波浪发电平台定位系统研究综述*

郑松根，何宏舟，3

（1．集美大学福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术研究中心 厦门 361021；2．集美大学福建省能源清洁利用与开发重点实验室 厦门 361021；3．集美大学机械与能源工程学院 厦门 361021）

波浪发电平台定位系统研究综述*

郑松根1，2，何宏舟1，2，3

（1．集美大学福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术研究中心 厦门 361021；2．集美大学福建省能源清洁利用与开发重点实验室 厦门 361021；3．集美大学机械与能源工程学院 厦门 361021）

围绕波浪发电装置的定位需求，以现有海洋平台的定位技术为参考，介绍波浪发电平台的3种主要定位系统的结构形式及其应用实例，并针对各种定位系统的特点提出波浪发电平台定位系统选择的一些建议。

波浪发电；定位系统；垂直导桩；悬链线；张紧索

海洋波浪能是一种储量大、分布范围广的可再生能源，其开发利用适应了国家海洋发展战略的需求。波浪发电是波浪能利用的主要方式之一，具有为远离电网的海上装置和孤岛提供电力的特殊作用［1］。波浪发电装置一般要求安装在离岸式浮体平台上，波浪发电浮体平台的定位系统对于维持平台的稳定性具有至关重要的作用，而平台的稳定则有利于保障装置的正常运行和人员与设备的安全。

当前的波浪发电平台定位系统主要参考3种海洋平台定位系统：垂直导桩系统、悬链线系泊系统和张紧索系泊系统。本研究将分别阐述这3种定位系统的结构形式及其在波浪能发电中的应用案例，同时结合波浪发电平台的采能方式和稳定性需求，总结波浪发电平台系泊系统的主要特点，并给出波浪发电平台定位系统选择的一些建议。

1 垂直导桩系统

垂直导桩系统是将浮体安装在垂直导桩上，用桩固定于海底的一种平台定位系统。如图1所示为具有8根桩柱的平台垂直导桩系统［2］俯视图。垂直导桩系统要求桩柱能承受较大的水平力，能很好地限制浮体的水平运动和转动；但为了保证桩柱有足够的水平强度，需要将桩柱打得很深，所以垂直导桩系统一般只适用于浅水海域，而且对于海底地质条件要求较高。

图1 垂直导桩系统

垂直导桩系统结构形式包括有：单桩式结构、重力式结构、吸力桶式结构、三角架结构和导管架结构（图2）［3］。

1.1 单桩式结构

如图2（a）所示，单桩式结构是利用单根钢桩连接平台与海底的结构。钢桩的安装一般采用打桩或钻孔的方式，安装的深度依据海底地质条件而定，一般适用于水深30 m以内的海域，不适应有巨大岩石的海底。这种形式结构简单，对水深变化和海水活动区域适应性好，但是对震动敏感，需采用较大的直径（6 m左右），对设计和施工的要求较高。

1.2 重力式结构

如图2（b）所示，重力式结构是将桩柱下端固定在混凝土基础上，上端与发电平台连接，依靠自身钢筋混凝土基础的重量锚定于海底，从而实现对平台的定位。这种结构建造简单，成本低，但是体积庞大，只适用于10 m以内的水深。而且该结构不适用于软基海底，在安装前需要对海底进行处理，容易受到冲刷和破坏。

图2 垂直导桩系统的5种结构形式

1.3 吸力桶式结构

如图2（c）所示，吸力桶式结构上部是钢柱，下部是一个负压桶，负压桶通过带有加强筋的剪切板连接到中心钢柱上，剪切板将钢柱的载荷平均分配到桶壁上并传入基础［4］。负压桶类似于一个倒扣的水桶，桶顶部与钢柱连接处有一个抽水口。安装时，桶口朝下，先在抽水口处接一根管子用泵将桶内的水和泥浆抽出，使桶内形成负压，再利用结构自重和海水的压力将桶压入海床中，直至桶的顶部接触海底时停止抽水，关闭抽水口，完成安装。这种结构适用于25 m以内水深，要求海底为砂性土或者软黏土，安装施工费用较高，应用较少。

1.4 三脚架结构

如图2（d）所示，三脚架结构采用3根桩柱通过两组三角形钢架和中心立柱相连接，中心立柱上端便可安装发电平台。三脚架结构由于采用稳定的三角形架构，其刚度要大于单桩结构，使用水深均在20 m以上，而且中心立柱可以通过调整3根桩柱之间的位置保持垂直，桩柱的直径只需0．8～2．5 m［5］，远小于单桩直径，施工安装更为容易。当三脚架桩柱的强度不够时，可以采用增加桩柱的方法来提高强度，保证系统的安全。

1.5 导管架结构

如图2（e）所示，导管架结构采用4个桩基，桩基以上部分为0．5～1．5 m直径的导管搭接而成，整个形式类似于石油钻井平台。导管架结构的刚度和稳定性更好，桩基直径为0．8～2．5 m，其适用的水深范围为20～50 m，是所有垂直导桩系统中适用水深最大的结构。这种结构的缺点是构造复杂，需要耗费大量的钢材，建造成本也是所有系统中最高的。

1.6 垂直导桩系统在波浪发电平台中的应用

如图3所示，垂直导桩系统在波浪发电平台中的一个应用案例便是麦克卡伯水波泵装置（McCabe Wave Pump）［6］。该装置由爱尔兰的皮特·麦克卡伯开发研制，浮体部分由3个钢质浮桥铰接在一起，中间的浮桥上安放泵式结构并保持固定，两侧浮桥在波浪作用下做俯仰运动，运动产生的动力通过液压泵装置驱动水轮机工作发电。

目前，该装置已经在爱尔兰香农湾安装运行。其定位便是依靠连接在中间浮桥下的4根单桩固定于海底来实现的，其中单桩底端预先设置了一个阻尼板以减轻桩柱的震动。

2 系泊系统

系泊系统是指通过索链将海洋平台或浮体与固定于海底的锚固装置相连接，以实现平台（浮体）定位并维持其稳定性的系统。系泊系统一般由3部分组成：系泊缆索、连接器和锚固装置［7］。系泊缆索上端连接到平台主体，另一端通过连接器与锚固装置相连。调节系泊缆索预张力使其呈现不同的几何形态，据此可以把系泊系统分成悬链线系泊系统和张紧索系泊系统。

2.1 悬链线系泊系统

图3 麦克卡伯水波泵（McCabe Wave Pump）装置及其桩固系统

悬链线系泊系统是传统的展开式系泊系统，其系泊缆索呈悬链状，平台（浮体）通过悬垂的缆索与海底的锚固装置相连，缆索的底端有一段水平卧底段以保证锚抓力。悬链的重力和锚抓力为平台提供回复力，限制平台的移动范围以实现其定位。该系统通常只适用于1 km内水深［8］，当水深超过1 km时，悬链太长使得系统的系泊半径过大，悬链的重力也增加了平台的负载，导致设计施工变得复杂，成本剧增。

悬链线系泊系统根据波浪发电平台系泊点数的不同，可以分成单点系泊和多点系泊。

2.1.1 悬链线单点系泊系统

单点系泊，指平台（浮体）通过缆索与单个系泊点联结，从而随着风浪与水流等的变化，可以围绕单个系泊点自由回转，不断处于风、浪、流的合成阻力最小位置的系泊方式。悬链线单点系泊使得平台具有很高的运动自由度，但是平台的漂泊半径相应变大，时常会随着风、浪、流的作用而改变位置。同时单个锚固装置受力集中，容易发生走锚或缆索断裂的风险。

单点系泊包括单链单点系泊、单链浮筒系泊和多链浮筒系泊。

单链单点系泊是将固定于海底的锚爪（或锚块）通过一根系索直接系住浮体平台［9］。单链浮筒系泊原理如图4所示，是将浮体通过系索与浮筒联结，再将浮筒用单锚链锚固于海底。多链浮筒系泊则是浮筒采用多链锚固于海底的形式（图5）。

图4 单链浮筒系泊

图5 多链浮筒系泊

2.1.2 悬链线多点系泊系统

多点系泊是指平台（浮体）不同位置通过缆索同时与多个系泊点连接（图6）。采用多点系泊会使得平台的漂移、偏荡幅度较小［10］，平台的运动自由度受到一定程度的限制。多点系泊使得平台稳定性更好，但是抗大风浪能力较弱，一般用于风浪较小的海域［11］。

多点系泊系统系泊点数在两个以上，多的可以达到十几个。其系泊点的布置方式如图7所示。对于两点系泊有一字系泊法和八字系泊法，两点以上的系泊点一般采取对称布置，也可多个缆索系于平台的同一个系缆点。

图6 悬链线多点系泊系统

悬链线多点系泊的水下链形（图8）包括交叉型和非交叉型，悬链线上可以附加重块以增大平台回复力，也可以通过增加浮块来减轻链重以减少平台的载荷。一般根据波浪发电平台的稳定性需求和发电装置的采能方式来选择具体的链形或组合。

图7 多点系泊形式

图8 悬链线多点系泊水下链形

2.1.3 悬链线系泊系统在波浪发电中的应用

日本巨鲸号（Mighty Whale）［12］波能发电装置是悬链线系泊系统在波浪发电中应用的一个案例。该装置由日本海洋科技中心开发研制，其发电原理是利用振荡水柱抽排气室内空气，通过空气流动驱动涡轮机带动发电机发电。该平台的系泊系统采用多点系泊（图9），右侧有3个系泊链，按照稳定性需求，左侧结构应与右侧对称，则该平台共采用6个系泊缆索，每根悬链上附加两个重块以增大平台回复力和稳定性。

图9 “巨鲸”号波能发电装置及其系泊系统

悬链线系泊系统在波浪发电的另一个应用案例便是“海蛇”波能装置（Pelamis）［13］。如图10所示，该装置由多节钢制圆柱浮筒铰接而成，单节浮筒随波浪上下左右各自运动，驱动液压装置进行蓄能。该系统采用两点一字系泊，锚系点分别位于发电装置的第一节和第三节浮筒处，水下链形为非交叉悬链形。该装置由英国人率先开发，目前已经通过测试，并在美国和葡萄牙等国家投入商业化运行。

图10 海蛇波浪发电装置及其系泊系统

2.2 张紧索系泊系统

张紧索系泊系统的系泊缆索呈张紧状态。该系统利用张紧的缆索与海底锚固装置联结，平台在缆索作用下吃水增大使得平台所受的浮力大于自重，多余的浮力便由缆索的张力进行平衡，缆索张力同时也为平台提供回复力［14］。张紧索系泊系统的垂直方向为刚性，水平方向虽为柔性，但是其运动范围受到一定的限制。张紧索系统的锚固装置往往要承受极大的向上拉力［15］，因此需要采用特殊的锚固装置。此类系泊系统在深海平台上应用居多，大多用于1 000～3 000 m深的海域，其典型的结构型式便是张力腿平台和spar平台（图11）。

图11 张紧索系泊系统

目前，张紧索系泊系统在波浪发电平台上的应用案例主要有中国海洋大学研究的蝶形越浪式波能发电装置［2］和英国的复合振荡水柱装置［16］等。蝶形越浪式波能发电装置的系泊系统共有6个系泊点，分置于正六边形的6个顶点，其锚固装置采用重力式混凝土块（图12）。复合振荡水柱装置的系泊系统类似于spar平台，采用两根张力缆索进行定位（图13）。综合以上两类装置可以发现，采用张紧索系泊的发电平台，平台水线以下需有比较大的浮体排水体积以平衡系索张力，防止发生系索松弛的现象。

图12 蝶形越浪式波能发电装置系泊系统

图13 复合振荡水柱装置

2.3 系泊缆索

典型的系泊缆索有钢链、钢索和合成纤维绳3种。

钢链是由许多钢制链环连接而成，链环分有挡链环与无挡链环两种。根据钢材公称抗拉强度不同，钢链分成5个等级，常用的为二级和三级钢锚链。钢链具有质量大、强度高、耐磨损、延伸率低等特点［8］。

钢索是由钢丝组成，它先由若干根钢丝捻成股，再由若干股围绕芯（钢索的中心构件叫做芯，它可以是一股钢丝芯或一股纤维芯）捻成绳。钢索的特点是制造成本高、同等强度下质量小、易磨损等。

合成纤维绳的材料通常有聚酯纤维、高强聚乙烯、芳香族尼龙等，其中以聚酯纤维应用最广，其结构形式有股绞式、打辫式、编织式和平行纱式。合成纤维绳耐磨损、耐腐蚀、质量轻，但强度比等径钢索小。

在传统的悬链线系泊系统上钢链应用最多，在水深较大的系泊系统中则采用钢索或者纤维绳替代部分悬垂钢链的混合方式。对于张紧索系泊系统，大多采用钢索或合成纤维绳作为主要系泊缆索，且合成纤维绳在大水深系泊系统上的应用越来越广泛。

2.4 锚固装置

锚固装置的种类较多，按其结构和用途不同，可将锚设备分为有杆锚、无杆锚、大抓力锚、特种锚、法向承力锚、桩锚、负压锚和重力锚等［17－18］。

有杆锚、无杆锚一般为船用锚；大抓力锚在大型平台或者大型船舶的悬链线定位系统上应用较多；特种锚多用于浮筒、浮标、船坞等永久性系泊系统；法向承力锚、负压锚、重力锚则主要作为海洋平台张紧式系泊系统的锚固装置；桩锚适用于海底较为坚固、水深较浅的系泊系统。

在波浪发电平台设计选型的过程中，应根据系泊系统的要求和海底土壤的具体情况选择合适的锚固装置。

3 各种波浪发电平台定位系统的特点

垂直导桩系统的特点是稳定性好，能较好限制平台水平方向的移动和转动，浮体运动以垂荡为主，能防止断链和走锚的事故发生；但是其设计安装成本高，随着水深增加成本大幅增加，故只适用水深较浅的海域。该类系统一般设备巨大、对海底地质有较高要求，运输和施工困难；另一方面由于系统大大限制了浮体的运动自由度，使得导桩的水平力很大，容易破坏。基于垂直导桩系统的特点，固定式波浪发电平台或者需要高稳定性的波能装置大多采用该方式，但是成本是限制该类定位系统发展的主要因素。

悬链式系泊系统适用海洋深度范围广，可以达到1 000 m，浮体自由度好，对于需要大自由度的波能装置有较好的应用前景，此外该系统还有受海底地质条件限制小、施工简单、成本低、可重复使用等优点。但该类系统也存有一些缺点，包括：浮体存在6个运动自由度，较不稳定；当水深1 000 m以上时，锚链的延长使得浮体漂荡范围变大，悬链线与浮体夹角变大，回复力不能满足要求，不能起到很好的定位作用；同时由于锚链的重量增加，还相应地减少了浮体可变载荷；有断链和走锚的风险；随着水深增加，该种系泊方式造价亦增加明显。

张紧式系泊系统在水平方向是柔性的，在竖直方向是刚性的。与悬链式系泊系统相比，浮体具有波浪中稳定性高、抗恶劣环境作用能力强、平台回复力大、可变载荷大、节约材料、系泊半径小、造价不随水深显著增加等优点。但是缺点亦是显而易见：①对重量变化敏感，有效载荷的调节有限制，在大波高的状况下，平台载荷过大容易产生系泊索松弛现象。②自由度没有悬链式好，对于某些波能装置有限制。③受潮汐影响，该类系统在较浅海域不适用。

4 结论

在波浪能开发的过程中，结合成本因素考虑，不同的波浪发电方式要采用不同的平台定位系统。以成本为首要条件，一般不采用垂直导桩方式。只有当发电平台需要极高稳定性而自身的稳定能力不足，或者发电装置只是利用平台的附属设备进行采能，且在浅海应用时，才宜于采用垂直导桩定位系统。

对于平台本身需要多自由度运动，并且能够多个方位采集波浪能量的发电装置采用悬链线系泊系统比较合理；对于浮体自身稳定性好，且应用海域深度不是很大的情况，由于设计施工简单一般也可以采用悬链线系泊系统。

对于应用于大水深环境且需要浮体具有较高的稳定性，特别是需要一定的垂直方向刚度的发电平台，采用张紧索系泊方案最佳。

［1］ 曲全铀，何宏舟．波浪能发电技术的发展现状与展望［C］／／长三角清洁能源论坛委员会．第八届长三角能源论坛论文集，上海：长三角能源研究会，2011：152－156．

［2］ 刘栋．碟形越浪式波能发电装置锚固系统设计研究［D］．青岛：中国海洋大学，2011．

［3］ LESNY K，WIEMANN J．Design aspects of monopiles in German offshore wind farms［C］／／Frontiers in Offshore Geotechnics，Perth，Australia：Taylor＆Francis：2005：383－389．

［4］ 王人凤．三浮体式海上风电基础结构响应分析［D］．镇江：江苏科技大学，2012．

［5］ 葛沛．海上浮式风力机平台选型与结构设计［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012．

［6］ KRAEMMER D R B，OHL C O G，MCCORMICK M E．Comparison of experimental and theoretical results ofthe motions of a McCabe wave pump［C］／／The Fourth European Wind Energy Conference．Aalborg（Denmark）：Risoe Library，2000：34－38．

［7］ 黄铭，GEORGE A A．英国波浪发电设备及其系泊系统的研究［J］．水电能源科学，2006，24（4）：37－40．

［8］ 李志海，徐兴平，王慧丽．海洋平台系泊系统发展［J］．石油矿场机械，2010，39（5）：75－78．

［9］ 白辅中．单锚链系泊稳定性研究［J］．河海大学学报，1993，21（2）：115－120．

［10］ 缪馥星，杨黎明，董新龙．多锚链系泊浮体的稳定性评估［J］．中国海洋平台，2012，27（4）：1－5．

［11］ 孙强．基于实测的浮式海洋平台系泊系统分析与评价［D］．大连：大连理工大学，2011．

［12］ WASHIO Y，OSAWA H，NAGATA Y，et al．The offshore floating type wave power device“mighty whale”：open sea tests［C］／／Proceedings of 10th International Offshore Polar Engineering Conference．Seatle，USA：IEEE，2000（1）：373－380．

［13］ HENDERSON R．Design，simulation and testing of a novel hydraulic power take－off system for the pelamis wave energy converter［J］．Renewable Energy，2006，31（2）：271－283．

［14］ 由际昆，王言英．深水半潜平台绷紧索系泊系统设计研究［J］．中国海洋平台，2009，24（1）：24－30．

［15］ 张素侠．深海系泊系统松弛－张紧过程缆绳的冲击张力研究［D］．天津：天津大学，2008．

［16］ CHUDLEY J，DAI Y M，JOHNSON F．Prolongation of the deployment and monitoring of a multiple oscillating water column wave energy device［J］．The University of Plymouth，2003（17）：23－32．

［17］ 叶明君．船舶结构与设备［M］．大连：大连海事大学出版社，2012．

［18］ 罗强．981半潜式钻井平台锚泊系统研究［D］．荆州：长江大学，2012．

国家海洋局海洋可再生能源专项（XMME2011BL02）；国家自然科学基金项目（51209104）．