徐 超 石晶鑫 李德堂

（浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院 舟山316022）

引 言

波浪能是海洋能源中蘊(yùn)藏最為豐富的能源之一，也是近期海洋能利用開(kāi)發(fā)中研究最多的海洋能源［1］。波浪能以其分布廣泛、清潔無(wú)污染、能源密度大、有規(guī)律可循、易裝換等優(yōu)點(diǎn)成為新能源家族中備受關(guān)注的一員［2］。波浪雖然只是海水質(zhì)點(diǎn)在原地的起伏運(yùn)動(dòng)，但其運(yùn)動(dòng)能量十分巨大，據(jù)估算一平方公里海面上的波浪能可達(dá)到25萬(wàn)千瓦的功率。正因其蘊(yùn)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(wàn)噸輪船推向海岸。如何駕馭海浪為人類(lèi)造福，是人們幾百年來(lái)的夢(mèng)想。目前全世界有關(guān)波浪能技術(shù)的專(zhuān)利已超過(guò)1 500項(xiàng)，數(shù)十項(xiàng)波浪能利用技術(shù)正在開(kāi)發(fā)中。有的已經(jīng)進(jìn)入發(fā)電應(yīng)用狀態(tài)，然而由于技術(shù)起步晚且仍面臨一些大的難題，波浪能的應(yīng)用遠(yuǎn)低于風(fēng)能和太陽(yáng)能，真正能經(jīng)得起海浪考驗(yàn)的不多，不少發(fā)電裝置被損壞（岸式）或沉沒(méi)（船式）［3］。自升式平臺(tái)由于其良好的適應(yīng)性、可移動(dòng)性、作業(yè)穩(wěn)定性和定位能力，在海洋石油開(kāi)發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用［4-5］。我們借助于自升式平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)和成熟的技術(shù)，將振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置應(yīng)用到自升式平臺(tái)上，建造一座小型自升式波浪發(fā)電平臺(tái)。

本文基于國(guó)家海洋局可再生能源專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目“惡劣海況下自保護(hù)式高效穩(wěn)定波浪發(fā)電裝置”，設(shè)計(jì)了一種以自升式平臺(tái)為載體的新型波浪能發(fā)電裝置，可以有效地解決目前波浪能發(fā)電效率低、不穩(wěn)定及成本高等不足，并且自升式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)可靠性也得到保證。

1 自升式波浪能發(fā)電裝置簡(jiǎn)介

1.1 自升式波浪能發(fā)電裝置的組成

波浪能發(fā)電裝置可看作一個(gè)包括三級(jí)能量的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。一般說(shuō)來(lái)，一級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)直接與波浪相互作用，將波浪能轉(zhuǎn)換成裝置的動(dòng)能和勢(shì)能等；二級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將一級(jí)能量轉(zhuǎn)換所得的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械的液壓能；三級(jí)能量轉(zhuǎn)換將旋轉(zhuǎn)機(jī)械的液壓能通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能［2］。如圖1所示，即為自升式波浪能發(fā)電裝置組成圖。自升式波浪能發(fā)電裝置的實(shí)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(fā)電裝置中，一級(jí)能量機(jī)構(gòu)是浮筒，液壓油缸和蓄能器可視為二級(jí)能量機(jī)構(gòu)，和其他波浪發(fā)電裝置一樣，三級(jí)能量機(jī)構(gòu)是發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

圖1 自升式波浪能發(fā)電裝置組成圖

圖2 自升式波浪能發(fā)電裝置實(shí)物圖

1.2 自升式波浪能發(fā)電裝置的工作原理

自升式波浪能發(fā)電裝置包括浮筒、液壓油缸、導(dǎo)向柱、自升式平臺(tái)、液壓油缸安裝底座、蓄能庫(kù)、液壓控制系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)，如圖1所示。

當(dāng)波浪上升時(shí)，波浪推動(dòng)浮筒沿著導(dǎo)向柱向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)液壓油缸的活塞桿上升，使得液壓油缸的無(wú)桿腔油液排出，通過(guò)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)入高壓蓄能庫(kù)，經(jīng)過(guò)恒壓調(diào)節(jié)后進(jìn)入高壓液壓馬達(dá)，從而使高壓液壓馬達(dá)連續(xù)平穩(wěn)的驅(qū)動(dòng)大發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)波浪下降時(shí)，浮筒靠自重沿著導(dǎo)向柱下降，進(jìn)而帶動(dòng)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(guò)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)入低壓蓄能庫(kù)，經(jīng)過(guò)恒壓調(diào)節(jié)后進(jìn)入低壓液壓馬達(dá)，從而使低壓液壓馬達(dá)連續(xù)平穩(wěn)地驅(qū)動(dòng)小發(fā)電機(jī)發(fā)電。

1.3 浮筒的受力分析

在自升式波浪能發(fā)電裝置中，浮筒與海水直接接觸。大海中的波浪運(yùn)動(dòng)給予浮筒一定的作用力，使得浮筒隨著波浪作起伏運(yùn)動(dòng)。這樣，浮筒就從波浪中吸收了能量，海水中的波浪能轉(zhuǎn)換為浮筒的勢(shì)能。

本文忽略浮筒之間的相互影響，只分析單個(gè)浮筒的性能。作用在浮筒上的力包括波浪力、浮力、樁腿對(duì)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(dòng)摩擦，因此摩擦系數(shù)為0.05，該系數(shù)與水平力相乘所得數(shù)值一般很小，故摩擦力的影響可以忽略不計(jì)。所以，可以近似認(rèn)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(jī)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(jìn)行水動(dòng)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(yùn)動(dòng)響應(yīng)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(yùn)動(dòng)幅值和豎向波浪力。為使浮筒結(jié)構(gòu)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(duì)應(yīng)的浮筒水線面直徑為3 m左右。

表1 各工況下浮筒運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和波浪力幅值

2 海上工程試驗(yàn)及結(jié)果分析

自升式波浪能發(fā)電裝置安置在浙江省舟山市普陀區(qū)朱家尖鎮(zhèn)東沙，具體所處位置為長(zhǎng)江口與杭州灣的交匯處，如圖2所示。整個(gè)試驗(yàn)在自升式波浪發(fā)電平臺(tái)上完成，做試驗(yàn)5分鐘，共做試驗(yàn)3次，任取其中兩次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

2.1 試驗(yàn)條件

（1）試驗(yàn)場(chǎng)地：朱家尖東沙的自升式波浪發(fā)電平臺(tái)；

（2）試驗(yàn)主要儀器：功率200 W的白熾燈8個(gè)，功率100 W的白熾燈8個(gè)，激光測(cè)距儀，塑料泡沫浮標(biāo)，雷諾液壓測(cè)試儀，萬(wàn)能表。

2.2 試驗(yàn)步驟

把塑料泡沫浮標(biāo)串在鐵棍上，放在海平面上，讓它隨著波浪做起伏運(yùn)動(dòng)。其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)人員用激光測(cè)距儀測(cè)量浮標(biāo)與激光發(fā)射點(diǎn)之間的距離，并用電腦采集波浪數(shù)據(jù)。同時(shí)，另一個(gè)實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)壓力傳感器和流量傳感器，使用雷諾液壓測(cè)試儀對(duì)液壓管道系統(tǒng)的流量、壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，記錄流體管道特性相關(guān)參數(shù)，為液壓系統(tǒng)的改進(jìn)提供相應(yīng)的定量數(shù)據(jù)分析。最后，還有一個(gè)實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)萬(wàn)能表同時(shí)測(cè)量電壓和電流，使用攝像機(jī)拍攝視頻，事后每秒鐘記錄一個(gè)數(shù)據(jù)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了便于觀察輸出電能的穩(wěn)定性，首先對(duì)各個(gè)負(fù)載的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后再進(jìn)行對(duì)比分析。

當(dāng)負(fù)載A時(shí)，波浪、電壓、電流測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3、圖4和圖5所示。

圖3 波浪采集數(shù)據(jù)圖

圖4 電壓采集數(shù)據(jù)圖

圖5 電流采集數(shù)據(jù)圖

圖6 負(fù)載A功率輸出實(shí)物圖

從圖3看出，大海的波浪十分不穩(wěn)定，是個(gè)不規(guī)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(nèi)，平均電壓是137.12 V，電壓在100 ～ 200 V之間波動(dòng)。由于波浪時(shí)有時(shí)無(wú)，從而導(dǎo)致電壓變化。從圖5看出，電流在4 ～ 5.5 A范圍內(nèi)波動(dòng)，電流平均值是4.75 A，電流變化不是很大。

當(dāng)負(fù)載B時(shí)，波浪、電壓、電流測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7、圖8和圖9所示。

圖7 波浪采集數(shù)據(jù)圖

圖8 電壓采集數(shù)據(jù)圖

圖9 電流采集數(shù)據(jù)圖

圖10 負(fù)載B功率輸出實(shí)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(guò)負(fù)載A和負(fù)載B得出分析比較，比較結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 負(fù)載A與B的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖6、圖10和表2看出，兩個(gè)負(fù)載的電信號(hào)都穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)并保證了其能穩(wěn)定的進(jìn)行發(fā)電作業(yè)。針對(duì)波浪時(shí)有時(shí)無(wú)、時(shí)大時(shí)小的特點(diǎn)，波浪能發(fā)電裝置設(shè)置了液壓蓄能器，能夠連續(xù)穩(wěn)定高效發(fā)出電來(lái)。圖6、圖10已經(jīng)證明自升式波浪能發(fā)電裝置能夠適應(yīng)不規(guī)則波的海況。

3 波浪能量估算及波浪發(fā)電效率計(jì)算

3.1 線性波浪理論的波浪能量

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

式中：k為波數(shù)；h為發(fā)電作業(yè)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(qū)域一個(gè)波浪周期內(nèi)接收到的平均波浪功率為：

3.2 波浪發(fā)電效率計(jì)算

當(dāng)計(jì)算負(fù)載A時(shí)，浮筒吃水深度0.8 m，波浪周期6.2 s，波高0.5 m，發(fā)電作業(yè)海域的水深2.3 m，此時(shí)水線面處浮筒外徑為3 m，內(nèi)徑為0.66 m。

（1）3個(gè)浮筒的水線面積

（2）波數(shù)k：通過(guò)MATLAB編程序計(jì)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(fā)電效率為：

當(dāng)計(jì)算負(fù)載B時(shí)，浮筒吃水深度0.8 m，波浪周期6.5 s，波高0.55 m，此時(shí)水線面處浮筒外徑3.1 m，內(nèi)徑0.66 m。同理可得，總的波浪發(fā)電效率為：

綜上所述，無(wú)論是負(fù)載A還是負(fù)載B的情況下，自升式波浪能發(fā)電裝置的發(fā)電效率超過(guò)了15%，具有較高的轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到了項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)。

4 自升式波浪能發(fā)電裝置的優(yōu)勢(shì)與發(fā)明創(chuàng)新點(diǎn)

（1）惡劣海況下生存能力強(qiáng)。裝置采用成熟的自升式平臺(tái)支撐，并設(shè)置自保護(hù)裝置，在風(fēng)暴來(lái)襲之前，能將浮筒提離水面。本項(xiàng)目中的裝置創(chuàng)新發(fā)明了一種可升降式波浪發(fā)電機(jī)構(gòu)，惡劣海況下浮筒可升離海面之上，與平臺(tái)主體鎖緊，可有效抵御風(fēng)暴與波浪的沖擊，已經(jīng)經(jīng)歷了蘇力、潭美和菲特3次臺(tái)風(fēng)考驗(yàn)。

（2）該裝置不受潮位變化的影響。通常固定式波浪能發(fā)電裝置都會(huì)面臨一大難題，即消除潮差變化對(duì)發(fā)電裝置的影響。潮位變化引起的最大問(wèn)題是需要頻繁調(diào)整受波體的浮態(tài)和平衡位置才能保證裝置能正常運(yùn)作。本項(xiàng)目中的裝置發(fā)明了潮位、潮差變化自適應(yīng)隨動(dòng)技術(shù)，研制出一種隨動(dòng)波浪齒條，實(shí)現(xiàn)了全天候跟蹤波浪運(yùn)動(dòng)，在不同的潮位都能夠進(jìn)行波浪發(fā)電。

（3）創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種群組液壓油缸取能技術(shù)，液壓油缸成對(duì)均衡地布置在齒條兩邊，既有效提高了能量轉(zhuǎn)化效率，又消除了波浪水平力帶來(lái)的沖擊影響。

（4）電力輸出穩(wěn)定性很好，即使在實(shí)際海況下，波浪的隨機(jī)性很強(qiáng)且平均波高不大的情況下，仍能持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電。本項(xiàng)目中的裝置研發(fā)了一種自動(dòng)連續(xù)穩(wěn)定電力輸出系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了波浪能的平穩(wěn)轉(zhuǎn)化難題，通過(guò)蓄能模塊和液壓馬達(dá)流量調(diào)節(jié)，控制發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定電壓，不同大小的波浪能自動(dòng)切換相應(yīng)的功率負(fù)載。

（5）該裝置可靠性好，管理維護(hù)成本低。裝置的平臺(tái)設(shè)計(jì)有利于降低管理維護(hù)成本，一方面因?yàn)椴捎霉潭ㄊ郊八聸](méi)有活動(dòng)的設(shè)計(jì)，使裝置的可靠性大大提升；另一方面平臺(tái)式設(shè)計(jì)能存放維修工具和必要生活物資、為維護(hù)管理人員提供生活處所，可大大降低出海次數(shù)，從而降低了管理維護(hù)成本。本項(xiàng)目中的裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種水上隔離波浪發(fā)電系統(tǒng)，核心設(shè)備均在海面之上，消除了海水腐蝕影響。

5 結(jié) 論

自升式波浪能發(fā)電裝置具有抗風(fēng)抗浪、連續(xù)高效、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。該裝置在電力輸出穩(wěn)定性、裝置可靠性、發(fā)電效率、管理和維護(hù)成本方面具有優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了項(xiàng)目中的技術(shù)指標(biāo)，并克服了固定式波浪發(fā)電裝置難以解決的潮差問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了多方面的突破。

自升式波浪能發(fā)電裝置還需要進(jìn)一步完善，平臺(tái)應(yīng)插樁于水域更深、波浪能量更豐富的海域，有利于提高發(fā)電效率。浮筒式波浪發(fā)電裝置主要通過(guò)利用水質(zhì)點(diǎn)垂向運(yùn)動(dòng)的能量發(fā)電，波浪由深水向淺水行進(jìn)過(guò)程中，其垂向運(yùn)動(dòng)能量減少，水平方向運(yùn)動(dòng)能量增大，因此在淺水區(qū)域，波浪對(duì)浮筒的水平作用力增加很多，不利于本裝置發(fā)電。如果將發(fā)電平臺(tái)放置于波浪能量豐富的深水海域，本裝置的發(fā)電效率或許會(huì)有所提高。后期，我們將研發(fā)更大功率的波浪能發(fā)電站，并將自升式波浪能發(fā)電裝置向更深、更惡劣的海況邁進(jìn)。

［1］ 譚思明，秦洪花，趙霞，等.海洋波浪能領(lǐng)域國(guó)際專(zhuān)利競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)分析［J］.現(xiàn)代情報(bào)，2011（6）：14.

［2］ 王凌宇.海洋浮子式波浪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2008：1-3.

［3］ 王貴彪，李德堂，謝永和.波浪發(fā)電裝置浮筒及導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J］.中國(guó)造船，2012（4）：157-163.

［4］ 龔閩，譚家華.自升式平臺(tái)在層狀地基上承載能力及穿透可能性分析［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2004（2）：20-23.

［5］ 孫東昌，潘斌.海洋自升式移動(dòng)式平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2008.

［6］ 戴仰山，沈進(jìn)威，宋競(jìng)正.船舶波浪載荷［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007：23-37.

［7］ 姜大寧.鋼筒組塊的靜穩(wěn)性和波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)［D］.天津：天津大學(xué)，2005：16-24.

［8］ 李玉成，滕斌.波浪對(duì)海上建筑物的作用（第二版）［M］.北京：海洋出版社，1990.

［9］ 文常圣，余宙文.海浪理論與計(jì)算原理［M］.北京：科學(xué)出版社，1995.