鷹式波浪能發電裝置的壓載系統優化設計

彭定強

摘要：波浪能發電是目前我國海洋能資源開發利用的一種主流應用技術。本文介紹一種鷹式波浪能發電裝置的壓載系統，通過分析及優化設計，使系統在高效率狀態下運行。

關鍵詞：波浪能;發電;鷹頭;壓載系統;優化

中圖分類號：U743.2? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： Wave energy power generation is a mainstream and mature application technology in the development and utilization of Marine energy resources in China. This paper introduces the ballast system of an eagle wave energy generator. Through analysis and optimization design， the ballast system can work at high efficiency.

Key words： Wave energy; Power generation; Sharp eagle; Ballast system;Optimization

1 前言

2016年12月30日，國家海洋局發布了《海洋可再生能源發展“十三五”規劃》。《規劃》指出，我國海洋能資源豐富，島嶼眾多，具備規模化開發利用海洋能的條件，到2020年可再生能源在能源結構中的比例爭取達到15%。

根據海島的自然條件特點，水電開發沒有水利資源條件，發展太陽能需要占用較多的土地，且一般海島上都是陡峭的山地，太陽能電池板安裝比較困難。而開發波浪能發電具有得天獨厚的條件，可以改變海島能源結構，有利于增加可再生能源的比例;同時，波浪能發電所發出的電力比較穩定，可與風電、柴油機發電互補，從而達到優化能源結構的目的，大幅度減輕環保壓力。

本文介紹一種鷹式波浪能發電裝置的壓載系統，通過分析其原始設計存在的不足，進行優化設計，以提高發電裝置的轉換效率。

2 波浪能發電裝置簡介

2.1波浪能發電裝置現狀

波浪能發電技術發展已有幾十年的歷史，世界各國涌現了一大批的波浪能發電技術方案。波浪能發電技術，首先要保證其可靠性，在此基礎上要提高轉換效率，而這兩者往往存在矛盾。通常情況是轉換效率高的裝置可靠性差，而可靠性高的裝置轉換效率又比較低，因此波浪能發電方案多種多樣，出現了各有側重的不同方案。

目前，波浪能發電裝置主要有：（1）振蕩水柱裝置，優點是安全可靠，維護方便;缺點是能量轉換效率較低;（2）收縮波道式波浪能裝置，其優點是：可靠性高、轉換效率高、造價較低，問題是需提高針對大浪時裝置的穩定性;（3）擺式波浪能裝置，其機構簡單、可靠性高;缺點是：轉換效率低、施工成本高;（4）筏式波浪能裝置，其優點是可靠性強、發電穩定;缺點是轉換效率不高、適用面較窄;（5）點吸收式波浪能裝置，該裝置制造簡單、技術成熟。

2.2鷹式波浪能發電裝置的組成及工作原理

隨著漂浮式波浪能轉換技術已成為國際上發展的主流，目前絕大部分波浪能轉換裝置都是漂浮式的。我國近幾年來已建成一系列鷹式波浪能發電裝置，裝機規模穩步提高，積累了大量的鷹式波浪能發電裝置的設計、建造、運行發電的經驗。

本文介紹一種新建的大型鷹式波浪能發電裝置（見圖1）：主體長50m、寬36m、高16m、作業吃水11m、拖航吃水2.8m;單向4個鷹頭吸波體、雙向8個鷹頭吸波體;半潛式平臺結構，四角錨泊。

（1）工作原理

波浪能發電技術的能量轉換方式為三級轉換：波浪能—液壓能—電能。其工作原理：在波浪作用下，鷹頭吸波體通過門型支撐臂繞鉸鏈作往復旋轉運動，當波浪由波谷轉為波峰的過程中，波浪推動鷹頭吸波體向上旋轉，牽引液壓缸擠壓液壓油進入蓄能器，將波浪能轉換為液壓能，液壓能蓄積后釋放，液壓馬達驅動發電機發電。

（2）裝置的組成

鷹式波浪能發電裝置的組成，如圖2所示：

雙出桿液壓缸一端安裝在鷹頭背部，另一端安裝在裝置中部立式艙室底端;液壓蓄能器、馬達等設備，安裝在裝置中部立式浮箱上層艙室內;鷹頭吸波體側面兩端連接有兩個剛性支撐臂，支撐臂末端連接有轉軸，與半潛平臺上安裝的轉軸鉸接固定;通過模擬鷹頭繞轉軸的旋轉運動軌跡，考慮到鷹頭與半潛平臺之間的相對位置，在半潛平臺上相應位置安裝有限位裝置，以限制鷹頭吸波體僅在最高轉換效率下的迎波范圍內旋轉運動;同時，為防止極端狀況下（如臺風）鷹頭的旋轉運動過于劇烈而無法控制超出限位，可能對半潛平臺及自身造成破壞性的結果，設置了一套撞針保護裝置;鷹頭上安裝一套導管，導管兩端用玻璃板封閉，導管內部與浮艙聯通;依據鷹頭旋轉軌跡，在半潛平臺結構上略微超出上、下限位位置且對應導管處，各安裝一套撞針。當鷹頭旋轉運動超出上、下限位位置時，撞針會捅破鷹頭上導管的玻璃板，此時浮艙與外部聯通，浮艙內的水自然泄出，隨著鷹頭重量減少，動能降低，其破壞性得以削弱。

3 鷹式波浪能發電裝置的壓載系統設計

不同季節、不同氣候條件下，同一海域的波高和周期均有變化，其對應波浪功率也是變化的。同一臺裝置在不同入射波功率下，如果施加同樣的負載，其能量輸入與輸出往往不匹配，轉換效率也不能達到最優。因此，波浪能發電裝置應根據波浪情況設計不同的負載等級，小波浪時啟動小負載，大波浪時啟動大負載，使裝置始終在高效率狀態下工作。因此最優負載研究，對波浪能發電裝置能否始終高效運行意義重大。

鷹頭作為波浪能裝置的吸波體，它的運動狀態直接影響著波浪能—液壓能的轉換效果。根據各種型號鷹式波浪能發電裝置在實際海況運行發電的數據，通過對比分析鷹式裝置寬度、波高、波浪周期等因素對轉換效率和輸出功率的影響，并進行水動力計算與分析，設計出一種上、下分艙式的鷹頭結構（見圖3）：

鷹頭艙長10m、寬10m、高6m，其外觀側視酷似鷹的頭部，故得其名;分艙隔板水平設置在3.5m高度，上艙是密閉的作為壓載艙，下艙是向下敞口的空艙，從分艙隔板到鷹頭頂部設有一根透氣管（管徑3”），當鷹頭下潛時下艙與大氣聯通，保證鷹頭能正常下潛;通過對上艙進行壓載、排載操作，調節鷹頭重量重心，使之在各個工況下均實現最優的運動狀態。

3.1 鷹頭壓載系統原始設計

考慮到鷹頭自身構造的特殊性，鷹式波浪能發電裝置采用鷹頭獨立的壓載系統（見圖4）：

鷹頭上艙艙底處設置進水管線（兼作排水用），管線靠近艙底布置在艙內尾部（管徑12”），吸口貼緊艙底板，以便最大限度排空艙內水;進排水管口設置在艙底板尾部;控制閥設置在艙內水平管段上。

當半潛平臺下潛時，鷹頭隨之下沉入水中，此時打開控制閥門，外部海水可以自灌進入該艙;當達到所需要的壓載水量時，關閉控制閥門，壓載操作完畢;當半潛平臺上浮時，鷹頭隨之上浮出水面，此時打開控制閥門，鷹頭浮艙內海水可以通過重力自排至艙外。但由于此管線布置高于浮艙底板，因此艙內此管線高度以下部分的水無法通過重力自排至艙外，而且該分析是基于鷹頭處于水平位置的靜態情況，若考慮到鷹頭在發電工況下，將在上、下限位之間旋轉運動，此時情況更加復雜。當鷹頭旋轉至上限位處時，鷹頭尾部處在低位，浮艙內的水聚集在鷹頭尾部，此時通過該管線較難通過重力自排;當鷹頭旋轉至下限位處時，鷹頭首部處在低位，浮艙內的水聚集在鷹頭首部，此時該管線幾乎露出水面以上，基本上無法通過重力自排。因此，在鷹頭上艙內另設一處排水管線（管徑2”）;一臺潛水泵（5 m3/h）布置在艙底板靠首處，泵出口設有控制閥，排放口布置在艙底板中部;考慮到鷹頭會旋轉運動，故設置兩個吸水口，一個在艙底首部，一個在艙底中部，分別由吸入管共同匯至泵進口，方便當鷹頭旋轉至下限位處時排干艙內的水。

鷹頭上艙頂部設置透氣管線（管徑8”），并設有控制閥，可保持艙內外大氣相通，使壓載、排載時正常進行;由于處在密閉艙室內且難以就地操作，進水、排水、透氣管線上的控制閥門均采用液壓遙控方式，閥頭上安裝有執行器，液壓動力泵站、電磁閥箱及其控制系統布置在半潛船艙室內。

早期的波浪能發電裝置鷹頭就是按上述壓載系統設計建造，從該裝置實際運行的情況來看，出現了一些問題。通過現場勘查及理論分析，主要存在以下缺陷：

（1）由于主排水管設置在浮艙內，僅依靠重力排水始終無法排凈，且考慮到壓載操作時鷹頭可能擺動在上下限位之間不同位置，故排水口并非總是處在最佳設計位置，實際排水效果可能會更差;

（2）對于潛水泵排水管線，在浮艙底板及前部各設置了一個吸口（遠離主排水吸口），當鷹頭擺動到下限位附近時，壓載水位于鷹頭首部，此時通過潛水泵將壓載水抽出艙外;但由于兩條吸水管線共用潛水泵吸入口，且無閥門控制，因此對于泵的運行有一定要求及限制：當鷹頭擺動到上限位附近或浮艙內水位低于前部吸口時，若此時開泵會直接吸入空氣，將引起泵空轉干燒損壞，故需嚴格控制潛水泵的使用工況;

（3）鷹頭作為波浪能裝置發電的動力源，在正常發電工況下一直處于往復旋轉運動。浮艙內的潛水泵，將保持與鷹頭同步旋轉運動，這對泵的安裝質量提出了較高的要求;且鷹頭位置突出于半潛平臺外，浮艙內部空間狹隘，這對于泵的檢修維護并不容易。

3.2 鷹頭壓載系統優化設計

通過以上分析，對原鷹頭壓載系統進行優化設計（見圖5）：取消原潛水泵排水管線，將原進水管線布置在浮艙外，短管上管口與上艙底板平齊，下管口連接控制閥門，此管線同時作為排水用，透氣管線保持不變。

優化后的壓載系統設計具有如下優點：

（1）將排水管及控制閥設置在上艙底板以下，因閥門處在鷹頭下艙內部受到保護，安全可行;將排水口布置在底板上盡量理想的位置，且管口與底板平齊，從而在排載操作時，能夠最大限度的通過重力排空上艙內的壓載水;

按以上鷹頭壓載系統原始設計和優化設計建成的兩種波浪能發電裝置，依次投入實際海況運行，裝置自身配備的數據測量、傳輸和實時監控系統，收集統計數據見表1。由表1看出：優化設計后排載時間縮短27%，轉換效率提高8%。

（2）在對主排水管線優化布置后，潛水泵的輔助排水功能得以弱化。經綜合分析比較，取消潛水泵及其排水管線，既簡化了配置，節約了成本，又使得潛水泵安裝、運行、維護相關的一系列潛在問題都不復存在;盡管鷹頭運行在極限位置附近時上艙內仍會有少量積水無法排盡，但通過水動力分析及最優負載研究，其影響可以忽略不計;

（3）減少了壓載系統的建造及維護成本。減少材料如下：8臺潛水泵（5 m3/h），8個遙控蝶閥（2”）;100米碳鋼管（2”）及附件;600m 316L不銹鋼管（φ10）及附件;300m電纜等;降低成本如下：以上材料費合計約36萬元;人工費合計約27萬元;預估維護保養費約8萬元。

4 結束語

鷹頭波浪能發電裝置的壓載系統不同于常規船的壓載系統，由于鷹頭構造、運動的特殊性，在設計時需充分考慮這些因素對鷹頭壓載、排載操作的影響。

本文介紹的鷹式波浪能發電裝置的壓載系統，對其進行優化設計后經實船運行驗證，可使建造、運營等綜合成本顯著降低，壓載操作工序簡化，排載時間縮短，轉換效率提高，對后續該型裝置的定型、推廣具有重要的示范意義，為我國推進海島建設、建設海洋強國提供強大技術支持。

參考文獻

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