近岸式波浪发电装置研究

2013-10-21韦家础李德堂

浙江海洋大学学报(自然科学版) 2013年3期

韦家础，李德堂

(1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山 316004；2.浙江国际海运职业技术学院，浙江舟山 316021）

海浪能使巨轮上下颠簸，也能把巨石推到岸上，甚至能够瞬间摧垮岸堤，可见波浪里蕴藏着巨大的能量。波浪的成因除了风，还有浪涌和洋流，波浪能具有能量密度高、分布面广等优点，与石化燃料相比，它是一种取之不竭的可再生清洁能源。尤其是在能源消耗较大的冬季和夏季，可以利用的波浪能能量也最大。例如，英国沿海、美国西部沿海和新西兰南部沿海等都有着特别好的波候。

1 波浪能的储量与研究现状

1.1 波浪能的储量

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。实际海洋中的波动是一种十分复杂的现象，最低近似可以把实际的海洋波动看作是简单正弦波或正弦波的叠加，而简单波动的许多特性可以直接应用于解释海洋波动的性质[1]。平面正弦波浪在垂直于其传播方向的单位面积上的能量流为:

积分式(1.1)，则有

单位时间在传播峰面单位宽度上的能量传播P(kW/m)为:

波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪在传递过程中会存在一些耗散,到达近岸的能流仍然相当可观。我国有广阔的海洋资源，浙江、福建、广东和台湾等沿海地区具有较丰富的波能。波浪能清洁无污染，再生能力强，波浪发电得到了国家相关政策的鼓励和扶持，投资前景良好。

1.2 波浪能的研究现状

国外对波浪能利用的研究开展得较早，取得了一些成果。英国于2000年在苏格兰艾莱岛建造额定功率为500 kW的岸基式波浪发电站[2]。

目前可供利用的波浪能资源仅局限于靠近海岸线的地方，大洋中的波浪能从技术上目前还难以提取利用。但即使是这样，据估计全世界可开发利用的波浪能达2.5 TW。波浪能利用的主要方式是发电，此外，还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。除了风能，波浪能的开发利用同样值得重视。小功率的波浪能发电，已在导航浮标等取得成功并推广应用,大功率的波浪能发电尚在研究试验。利用波浪发电为我国沿海地区尤其是一些不方便输电的海岛开发服务，形成竞争力后也可用于出口，因而具有重大的研究意义。

2 波浪发电装置的分类与比较

2.1 根据安装地点分类

从安装地点来看，波浪发电装置有漂浮式和固定式。漂浮式可选址范围较大、制造难度较小、潮位适应性好，但输电线路较长，且若遇到大浪，其结构件、锚泊装置、输电电缆容易受到破坏，适用于类似导航浮标和波浪发电舶这样的孤立场所；固定式又可分为离岸式、近岸式和岸线式，其中离岸式固定于海底，优点是周围的波浪能流大，但输电成本高、管理难度大；近岸式和岸线式距离陆域不远，优点是输电成本低，便于管理，若选址和装置设计得当，可获得较高的能量转换效率，缺点是能流密度比离岸式小。

2.2 根据接受体结构分类

从接收体的结构形式来分类，有点头鸭式、振荡水柱式、摆板式和浮子式等等，下面具体比较分析这几种方式的特点。

（1）点头鸭式

点头鸭式波浪能转换装置的形状和运动特性类似于鸭子的运动而得名，在理想的规则波作用下，与其它形式的转换装置相比，其转换效率最高，可达90%。曾受到人们的长期重视,但在非规则波的作用下，其转换效率则低很多，且由于存在有水下活动部件，在风浪袭击下稳定性略差,实际的应用较少,没能得到推广。

（2）振荡水柱式

振荡水柱式波浪能转换装置采用竖井结构，底部与海水连通，波浪使竖井中水面振荡，压缩竖井内的空气，将波浪的能量传给空气透平发电。存在的缺点是能量转换效率低，气室多为钢筋混凝土结构，水下施工困难，建造费用昂贵等。

（3）摆板式

摆板式波浪能转换装置的主体是放置于海面随着波浪前后摆动的摆体，将波浪能转换成摆体的动能,与摆体相联的通常是一套液压系统，摆体驱动液压油缸伸缩将其动能转换成液压能，再通过液压马达带动发电机发电。此方式在工艺上转轴宜置于水面以上，而摆板悬垂于水中，这在理论上导致摆质点的线速度上小下大，而与波质点线速度上大下小相矛盾，因此效率变差[3]。摆板式电站与振荡水柱式同属于岸线式，受地形影响，波浪能流密度由于水深的限制远低于离岸水域；且其导波水道系混凝土浇筑而成，土建工程量大费用高。

（4）振荡浮子式

振荡浮子式波浪能转换装置的原理是将浮子放置于海面随波上下振荡，由于受波体与波浪直接接触获能，因此能量转换效率较高[4]。其发电方式有两种：一是让振荡浮子通过缆绳或齿条齿轮机构驱动电机发电，但所发的电不稳定，需要经过蓄电、整流、逆变成电压和频率稳定的交流电才能使用；二是让振荡浮子驱动液压缸将其动能转换为液压能蓄存，并通过流体技术控制油马达驱动发电机稳频发电。在当代技术条件下，与电池相比，液压蓄能器的优势在于贮存能量既多又快、相同功率容量下成本低、体积小、能够平缓压力冲击从而获得较为平稳的运动，即适于浪大时多蓄能,浪小时多放能；也适于用电低谷时（如夜间）蓄能少发或不发电、待用电高峰时放能多发电,这种蓄能发电的方式恰好与现时社会生活推崇的峰谷用电较为合拍，且振荡浮子式仅需导柱导向,土建工程费用低,能够降低单位发电成本,值得进一步深入研究。

浮子式波浪发电方式与其它方式一样，也面临潮位影响问题，海面潮涨潮落是普遍的现象，例如浙江沿海就属于我国强潮海区，潮差普遍较大，平均潮差约4 m左右。波浪发电装置也将面临潮位的影响，为避免波浪能接受收体悬空或没入水下造成不能随波振荡，其位置高度最好能够随潮位调节。在浮子发电方式中常规的做法是将一导柱打桩竖立于海床，浮子中间开孔，套装在导柱外周（图1），浮子沿着导柱随潮位变化振荡发电。但时间一长，水面之下的导柱在表面保护层被磨掉之后会出现锈蚀，同时海洋生物和污泥也容易附着在导柱上，导致浮子卡死而停止工作，需研究改善。浮子式波浪发电方式面临的第二个问题是，目前的实验研究中浮子大都采用球状或桶状，受波浪波长所限直径不能做得很大，单个浮子的发电功率普遍较小，需设法进一步提高。

图1 浮子-导柱Fig.1 System of buoy and guiding pole

图2 摇杆式浮筒受波机构Fig.2 Sway-buoy mechanism

3 新型摆杆式浮筒受波机构研究

波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。波浪发电关键技术是能量转换装置，包含波浪能量接收体和转换发电机组，装置的安装选址和结构原理将影响到波浪能利用的效率。针对这些情况，本文首次提出了一种近岸新型摆杆式浮筒受波机构(图2)，除了横置的浮筒之外，运动机构不与海水直接接触，提高了可靠性；当潮位涨落，浮筒随潮位上下移位振荡，潮位适应性好；浮筒长度可根据海浪实情加长以增加受波宽度和发电功率。

海洋中基本上不存在稳定有规律的波浪，故波浪浮筒驱动油缸产生的液压压力、流量脉动大，若直接用于驱动液压马达，马达-发电机组的转速和频率将不稳定。为了用电设备可靠工作，需进一步采取措施稳速稳频，如图3所示。

图3中如果让电磁阀9（左）通电，则选取了蓄能器10（左）先工作，10（右）为备用。油缸排出的高压液压油一边由该蓄能器10（左）平缓脉动；同时经比例流量阀12驱动马达-飞轮－发电机组13，机组13的实际转速由传感器检测并转换电流信号n1，将给定转速信号n0以正值输入比例积分调节器，实际测量转速以负信号输入（见图4），这两个转速值之差为偏差u，则PI调节器的输出信号UO为：

图3 液压原理图Fig.3 Hydraulic system

图4 PI电子调节器Fig.4 PI electronic regulator

刚启动时，机组13的实际转速n1为0，与给定转速n0存在较大偏差u，PI调节器的输出一个较大的调节信号UO，比例阀12的开度和流量加大，机组转速和频率将增大，升到给定值，偏差u降为0，调节信号UO降为0，比例阀12的开度不再调节，转速和频率维持不变；如果转速高于给定值，则作相反的调节，马达的转速基本稳定。当用电量增大（或减少），会导致机组13转速下降（或增加），调节过程同上，基本能够保证发电机的交流电频率变化在±1%以内,达到供电要求。飞轮起惯性环节的作用，可避免调节过于频繁。若用电量大，蓄能器10（左）放能过多，压力传感器11（左）检测到的压力降至下限值，则监控的PLC发出指令，电磁阀9（右）通电开启，9（左）停电,由备用的蓄能器10（右）供油；若用电少，比例阀12开度自动调小，高压油充入各个蓄能器贮能。

普通发电机一般都带有电压调节器（也可以单独设置），用来检测调节发电机电压，若低于额定值，则调高励磁电流，增加磁通调高电压，反之则调低，从而使电压稳定。本机组还可以与其它机组并联运行，并车前将给定值n0稍调高，使频率略大于额定频率，然后捕捉同相位点，将连接电网的主开关合闸，负载转移后即可完成并网。

台风来临之前，利用液压千斤顶将摇杆和浮筒压入水中停止发电，潜水防台，台风过后把浮筒放回就可以继续工作了。