“Petrel”海燕浮力擺式波浪能發電裝置外觀設計

李思揚　馬彧

摘 要：本文通過了解以英國“Oyster”（牡蠣）浮力擺式波浪能發電裝置為主的幾款擺式波浪能發電裝置，在其原理基礎上對它的一級能量收集裝置即擺板進行再設計，旨在通過對擺板的外觀設計來達到提高其波浪能收集率，進而增加發電量的目的。懷揣如此的目標，“Petrel”（海燕）浮力擺式波浪能發電裝置的設計構想應運而生。

關鍵詞：擺式波浪能發電裝置；一級能量收集裝置；外觀設計；波浪能收

擺式波浪能發電裝置屬于波浪能發電裝置的一種，是利用設置在海中的擺板收集波浪能并將其轉化為電能的發電技術。波浪能是所有可利用海洋能中利用前景較高的能量之一，世界波浪能資源十分豐富，例如在歐洲地區，年平均波浪功率達20～40kW/m，中國沿海的年平均波浪功率密度為2～7kW/m。[1]日本學者渡部富治最早提出并根據波浪工況設計水槽人造立波，并在1983年建造出了世界上第一臺懸掛擺式波浪能發電裝置。而后隨著研究步伐的前進，世界各地都紛紛設計并建造了各式各樣的擺式波浪能發電設備，如英國Oyster浮力擺式波浪能發電裝置、芬蘭WaveRoller近岸海底波浪發電裝置、澳大利亞BioWAVE波浪發電裝置、挪威Langlee漂浮雙擺板擺式波浪發電裝置等。①

然而，浮力擺式波浪能發電裝置仍然有著很大的開發空間，如何進一步提高波浪能收集效率，如何增加發電量以及一些亟待解決的問題，始終是研究人員研發的首要課題。

1 基于浮力擺式波浪能發電裝置原理上的外觀設計

1.1 一級能量收集裝置的外觀設計

一級能量收集裝置是整個浮擺式波浪能發電裝置最重要的部分之一，一級能量收集裝置即擺板的作用是收集波浪的動能，并將此動能通過液壓裝置和發電機轉化為電能。作為整個發電設備初始能量的收集裝置，擺板的造型和外觀會直接影響到一級能量的吸收量從而影響整個發電裝置的電能輸出量。因此，對于一級能量收集裝置即擺板的設計就顯得尤為重要。

幾種浮擺式波浪能發電裝置一級能量收集裝置的外觀：

以英國貝爾法斯特女王大學的Trevor Whittaker教授研發并由Aquamarine Power公司進行產業化的“Oyster”（牡蠣）浮力擺式波浪能發電裝置為例。它的一級能量收集裝置由5個直徑為1.8m的鋼管組成，其排列方式是5根鋼管垂直排列。（如圖1）“牡蠣”浮力擺式波浪能發電裝置的工作原理是由液壓缸和固定在近岸海床底的振蕩浮力擺組成。波浪使浮力擺動并驅動液壓缸，將海底管道的高壓水輸送上岸，在海岸上通過該高壓水驅動水力發電機發電以供用戶或連接到淡水裝置進行海水淡化。①（如圖2）

在基于同樣的發電原理下，類似外觀的浮擺式波浪能發電裝置還有Oyster 2型浮力擺式波浪能發電裝置（如圖3），相較1型設備，2型設備增加了葉片面積，雖然建造材料比原來多了近50%，但是其發電效率則是提高了2.5倍，從1型設備315KW/h增加到800KW/h。①

1.2 一級能量收集裝置外觀設計目的

作為浮力擺式波浪能發電裝置的初始能源收集裝置，一級能源收集裝置即浮力擺板的能量收集量越大、收集率越高，也就意味著在后續的能量轉化環節也就是發電環節中發電量的增加，這也正是對浮力擺式波浪能發電裝置不斷設計革新的宗旨所在。發電裝置發電量的影響因素有很多，諸如波長、浪高、流速等自然因素和擺板材料、規格、形狀等人為因素。由于海洋自然環境的復雜性和多樣性，因此本文對于浮力擺式波浪能發電設備的一級能量吸收裝置的外觀設計是在英國Oyster浮力擺式波浪能發電裝置的發電原理上進行的，針對擺板的外觀進行了設計，旨在提高擺板的波浪能吸收效率，從而增加發電量。

2 基于英國Oyster浮力擺式波浪能發電裝置原理的新外觀設計

2.1 Petrel（海燕）浮力擺式波浪能發電裝置外觀設計

Petrel浮力擺式波浪能發電裝置的設計是建立在Oyster浮力擺式波浪能發電裝置的設計基礎上的，對其一級能量收集裝置進行了新設計并增加了額外的輔助發電功能（如圖4、圖5）。Petrel浮力擺式波浪能發電裝置擺高16m，擺寬15m，安裝水深為10～13m。同Oyster浮力擺式波浪能發電裝置一樣安置在近岸海床，距海岸大約500m。

2.2 Petrel浮力擺式波浪能發電裝置擺板設計

Petrel浮力擺式波浪能發電裝置與Oyster浮力擺式波浪能發電裝置的主要區別在于擺板的設計，Petrel的擺板設計造型靈感來自于鳥類海燕的翅膀形狀（如圖6、圖7），不同于Oyster的5根鋼管垂直排列的擺板造型。這樣的設計是在擺板的向波面增加了一個折線結構，首先增加了擺板與波浪的接觸面積，使得擺板一次接觸更大的波浪，從而收集更多的波浪能；其次從側面可以看出擺板上端較下端更為寬大，由于擺板的中空設計，上端加大可以增加擺板上端的浮力。得以輔助擺板隨波浪的擺動運動。

2.3 Petrel浮力擺式波浪能發電裝置輔助發電功能

由于太陽輻射的全球分布不均而造成的氣流運動便是風，而當風吹過海面引起的表層海水運動便是波浪，浮力擺式波浪能發電裝置正是利用波浪所攜帶的能量來進行轉換發電。但是，看似平靜的海底也有著海水運動即“海底波浪現象”。芬蘭WaveRoller波浪發電裝置正是利用這一海底水流運動現象進行發電的設備。（如圖8）

Petrel參考芬蘭WaveRoller波浪發電裝置，在主擺板下方設置有兩塊小擺板，擺寬3m，擺高2m。利用近海海底水流運動發電。Petrel主擺板下端傾斜并從中間開口，這個結構的設計目的是將流向主擺板并由主擺板吸收的波浪的部分導向下端開口，在海流的作用下從開口流經，可以增加海底海流流量，用以彌補近海海底水流所帶有的能量較少的問題。小擺板便設置在開口處，收集并轉化海底海流的能量來輔助發電。（如圖9）

3 Petrel浮力擺式波浪能發電裝置實用性預測

Petrel浮力擺式波浪能發電裝置的一級能量收集裝置由折線造型的主擺板和兩塊輔助小擺板構成，充分利用表層與底層的海水運動來進行一級能量收集。另外，Petrel浮力擺式波浪能發電裝置整體繼承英國Oyster浮力擺式波浪能發電裝置的優點即工作原理不復雜、結構簡單、安置于近岸海床海水環境較遠海更為穩定、方便修理維護以及充分利用近岸波浪能資源。經過主擺板外觀的設計和輔助擺板的加設，在理想狀態下可以增加一級能量即波浪能的收集，從而提高發電量。

但目前Petrel浮力擺式波浪能發電裝置還停留在設計構想階段，具體的使用情景模擬與實地海測還需后續實驗完成，屆時便能夠就該設計是否能夠有效提高浮力擺式波浪能發電裝置發電量的問題給出詳細解答。

注釋：①摘自《流體傳動與控制》。

參考文獻：

[1] 顧明浩，譚祺，石世寧，訚耀保.式海洋波浪發電原理與事例[J].流體傳動與控制，2012（5）：6-7.

[2] BDrew，A R Plummer，MN Sahinkaya. A review of wave energy converter technology[J]. Power and Energy，2009（223）：887-902.

[3] Ellie Zolfagharifard.Aquamarine Power unveils more powerful wave energy device[EB/OL]. http：//www.theengineer.co.uk，2010-05-26.

[4] [EB/OL]http：//www.aquamarinepower.com.

[5] [EB/OL]http：//www.biopowersystems.com/biowave.html.

[6] 李永國，汪振，王世明，呂超.國外波浪能開發利用技術進展[J].工程研究——跨學科視野中的工程，2014，6（4）：380-381.

[7] 程友良，黨岳，吳英杰.波力發電技術現狀及發展趨勢[J].應用能源技術，2009（12）.