实海况下“海院1号”波浪发电平台浮筒取能效率研究

吕　沁，李德堂，李达特，唐文涛，曹伟男（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山　316022）

实海况下“海院1号”波浪发电平台浮筒取能效率研究

吕沁，李德堂，李达特，唐文涛，曹伟男
（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022）

取能效率是衡量波浪发电平台浮筒水动力性能的重要指标。本文通过“海院1号”波浪发电平台在实海况下的测试数据，分析水深、系统压力以及波浪因素对浮筒取能效率的影响。期望试验结果可为“海院1号”波浪发电平台的进一步优化提供帮助，也为相关波浪能研究人员提供技术支持。

波浪能；浮筒；取能效率；“海院1号”；试验

能源是人类社会存在和繁荣的物质基础之一。随着工业社会的不断发展，化石能源日益短缺，能源问题逐渐成为世界性问题［1-2］。21世纪，随着温室效应、环境污染、能源短缺等问题的持续恶化，人们开始把越来越多的目光聚集在具有可再生、无污染的海洋清洁能源上，波浪能的开发利用逐渐成为热点［3］。随着我国政府在十八大上提出“大力发展海洋资源”的政策，更是让波浪能为主的海洋清洁能源的发展迎来了前所未有的契机。

“海院1号”是由国家海洋局海洋可再生能源专项资金项目支持，浙江海洋学院船舶与海洋工程学院独立自主研发设计的自升式点吸收式波浪发电平台，如图1所示。该波浪发电平台主要由支撑平台、3组波浪能收集模块、液压系统和电力输出系统组成，其主要结构如图2所示，浮筒以桩柱为导向，上端装有2只波浪板，每只波浪板通过带有滚轮的群组油缸相配合。平台选取的发电浮筒是一个旋转体，以下简称浮筒一，其形状如图3所示。它的结构可以简单的分为两部分，上半部分是一个直径为3 200 mm，高度为625 mm的圆柱体，下半部分是一个类似于半球的曲面，高度为835 mm。浮筒内部有一些加强结构。

本文将根据“海院1号”波浪发电平台在实海况下的试验数据，分析水深、系统压力、波浪因素对浮筒取能效率的影响。

图1　“海院1号”波浪发电平台Fig.1　"Haiyuan 1"wave power generating platform

图2　“海院1号”波浪发电平台整体结构Fig.2　The overall structure of"Haiyuan 1" wave power generating platform

图3　“海院1号”波浪发电平台浮筒Fig.3　The buoy of"Haiyuan 1"wave power generating platform

1　计算方法

1.1波浪能量的计算

实海况下波浪能量［4］的计算可以通过（1）式得到：

式中ρ 、g 、T分别为海水密度、重力加速度、波浪平均周期，H1/3为有义波高（最大三分之一波高的均值），cg为波速（浅水条件下等于，d为水深），Aω为浮筒的水线面面积。

由于实海况下波浪具有很大的随机性，不规则特点非常明显，因此本文将采用上跨零点法来处理波浪，得到平均周期T和有义波高H1/3。

上跨零点法取平均水平面为零线，把波面上升与零线相交的点作为一个波的起点。波形不规则的振动降到零线以下，接着又上升，再次与零线相交，把这一点作为该波的终点（即下一个波的起点）。本文实海况试验的波浪图中，横坐标轴都表示时间，则两个连续上跨零点的间距便是这个波的周期，上下振幅是波浪的波高，如图4所示。

图4　上跨零点法Fig.4　The method of up across the zero point

1.2浮筒输出功率的计算

“海院1号”波浪发电平台浮筒的输出功率［5］可以通过（2）式计算：

式中t为浮筒的运动总时间，FPTO为液压阻尼力，可有式（3）计算得到，L有效行程为t时间内液压活塞运动的距离，其值等于浮筒运动的距离，由于“海院1号”波浪发电平台液压系统为双向活塞系统，即浮筒的上下运动都为有效行程，可由下文的浮筒运动曲线得到。

式中k为系统压力，其值大小可以通过平台液压系统人为控制；A为活塞面积，其设计值为100 cm2。1.3浮筒取能效率的计算

浮筒取能效率为浮筒输出功率与波浪能量的比值［6］，也称为一级转化效率，其值由式（4）计算：

2　试验内容

试验在“海院1号”波浪发电平台上进行，主要记录不同海况下波浪与浮筒的运动，进行控制变量分析，得到实验结果。实验前，为了测量波浪数据，我们采用浮标预测波浪的传统方法，自行制造组装一套装置进行测量，如图5（a）所示。该套装置由YF-YJ50激光位移传感器、计算机终端、滑竿和浮标组成，通过位于滑竿上的激光位移传感器记录下方浮标的运动，得到波浪的运动振幅与周期，并得到运动曲线图。“海院1号”波浪发电平台的浮筒与波浪板相互连接，如图2所示。在测量浮筒的运动时，只需将YF-YJ50激光位移传感器固定于波浪板上，通过测量波浪板的运动，可以预测浮筒的运动，得到浮筒运动曲线图。试验中，为了保证浮标与浮筒的波浪因素相同，只要浮标安放地点与测试浮筒中心的连线和波浪的入射方向垂直即可，并保持浮筒与浮标相隔位置较远，防止相互间影响引起的误差。测试时，必须保证浮筒与浮标同时刻测量。其中本文所涉及到的浮筒为平台最外侧的一个浮筒，浮筒吃水为0.835 m。试验场景如图5

（b）、图5（c）所示。

图5　试验图片Fig.5　The picture of experiment

2014年4月20日，“海院1号”波浪发电平台在浙江省舟山市朱家尖东沙海域进行了实海况试验，测试海域水深在2.5m左右，属于浅水条件。在本次试验中，重点选取具有分析价值的六个海况的数据进行分析，探究浮筒取能效率的影响因素，海况条件如表1所示。其中，系统压力通过平台人为调节，测试时间选取一长段测试中波浪条件较为平稳的80秒。

表1　试验海况Tab.1　The sea conditions of experiment

图6～图17分别是No.1～No.6六个海况下的波浪运动曲线图和“海院1号”波浪发电平台浮筒运动曲线图。通过本文的计算方法对下列各图以及相关数据进行处理与计算，得到每个海况下的浮筒取能效率。

图6　No.1波浪运动曲线Fig.6　The motion curve of wave in No.1 sea condition

图7　No.1浮筒运动曲线Fig.7　The motion curve of the buoy in No.1 sea condition

图8　No.2波浪运动曲线Fig.8　The motion curve of wave in No. 2 sea condition

图9　No.2浮筒运动曲线Fig.9　The motion curve of the buoy in No.2 sea condition

图10　No.3波浪运动曲线Fig.10　The motion curve of wave in No.3 sea condition

图11　No.3浮筒运动曲线Fig.11　The motion curve of the buoy in No.3 sea condition

图12　No.4波浪运动曲线Fig.12　The motion curve of wave in No.4 sea condition

图13　No.4浮筒运动曲线Fig.13　The motion curve of the buoy in No.4 sea condition

图14　No.5波浪运动曲线Fig.14　The motion curve of wave in No.5 sea condition

图15　No.5浮筒运动曲线Fig.15　The motion curve of the buoy in No.5 sea condition

图16　No.6波浪运动曲线Fig.16　The motion curve of wave in No.6 sea condition

图17　No.6浮筒运动曲线Fig.17　The motion curve of the buoy in No.6 sea condition

3　试验结果分析

3.1试验结果

通过计算，试验结果如表2及图18所示。

表2　试验结果Tab.2　Results of experiment

3.2试验结果分析

表2与图18所示为“海院1号”波浪发电平台实海况试验结果。其中，根据No.3、No.4和No.5我们可以发现，当水深都为2.52 m，波浪相近的情况下，系统压力从1.5 MPa变化到2.0 MPa，取能效率也随之从24.7%变化到42.8%，变化幅度明显，说明浮筒取能效率受到系统压力影响较大；根据No.1、No.2和No.4以及No.1、No.6可以得到，当系统压力同为1.8 MPa，波浪相近的情况下，在试验的浅水条件中，随着水深从2.17～2.60 m小幅度增加，浮筒取能效率并无特别明显的规律可循；根据No.1、No.2、No.4、No.6我们可以发现，在其他条件相同的情况下，由于No.1、No.6的有义波高、周期大于No.2、No.4的相应值，引起前者的取能效率明显增大，达到46.1%和45.4%，说明浮筒取能效率受到波浪周期、波浪高度的影响显著；根据浮筒的运动曲线图与试验结果也可以发现，浮筒运动中的脉冲性将降低浮筒的取能效率，其中No.1、No.6在波高较大的情况下，脉冲性较其他组有所降低，取能效率较大。

图18　试验结果Fig.18　Results of experiment

4　结论

在实海况下开展“海院1号”波浪发电平台的试验，对浮筒的取能效率进行了详细的分析研究，根据试验结果可以得出以下结论。

（1）浮筒的取能效率受到波浪发电平台系统压力的影响比较大，在不同的海况下寻找一个最佳的系统压力可以使浮筒取能效率最大化。

（2）由于浮筒的尺寸比较大，在波浪振幅较小的情况下，浮筒取能效率受到本身重量、体积的影响较大，取能效率普遍一般。在波浪振幅比较大的情况下，浮筒取能效率较好。

（3）在浅水条件下，浮筒取能效率受到水深变化的影响不明显。

（4）“海院1号”波浪发电平台在波浪良好、系统压力恰当的条件下，浮筒的取能效率可以稳定在40%左右，效果良好。

［1］JEBARAJ S，INIYAN S，SUGANTHI L，et al.An optimal electricity allocation model for the effective utilization of energy sources in India with focus on biofuels［J］.Management of Environmental Quality，2008，19（4）：480-486.

［2］刘美琴，郑源，赵振宙，等.海洋能利用的发展与前景［J］.海洋开发与管理，2010，27（3）：80-82.

［3］李广年，吴卫国，谢永和，等.竖轴潮流能水轮机水动力性能水池试验分析［J］.中国造船，2014，55（1）：143-148.

［4］张亮，李云波.流体力学［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006.

［5］Li Date，Li Detang，Li Fei，et al.Analysis of floating buoy of a wave jack-up platform Haiyuan 1［J］.Advances in Mechanical Engineering 2013，Article ID 105072：7.

［6］孙玉健.振荡浮子式波浪能发电装置浮子的水动力学仿真［D］.青岛：中国海洋大学，2013.

Study on Energy Harvesting Efficiency for Wave Power Generating Platform Buoy of“Haiyuan 1”in Actual Sea Conditions

LV Qin，LI De-tang，LI Da-te，et al
（Ship and Marine Engineering School of Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

Energy harvesting efficiency is an important indicator as to measure the buoy hydrodynamic performance of wave power generating platform.In this paper，through the experimental data of"Haiyuan 1" wave power generating platform in the actual sea condition，we will analyze the influence of energy harvesting efficiency caused by the depth of the water，the system pressure and wave factors.Through this paper，we hope that the experimental results will help to optimize"Haiyuan 1"wave power generating platform as well as provide wave energy researchers with technical support.

wave energy；buoy；energy harvesting efficiency；“Haiyuan 1”；experiment

TK79

A

1008-830X（2015）04-0362-05

2014-10-30

国家海洋局海洋可再生能源专项资金项目（ZJME2011BL04）；上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金资助项目（1205）

吕沁（1990-），男，浙江余姚人，硕士研究生，研究方向：波浪能开发.E-mail：812514014@qq.com

李德堂（1965-），男，教授级高工.E-mail：lidetang2008@163.com