一种新型漂浮式波浪能发电装置的设计与研究

吴涛，赵新生，杨波

摘要：文章针对江苏连云港所取得的漂浮式波浪能发电装置的研究新成果，较为详细地阐述了该装置的设计原理、基本结构以及工作过程，并对试验装置的特点进行了分析。目前，该发电装置研究与试验已取得了预期的效果，为下一步试验样机的制造奠定了良好的基础。

关键词：波浪能；漂浮式；发电装置；试验装置

中图分类号：P743 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）28-0013-03

当下，可再生能源是世界各国尤其是发达国家都在重点研究的课题，而海洋能作为一种极具发展前景的清洁可再生资源更是受到沿海国家的青睐。海洋能中以波浪能的利用与研究最为典型，因其分布范围广、易于大规模利用，从而受到众多沿海国家的高度重视。研究和开发海洋波浪能是世界各海洋国家共同努力发展的方向，海洋波浪能发电装置的开发和应用将推动清洁能源的发展进程，对解决海岛和海上装备的电力供应问题具有重大意义。

江苏连云港海域使用保护动态管理中心自2010年起，与中科院广州能源所、东南大学、河海大学等科研院所合作，从事波浪能发电装置的研究工作。课题组提出建立独立的海洋波浪能发电装置初步设计为20kW直列漂浮式结构。该装置在降低建造和运行维护成本、提高抗大浪冲击能力、稳定的电能输出等方面都具有明显优势。文章将对该装置的设计原理、基本结构以及工作过程进行阐述。

1 装置总体设计

通过对波浪能发电装置的整体设计、仿真设计测试、零部件研制、试验和模型实海况试验等研究，取得相关成果，以研制出结构可靠、发电持续稳定、运营和维护成本低的波浪能发电装置。

该装置为直列漂浮式波浪能发电装置，主要由采能器与连接耦合件组成，所使用的材料均为船用钢材及结构钢材，材料来源广泛且容易采购。采能器之间通过耦合连接件连接，耦合连接件为一个适应波长的加力杆，采能器在波浪的作用下随波浪摆动，加力杆通过铰链轴的支撑作用驱动集压器活塞做两点间的往复运动，从而挤压在集压器中的液体，迫使集压器中的液体形成一个从常压→高压→常压的往复循环过程，继而高压液流输入到液压调平蓄能装置中，液压调平蓄能装置出口液流的压力与流速会根据液压发电机组的要求进行调整，经调整后的恒压恒流液流输入到液压发电机系统中进行发电，即波浪迫使采能器摆动，通过集压器的转换将波浪能量转换成液压能，进而转换成电能。本项目研制的波浪发电装置所产出的电能可以直接输出使用，也可以储存进行二次使用。根据连云港海州湾海洋平台海域波浪特征，采能器设计为可在0.5m以上的波高开始工作，波高在2m时达到最佳负荷状态。

采能器和耦合件的设计充分考虑了采能器形状、耦合器结构、尺寸与实施海域的波长、波高和周期等相关波浪要素的匹配关系，使得发电量在同样海况下通过耦合件的作用使其最大化。采能器受波浪驱动运动轨迹的理论分析与实海况测试分析计算表明，对于周期3秒、波高0.5m的波浪，活塞的往复运动行程能够达到100mm以上，为启动集压条件，在本项目的实施环境中已经达到单个集压器可以启动集压的条件（见图1）。而对于周期5～6s、波高2m的波浪，活塞的往复运动行程达到844mm以上，则是集压器的理想挤压条件

（见图2）

图1 启动波高差变化图

图2 理想波高差变化图

2 主要研究内容

该直列漂浮式波浪能发电装置，主要由采能器、耦合连接系统、集能蓄能系统、发电系统以及锚固系统组成（见图3）。

图3 装置示意图

其工作原理是采能传输系统随波涌运动，接受海洋涌动的能量，通过铰链驱动集压系统工作，集压系统给流体施加压力，把不稳定的压力流压入稳压系统中，经过调平之后，稳定的压力流驱动液压发电系统稳定运行，继而通过输出系统输出稳定电压和电流。流体回流进入循环状态。

2.1 整体装置与波浪匹配的适应性优化

2.1.1 通过采能器在波高运动变化中的规律、仿真设计以及水槽试验的验证，对比仿真设计的设置条件。经过一系列的实验验证后得到制造实体结构的详细数据，按该实体结构参数制造出采能器。对采能器进行实海况测试，验证其仿真数据与试验测试数据的吻合性，继而检验仿真条件设置的科学性和合理性，在改进优化设计中使仿真设计条件更贴近实海况状态，从而提高后续仿真设计应用的可靠性，大量地节省时间、人力、物力。

2.1.2 装置外形结构几何尺寸与运动效率的参数分析。分析装置的外形形状与结构尺寸对采能器运动幅度和实际摆动力的影响，得到最佳摆动幅度与最佳出力的结合参数。

2.1.3 耦合结构与波长、频率的最佳工作段分析。其目的是优化设计耦合结构，使采能器在属地海域获得最大出力。

2.1.4 优化集能器的最佳出力范围。通过水槽测试分析将集能器的受力角度、力的大小与压力流的输出匹配到最佳出力范围。

2.1.5 装置整体结构与启动波高、最大波高对系统出力的稳定性和持续性的影响。优化启动波高、最大波高与出力的关系，指导下一步的优化设计。

2.2 耐大浪和抗台风研究

直列漂浮式波浪能发电装置的设计将充分考虑我国为台风多发区，遭受破坏性风浪袭击的发生概率较高，所以装置能在风浪中安全地运行，又不被风浪破坏显得至关重要，必须对装置的抗风浪的能力有充分的准备，强化装置在大风大浪中的运行稳定性以及装置的安全性是极其必要的。采能器使用双层结构设计，分为上密封舱与下压载舱。装置的正常工作状态是装置整体的大部分是浸在海水中（如图4所示），根据波浪高度调整装置的吃水深度，最大限度地提高采能器工作效率，使装置在适当的波浪驱动力作用下平稳地工作。

图4 直列漂浮式波浪能装置抗风浪半潜工作状态（正常情况下）

当海况出现恶劣情况时候，提前将装置的压载调整到适合配置（图5），减少装置上部的受浪面积，使装置在较稳定的状态下工作。

图5 直列漂浮式波浪能装置抗风浪半潜工作状态（恶劣情况下）

如海况环境进一步恶化，如强台风的袭击，此时可打开采能器的进水口，自然灌入海水，使采能器的内外壁等压，调整装置进入全潜状态（见图6），以便保护装置的安全，锚链浮球将会指示装置下潜的位置。需要上浮时，从采能器进水口注入高压空气，将水从采能器排水口排出，调采能器回复到海面进行工作。

图6 直列漂浮式波浪能装置抗大风浪下全潜安全状态

通过波浪能发电装置抗侧浪、采能器耦合结构斜浪受扭曲的分析，提高装置耐大浪能力。当发生侧浪力作用时，装置会因为受侧向力而沿着锚固中心点进行旋转漂移，在这个过程中装置的设计强度足以克服由于侧浪力给装置带来的冲击；当发生斜浪力的冲击时，装置会因为受斜向力分力的作用而沿着锚固中心点进行旋转漂移，装置采能器、耦合机构会受到因侧浪力的冲击而形成的结构扭曲力，耦合连接件、铰链结构充分考虑此环节的破坏力量，在理论设计和仿真测试当中给予高度重视，将铰链结构的设计安全系数调整到上位（见图7）：

图7 直列漂浮式波浪能发电装置抗侧浪斜浪结构扭曲设计

2.3 集压器蓄能器匹配，稳定可靠的发电

直列漂浮式波浪能发电装置采用波浪能集压器转换为液压能，液压能转换为电能的总体设计方案。其中液压能转换为电能的具体方案为：稳压蓄能后，驱动液压发电机发电。液压发电机是一个成熟的设备，可实现电能稳定输出，转换环节采用的元件均为成熟的工业产品，性能稳定可靠。集压器与蓄能器的匹配显得至关重要，如设计、调试不当，会出现能量传递瓶颈，将降低整个系统的发电能力。项目组将对本环节进行细致深入的研究调试。

2.4 装置海水防腐研究分析

直列漂浮式波浪能发电装置的大部件中只有采能器浸在海水中工作，所以采能器的防止海水腐蚀是必须重视的研究内容。本项目将研究采用常规海洋工程防腐技术防腐方法，降低日常维护和防腐成本。

3 技术路线

3.1 装置总体设计

直列漂浮式波浪能发电装置利用采能器随海洋波浪的波幅而运动，将采集到的能量传送到集压器，通过能量整合等一系列运作，驱动发电机平稳地运转，从而实现电站的发电。

图8 发电系统示意图

采能传输系统接受海洋涌动的能量后随波涌运动，通过耦合件铰链驱动集压系统工作，集压系统给流体施加压力，把不稳定的压力流压入稳压系统中，经过调平稳定后的压力流进入工作环节。经过调平稳定后的压力流驱动流体发电机稳定运转——控制器通过输出系统输出稳定电压和电流（见图8）。

3.2 技术路线

3.2.1 通过理论计算、仿真设计试验和零部件测试，对直列漂浮式波浪能发电装置进行整体优化和仿真分析，确定采能器外形尺寸、连接耦合件尺寸和主要技术参数。优良的设计方案是降低制造以及使用成本的重要环节，也直接影响直列漂浮式波浪能发电装置发电效率的高低。设计采能器外形尺寸时，通过理论计算和仿真测试，获得采能器的最佳外形尺寸。同时对耦合件进行大量比对仿真测试，得到最佳的波浪能采集效率。当采能器、连接耦合件与波浪达到较好的匹配时，即达到获得最大平均功率的设计目的。

3.2.2 匹配设计集压器蓄能器液压系统。根据采能器相关数据，计算出集压器液压和流量参数需求，能量处理过程采用变动液压直接蓄能调压的方式，环节简单可靠，能量行程路线短，管损率低。需要特别注意匹配设计集压器与蓄能器液压系统的与调试，可以有效地提高生产率和降低运营成本。

3.2.3 装配发电系统。项目计划装备液压发电机作为发电装置，液压发电机通过稳定的液压、稳定的流量驱动发电。属于成熟的工业标准化零部件，可靠性很高，容易维护。

3.2.4 设计安装锚固系统。项目采用浮球牵引的弹性锚固系统，有效防止锚链崩断，可靠性很高，容易调整维护。

3.2.5 采能器、耦合件设计调试。采能器、耦合件完成设计制造后，通过一个周期的实海况调试、试验验证方案是否合理，零部件强度是否等效匹配等。通过实海况测试及时发现问题破解原因，并在优化中得以解决，提高装置的适应能力。

3.3 关键问题

3.3.1 低波高启动问题。本装置采用采能器作为能量采集的第一步，波浪高度不够可能导致无法驱动采能器工作，所以必须设置和验证最小启动波高，使装置在适当波高的海域中正常工作。

3.3.2 抗台风破坏问题。通过将装置整体下潜脱离海面以避免台风的破坏。

3.3.3 抗斜浪对结构的扭曲问题。结构在遇到斜浪时，耦合件会发生扭曲，为解决此类问题，耦合件截面设计成封闭圆管结构，以抵抗采集单元横摇导致的耦合件扭曲问题。本装置设计为最大限度地追求纵摇，在海上工况下允许其最大限度地横摇，以最大限度地释放斜侧浪对装置的冲击，提高装置的安全性。

4 结语

波浪发电装置的研究与试验面临的首要问题就是如何抵御海上恶劣的环境，以保障发电设备的安全。通过本项目的研究，综合考虑海上多种不利因素，设计较为科学与合理的发电装置，在避免装置损坏的前提下，稳定进行电力输出。项目组对该结构的波浪能装置已初步进行多次仿真分析，下一步，课题组将进行多次模型实海况试验分析，充分验证波高、采能器的有效运动量与液压发电机输出之间的关系。在大量仿真及实验的基础上，召集船舶设计专家及相关专业专家进行详细论证与结构设计，研制出直列漂浮式波浪能发电装置，并提高装置的抗风浪破坏能力，稳定发电。

作者简介：吴涛（1981-），男，安徽寿县人，连云港市海域使用保护动态管理中心科长，中级工程师，硕士，研究方向：海域管理与海洋技术。

图5 直列漂浮式波浪能装置抗风浪半潜工作状态（恶劣情况下）

如海况环境进一步恶化，如强台风的袭击，此时可打开采能器的进水口，自然灌入海水，使采能器的内外壁等压，调整装置进入全潜状态（见图6），以便保护装置的安全，锚链浮球将会指示装置下潜的位置。需要上浮时，从采能器进水口注入高压空气，将水从采能器排水口排出，调采能器回复到海面进行工作。

图6 直列漂浮式波浪能装置抗大风浪下全潜安全状态

通过波浪能发电装置抗侧浪、采能器耦合结构斜浪受扭曲的分析，提高装置耐大浪能力。当发生侧浪力作用时，装置会因为受侧向力而沿着锚固中心点进行旋转漂移，在这个过程中装置的设计强度足以克服由于侧浪力给装置带来的冲击；当发生斜浪力的冲击时，装置会因为受斜向力分力的作用而沿着锚固中心点进行旋转漂移，装置采能器、耦合机构会受到因侧浪力的冲击而形成的结构扭曲力，耦合连接件、铰链结构充分考虑此环节的破坏力量，在理论设计和仿真测试当中给予高度重视，将铰链结构的设计安全系数调整到上位（见图7）：

图7 直列漂浮式波浪能发电装置抗侧浪斜浪结构扭曲设计

2.3 集压器蓄能器匹配，稳定可靠的发电

直列漂浮式波浪能发电装置采用波浪能集压器转换为液压能，液压能转换为电能的总体设计方案。其中液压能转换为电能的具体方案为：稳压蓄能后，驱动液压发电机发电。液压发电机是一个成熟的设备，可实现电能稳定输出，转换环节采用的元件均为成熟的工业产品，性能稳定可靠。集压器与蓄能器的匹配显得至关重要，如设计、调试不当，会出现能量传递瓶颈，将降低整个系统的发电能力。项目组将对本环节进行细致深入的研究调试。

2.4 装置海水防腐研究分析

直列漂浮式波浪能发电装置的大部件中只有采能器浸在海水中工作，所以采能器的防止海水腐蚀是必须重视的研究内容。本项目将研究采用常规海洋工程防腐技术防腐方法，降低日常维护和防腐成本。

3 技术路线

3.1 装置总体设计

直列漂浮式波浪能发电装置利用采能器随海洋波浪的波幅而运动，将采集到的能量传送到集压器，通过能量整合等一系列运作，驱动发电机平稳地运转，从而实现电站的发电。

图8 发电系统示意图

采能传输系统接受海洋涌动的能量后随波涌运动，通过耦合件铰链驱动集压系统工作，集压系统给流体施加压力，把不稳定的压力流压入稳压系统中，经过调平稳定后的压力流进入工作环节。经过调平稳定后的压力流驱动流体发电机稳定运转——控制器通过输出系统输出稳定电压和电流（见图8）。

3.2 技术路线

3.2.1 通过理论计算、仿真设计试验和零部件测试，对直列漂浮式波浪能发电装置进行整体优化和仿真分析，确定采能器外形尺寸、连接耦合件尺寸和主要技术参数。优良的设计方案是降低制造以及使用成本的重要环节，也直接影响直列漂浮式波浪能发电装置发电效率的高低。设计采能器外形尺寸时，通过理论计算和仿真测试，获得采能器的最佳外形尺寸。同时对耦合件进行大量比对仿真测试，得到最佳的波浪能采集效率。当采能器、连接耦合件与波浪达到较好的匹配时，即达到获得最大平均功率的设计目的。

3.2.2 匹配设计集压器蓄能器液压系统。根据采能器相关数据，计算出集压器液压和流量参数需求，能量处理过程采用变动液压直接蓄能调压的方式，环节简单可靠，能量行程路线短，管损率低。需要特别注意匹配设计集压器与蓄能器液压系统的与调试，可以有效地提高生产率和降低运营成本。

3.2.3 装配发电系统。项目计划装备液压发电机作为发电装置，液压发电机通过稳定的液压、稳定的流量驱动发电。属于成熟的工业标准化零部件，可靠性很高，容易维护。

3.2.4 设计安装锚固系统。项目采用浮球牵引的弹性锚固系统，有效防止锚链崩断，可靠性很高，容易调整维护。

3.2.5 采能器、耦合件设计调试。采能器、耦合件完成设计制造后，通过一个周期的实海况调试、试验验证方案是否合理，零部件强度是否等效匹配等。通过实海况测试及时发现问题破解原因，并在优化中得以解决，提高装置的适应能力。

3.3 关键问题

3.3.1 低波高启动问题。本装置采用采能器作为能量采集的第一步，波浪高度不够可能导致无法驱动采能器工作，所以必须设置和验证最小启动波高，使装置在适当波高的海域中正常工作。

3.3.2 抗台风破坏问题。通过将装置整体下潜脱离海面以避免台风的破坏。

3.3.3 抗斜浪对结构的扭曲问题。结构在遇到斜浪时，耦合件会发生扭曲，为解决此类问题，耦合件截面设计成封闭圆管结构，以抵抗采集单元横摇导致的耦合件扭曲问题。本装置设计为最大限度地追求纵摇，在海上工况下允许其最大限度地横摇，以最大限度地释放斜侧浪对装置的冲击，提高装置的安全性。

4 结语

波浪发电装置的研究与试验面临的首要问题就是如何抵御海上恶劣的环境，以保障发电设备的安全。通过本项目的研究，综合考虑海上多种不利因素，设计较为科学与合理的发电装置，在避免装置损坏的前提下，稳定进行电力输出。项目组对该结构的波浪能装置已初步进行多次仿真分析，下一步，课题组将进行多次模型实海况试验分析，充分验证波高、采能器的有效运动量与液压发电机输出之间的关系。在大量仿真及实验的基础上，召集船舶设计专家及相关专业专家进行详细论证与结构设计，研制出直列漂浮式波浪能发电装置，并提高装置的抗风浪破坏能力，稳定发电。

作者简介：吴涛（1981-），男，安徽寿县人，连云港市海域使用保护动态管理中心科长，中级工程师，硕士，研究方向：海域管理与海洋技术。

图5 直列漂浮式波浪能装置抗风浪半潜工作状态（恶劣情况下）

如海况环境进一步恶化，如强台风的袭击，此时可打开采能器的进水口，自然灌入海水，使采能器的内外壁等压，调整装置进入全潜状态（见图6），以便保护装置的安全，锚链浮球将会指示装置下潜的位置。需要上浮时，从采能器进水口注入高压空气，将水从采能器排水口排出，调采能器回复到海面进行工作。

图6 直列漂浮式波浪能装置抗大风浪下全潜安全状态

通过波浪能发电装置抗侧浪、采能器耦合结构斜浪受扭曲的分析，提高装置耐大浪能力。当发生侧浪力作用时，装置会因为受侧向力而沿着锚固中心点进行旋转漂移，在这个过程中装置的设计强度足以克服由于侧浪力给装置带来的冲击；当发生斜浪力的冲击时，装置会因为受斜向力分力的作用而沿着锚固中心点进行旋转漂移，装置采能器、耦合机构会受到因侧浪力的冲击而形成的结构扭曲力，耦合连接件、铰链结构充分考虑此环节的破坏力量，在理论设计和仿真测试当中给予高度重视，将铰链结构的设计安全系数调整到上位（见图7）：

图7 直列漂浮式波浪能发电装置抗侧浪斜浪结构扭曲设计

2.3 集压器蓄能器匹配，稳定可靠的发电

直列漂浮式波浪能发电装置采用波浪能集压器转换为液压能，液压能转换为电能的总体设计方案。其中液压能转换为电能的具体方案为：稳压蓄能后，驱动液压发电机发电。液压发电机是一个成熟的设备，可实现电能稳定输出，转换环节采用的元件均为成熟的工业产品，性能稳定可靠。集压器与蓄能器的匹配显得至关重要，如设计、调试不当，会出现能量传递瓶颈，将降低整个系统的发电能力。项目组将对本环节进行细致深入的研究调试。

2.4 装置海水防腐研究分析

直列漂浮式波浪能发电装置的大部件中只有采能器浸在海水中工作，所以采能器的防止海水腐蚀是必须重视的研究内容。本项目将研究采用常规海洋工程防腐技术防腐方法，降低日常维护和防腐成本。

3 技术路线

3.1 装置总体设计

直列漂浮式波浪能发电装置利用采能器随海洋波浪的波幅而运动，将采集到的能量传送到集压器，通过能量整合等一系列运作，驱动发电机平稳地运转，从而实现电站的发电。

图8 发电系统示意图

采能传输系统接受海洋涌动的能量后随波涌运动，通过耦合件铰链驱动集压系统工作，集压系统给流体施加压力，把不稳定的压力流压入稳压系统中，经过调平稳定后的压力流进入工作环节。经过调平稳定后的压力流驱动流体发电机稳定运转——控制器通过输出系统输出稳定电压和电流（见图8）。

3.2 技术路线

3.2.1 通过理论计算、仿真设计试验和零部件测试，对直列漂浮式波浪能发电装置进行整体优化和仿真分析，确定采能器外形尺寸、连接耦合件尺寸和主要技术参数。优良的设计方案是降低制造以及使用成本的重要环节，也直接影响直列漂浮式波浪能发电装置发电效率的高低。设计采能器外形尺寸时，通过理论计算和仿真测试，获得采能器的最佳外形尺寸。同时对耦合件进行大量比对仿真测试，得到最佳的波浪能采集效率。当采能器、连接耦合件与波浪达到较好的匹配时，即达到获得最大平均功率的设计目的。

3.2.2 匹配设计集压器蓄能器液压系统。根据采能器相关数据，计算出集压器液压和流量参数需求，能量处理过程采用变动液压直接蓄能调压的方式，环节简单可靠，能量行程路线短，管损率低。需要特别注意匹配设计集压器与蓄能器液压系统的与调试，可以有效地提高生产率和降低运营成本。

3.2.3 装配发电系统。项目计划装备液压发电机作为发电装置，液压发电机通过稳定的液压、稳定的流量驱动发电。属于成熟的工业标准化零部件，可靠性很高，容易维护。

3.2.4 设计安装锚固系统。项目采用浮球牵引的弹性锚固系统，有效防止锚链崩断，可靠性很高，容易调整维护。

3.2.5 采能器、耦合件设计调试。采能器、耦合件完成设计制造后，通过一个周期的实海况调试、试验验证方案是否合理，零部件强度是否等效匹配等。通过实海况测试及时发现问题破解原因，并在优化中得以解决，提高装置的适应能力。

3.3 关键问题

3.3.1 低波高启动问题。本装置采用采能器作为能量采集的第一步，波浪高度不够可能导致无法驱动采能器工作，所以必须设置和验证最小启动波高，使装置在适当波高的海域中正常工作。

3.3.2 抗台风破坏问题。通过将装置整体下潜脱离海面以避免台风的破坏。

3.3.3 抗斜浪对结构的扭曲问题。结构在遇到斜浪时，耦合件会发生扭曲，为解决此类问题，耦合件截面设计成封闭圆管结构，以抵抗采集单元横摇导致的耦合件扭曲问题。本装置设计为最大限度地追求纵摇，在海上工况下允许其最大限度地横摇，以最大限度地释放斜侧浪对装置的冲击，提高装置的安全性。

4 结语

波浪发电装置的研究与试验面临的首要问题就是如何抵御海上恶劣的环境，以保障发电设备的安全。通过本项目的研究，综合考虑海上多种不利因素，设计较为科学与合理的发电装置，在避免装置损坏的前提下，稳定进行电力输出。项目组对该结构的波浪能装置已初步进行多次仿真分析，下一步，课题组将进行多次模型实海况试验分析，充分验证波高、采能器的有效运动量与液压发电机输出之间的关系。在大量仿真及实验的基础上，召集船舶设计专家及相关专业专家进行详细论证与结构设计，研制出直列漂浮式波浪能发电装置，并提高装置的抗风浪破坏能力，稳定发电。

作者简介：吴涛（1981-），男，安徽寿县人，连云港市海域使用保护动态管理中心科长，中级工程师，硕士，研究方向：海域管理与海洋技术。