振荡浮筒式波浪能发电装置设计与实验研究

石晶鑫李德堂 李达特 张 伟 李 飞

（1.浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院 舟山 316022；2.浙江海洋学院 海运与港航建筑工程学院 舟山 316022）

0 引 言

海洋波浪能是一种清洁的可再生环保新能源，而波浪发电是波浪能利用的主要方式［1］。早在上世纪70年代中期，人们就开始研究波浪能的利用技术；此后有多个国家开展波浪能的研究，并相继出现各种各样的换能装置，如点头鸭式发电装置、“海蛇”号波能发电装置、收缩波道式波能转换装置、振荡水柱式波能转换装置等［2］。振荡浮子式波浪发电装置通过浮筒采集波浪能，再采用液压装置转化能量，最终使能量转化为电能［3］。

波浪能发电装置工作的环境是非常恶劣的，涉及的问题也各种各样。振荡浮筒式波浪能发电装置是一种新型的波浪能发电站，国内外可参考的资料目前还很少。为此，我们设计了振荡浮筒式波浪能发电装置，通过该装置来模拟验证海上工程样机的各项工作性能指标，从而为海上工程的实施奠定基础。

1 波浪能发电装置的结构与工作原理

波浪能发电装置主要由浮筒、伸缩油缸、油箱、控制器、蓄能器、液压马达、发电机等组成。装置整机结构如图1所示。

图1 新型波浪能发电装置结构图

该装置工作原理:当波浪上升时，波浪推动浮筒沿着导向柱向上运动，带动液压油缸的活塞杆上升，使液压油缸的无杆腔油液排出并通过液压控制系统进入高压蓄能器，经过恒压调节后进入高压液压马达，从而使高压液压马达连续平稳地驱动大发电机发电。当波浪下降时，浮筒靠自重沿着导向柱下降，进而带动液压油缸的活塞杆下降，使得液压油缸的有杆腔油液排出，通过液压控制系统进入低压蓄能器，经过恒压调节后进入低压液压马达，从而使低压液压马达连续平稳的驱动发电机发电。

2 浮筒结构设计

2.1 浮筒的水动力计算

本文基于线性随机波浪理论、P-M谱和三维浮体波浪载荷频率法［4-5］，采用SESAM软件的 Geni E核心模块建立浮筒水动力模型。该浮筒直径D=2 m、高度H=0.6 m、吃水为0.3 m，如图2所示。波浪载荷计算参数浪向角度 0°～180°、环境水深3.5 m、有义波高Hs=0.3 m， 在跨零周期Tz分别为3 s、4 s和5 s的情况下进行短期预报。

图2 浮筒直径D=2 m，H=0.6 m的水动力模型

图3 浪向角度为0°浮筒的三个方向力传递函数

图4 浪向角度为30°浮筒的三个方向力传递函数

图5 浪向角度为0°浮筒的三个方向力短期预报结果

图6 浪向角度为30°浮筒的三个方向力短期预报结果

图7 浮筒垂向位移HEAVE短期预报

表1 在Tz=3 s，Hs=0.3 m时浮筒受力短期预报N

表2 在Tz=4 s，Hs=0.3 m时浮筒受力短期预报N

表3 在Tz=5 s，Hs=0.3 m时浮筒受力短期预报N

表4 浮筒的垂向位移HEAVE短期预报值m

通过图2～图7和表1～表4可得到以下结论:

（1）从表1、表2和表3中可以看出:当Tz=5 s时，浮筒垂向受力最大（Fz=8124 N）。水平方向最大合力为848.89 N，只有垂向受力的10.45%。摩擦力FS=F水平×s（其中:s为滑动摩擦系数；F水平为水平合力）。查阅机械手册后得到:钢与钢摩擦时，若以水作为润滑剂，其摩擦系数s=0.1。水平方向合力所导致的滑动摩擦力远远小于浮筒垂向力，因此不会出现浮筒卡死现象。

（2）本文计算波浪的条件结合水池造波形式，当Tz=5 s时，浮筒的垂向力最大，且不受波浪入射角的改变而改变大小；水平X方向随着入射角增大而减小，水平Y方向力随着入射角增大而增大，但水平合力随波浪入射角度改变略有变化。

2.2 水池模型的优化

本文共选取4种形式的浮筒模型，主尺度分别如图8～图11所示，吃水状态分别如下页表5所示。对4个模型进行Hs=0.3 m、Tz=5 s规则波情况下的耐波性分析，各个模型吃水状况如表5所示；而后，分别得到其垂直方向上的合力如下页表6所示。

图8 直径D=2.5 m，H=0.8 m（水动力模型1）

图9 浮筒直径D=1.5 m，H=0.5 m（水动力模型2）

图10 浮筒直径D=2 m，H=0.6 m（水动力模型3）

图11 浮筒小径D=2 m，大径D=2.5 m，H=0.8 m（水动力模型4）

表5 各种形式模型的装载状况

表6 各模型垂直方向合力

图12、图13分别为向角度0°时，4种浮筒模型的垂向力传递函数以及垂向力短期预报结果。

图12 向角度0°时，四种浮筒模型的垂向力传递函数

图13 向角度0°时，四种浮筒模型的垂向力短期预报结果

从表6中我们可以看出，模型1的垂直方向合力为12.273 kN，模型1比模型4大5%，主要由于在垂直方向模型4存在外飘，但由于水线以下外飘并不明显，所以结果相差不大。综合考虑浮筒水动力计算结果以及模型加工工艺，根据计算结果，本文选取模型1作为水池试验模型。最终确定的浮筒形状如图14所示。

图14 浮筒形状

3 实验及结果分析

整个实验在浙江海洋学院水动力实验室水池中完成，通过模拟不同波浪状态，测试发电装置的原理及其结构的合理性，在水池实验的基础上进行修正和优化，达到理想状态后，选择适当的海域进行海上试验。

用造波机造波，造波时间为10 min，设置波浪周期为3～6 s，并用声学测波仪进行实际波况数据的采集。部分波浪数据如图15和图16所示。

图15 波浪数据图

图16 波浪曲线图

由波浪数据图15和波浪数据曲线图16可以看出，波况为:最大波高为3.5 m，周期为3.5 s，平均波高为0.3 m，平均水深为2.9 m，测量波数为120个；波形为正弦波而且比较稳定。

通过数据监控软件，得到发电装置负载的电压、电流、功率、功率因数值以及数值的变化曲线，如图17所示。

图17 负载电信号变化曲线

由实验结果可知，负载电压保持在8.3～9.3 V、电流保持在0.67～0.69 A、功率保持在5.7～6.3 W、功率因数基本保持为1，负载的电信号也保持在一个相对稳定的范围内，从而保证负载相对稳定工作。

然而，由于水池实验条件有限，造波机无法造出不规则、不稳定的波，所以无法进行不规则波的发电试验。针对不规则波的波高、波长和波周期的不断变化，我们在波浪发电装置里设置了液压蓄能器。当波高和波长较大、周期较小时，过多的波浪能转换成液压能储存在蓄能器里，用于波浪较小的情况，从而解决波浪时大、时小的问题。这样我们就能将电压控制在某一个范围之内，通过切换负载来调节输出功率。所以，我们认为不规则波对电压和输出功率的变化影响不大。

4 海上工程样机发电效能估算分析

本项目把振荡浮筒式波浪发电装置安装到自升式平台上，组成自升式波浪发电装置。每个桩腿上安装1个浮筒，共3个浮筒。浮筒直径D=3.2 m、H=1.6 m。该发电装置设置在浙江省舟山市普陀区朱家尖镇东沙，此处位于长江口与杭州湾的交汇处，属于E1海域［6］。 全年波浪周期处于 3.5～10 s之间，全年波浪跨零周期Tz为6 s的出现概率最高。该发电装置预计发电功率保持在1～2 kW，电压保持在100～200 V，系统能量转换效率不低于15%。

5 波浪能发电装置的特点

（1）连续性:针对波浪不连续的特点，设置了液压蓄能器，将不连续的波浪能储存在蓄能器中，通过压力控制系统调节后，能够连续发电。

（2）高效性:针对波浪能低效率转换的特点，设置了双向液压油管，将浮筒上下运动的机械能转换成液压能，通过液压马达能够高效发电。

（3）稳定性:针对波浪大小不稳定的特点，设置了蓄能瓶，将不稳定的波浪能储存起来，达到一定压力值之后，通过液压马达稳定发电。

6 结 论

本文对振荡浮筒式波浪能发电装置的工作原理进行了详细阐述，采用SESAM软件进行结构优化，并通过水池试验得到一系列波浪发电的功率、效率，为海上工程样机的实施奠定了基础。但是，目前尚无法在水池中进行不规则波的试验。在今后的工作中，我们将要研发在恶劣海况下能抗风浪的自保护式波浪能发电装置。

［1］谭思明，秦洪花，赵霞，等.海洋波浪能领域国际专利竞争态势分析［J］.现代情报，2011，45（6）:14.

［2］李仕成.振荡浮子式波能转换装置性能的实验研究［D］.大连:大连理工大学，2006:2-10.

［3］王凌宇.海洋浮子式波浪发电装置结构设计及试验研究［D］.大连:大连理工大学，2008:1-3.

［4］戴仰山，沈进威，宋竞正.船舶波浪载荷［M］.北京，国防工业出版社，2007:23-37.

［5］姜大宁.钢筒组块的静稳性和波浪中的运动响应［D］.天津:天津大学，2005:16-24.

［6］方钟圣.西北太平洋波浪统计集［M］.北京:国防工业出版社，1996.