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據。

2.1 試驗條件

（1）試驗場地：朱家尖東沙的自升式波浪發電平臺；

（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，雷諾液壓測試儀，萬能表。

2.2 試驗步驟

把塑料泡沫浮標串在鐵棍上，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與激光發射點之間的距離，并用電腦采集波浪數據。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的流量、壓力進行動態測量，記錄流體管道特性相關參數，為液壓系統的改進提供相應的定量數據分析。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據。

2.3 試驗結果及分析

為了便于觀察輸出電能的穩定性，首先對各個負載的數據進行分析，然后再進行對比分析。

當負載A時，波浪、電壓、電流測量數據見圖3、圖4和圖5所示。

圖3 波浪采集數據圖

圖4 電壓采集數據圖

圖5 電流采集數據圖

圖6 負載A功率輸出實物圖

從圖3看出，大海的波浪十分不穩定，是個不規則波，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，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，從而導致電壓變化。從圖5看出，電流在4 ～ 5.5 A范圍內波動，電流平均值是4.75 A，電流變化不是很大。

當負載B時，波浪、電壓、電流測量數據見圖7、圖8和圖9所示。

圖7 波浪采集數據圖

圖8 電壓采集數據圖

圖9 電流采集數據圖

圖10 負載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。

通過負載A和負載B得出分析比較，比較結果見表2。

表2 負載A與B的實驗結果

從圖6、圖10和表2看出，兩個負載的電信號都穩定在一定的范圍內并保證了其能穩定的進行發電作業。針對波浪時有時無、時大時小的特點，波浪能發電裝置設置了液壓蓄能器，能夠連續穩定高效發出電來。圖6、圖10已經證明自升式波浪能發電裝置能夠適應不規則波的海況。

3 波浪能量估算及波浪發電效率計算

3.1 線性波浪理論的波浪能量

根據線性波浪理論［8-9］，一個波浪周期內，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；h為發電作業海域的水深，m；g為重力加速度，m/s2；T為波浪周期，s；波數k由色散關系可以求解（采用迭代方法求解）：

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

因此，水線面積為A的區域一個波浪周期內接收到的平均波浪功率為：

3.2 波浪發電效率計算

當計算負載A時，浮筒吃水深度0.8 m，波浪周期6.2 s，波高0.5 m，發電作業海域的水深2.3 m，此時水線面處浮筒外徑為3 m，內徑為0.66 m。

（1）3個浮筒的水線面積

（2）波數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）總的波浪發電效率為：

當計算負載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，內徑0.66 m。同理可得，總的波浪發電效率為：

綜上所述，無論是負載A還是負載B的情況下，自升式波浪能發電裝置的發電效率超過了15%，具有較高的轉換效率，達到了項目的技術指標。

4 自升式波浪能發電裝置的優勢與發明創新點

（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，并設置自保護裝置，在風暴來襲之前，能將浮筒提離水面。本項目中的裝置創新發明了一種可升降式波浪發電機構，惡劣海況下浮筒可升離海面之上，與平臺主體鎖緊，可有效抵御風暴與波浪的沖擊，已經經歷了蘇力、潭美和菲特3次臺風考驗。

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

（3）創新設計了一種群組液壓油缸取能技術，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，仍能持續穩定發電。本項目中的裝置研發了一種自動連續穩定電力輸出系統，實現了波浪能的平穩轉化難題，通過蓄能模塊和液壓馬達流量調節，控制發電機輸出穩定電壓，不同大小的波浪能自動切換相應的功率負載。

（5）該裝置可靠性好，管理維護成本低。裝置的平臺設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計，使裝置的可靠性大大提升；另一方面平臺式設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，從而降低了管理維護成本。本項目中的裝置創新設計了一種水上隔離波浪發電系統，核心設備均在海面之上，消除了海水腐蝕影響。

5 結 論

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

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

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