自升式波浪能发电装置设计与试验研究

徐 超 石晶鑫 李德堂

（浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院 舟山316022）

引 言

波浪能是海洋能源中蕴藏最为丰富的能源之一，也是近期海洋能利用开发中研究最多的海洋能源［1］。波浪能以其分布广泛、清洁无污染、能源密度大、有规律可循、易装换等优点成为新能源家族中备受关注的一员［2］。波浪虽然只是海水质点在原地的起伏运动，但其运动能量十分巨大，据估算一平方公里海面上的波浪能可达到25万千瓦的功率。正因其蕴含巨大的能量，波浪的破坏力也大得惊人。巨浪曾将几十吨的巨石抛到岸上，也曾把万吨轮船推向海岸。如何驾驭海浪为人类造福，是人们几百年来的梦想。目前全世界有关波浪能技术的专利已超过1 500项，数十项波浪能利用技术正在开发中。有的已经进入发电应用状态，然而由于技术起步晚且仍面临一些大的难题，波浪能的应用远低于风能和太阳能，真正能经得起海浪考验的不多，不少发电装置被损坏（岸式）或沉没（船式）［3］。自升式平台由于其良好的适应性、可移动性、作业稳定性和定位能力，在海洋石油开发中得到了广泛的应用［4-5］。我们借助于自升式平台的优势和成熟的技术，将振荡浮子式波浪发电装置应用到自升式平台上，建造一座小型自升式波浪发电平台。

本文基于国家海洋局可再生能源专项资金项目“恶劣海况下自保护式高效稳定波浪发电装置”，设计了一种以自升式平台为载体的新型波浪能发电装置，可以有效地解决目前波浪能发电效率低、不稳定及成本高等不足，并且自升式波浪能发电装置的结构可靠性也得到保证。

1 自升式波浪能发电装置简介

1.1 自升式波浪能发电装置的组成

波浪能发电装置可看作一个包括三级能量的转换系统。一般说来，一级能量转换机构直接与波浪相互作用，将波浪能转换成装置的动能和势能等；二级能量转换机构将一级能量转换所得的能量转换成旋转机械的液压能；三级能量转换将旋转机械的液压能通过发电机转换成电能［2］。如图1所示，即为自升式波浪能发电装置组成图。自升式波浪能发电装置的实物图，如图2所示。

从图1和图2可以看出，在自升式波浪能发电装置中，一级能量机构是浮筒，液压油缸和蓄能器可视为二级能量机构，和其他波浪发电装置一样，三级能量机构是发电机系统。

图1 自升式波浪能发电装置组成图

图2 自升式波浪能发电装置实物图

1.2 自升式波浪能发电装置的工作原理

自升式波浪能发电装置包括浮筒、液压油缸、导向柱、自升式平台、液压油缸安装底座、蓄能库、液压控制系统和发电系统，如图1所示。

当波浪上升时，波浪推动浮筒沿着导向柱向上运动，进而带动液压油缸的活塞杆上升，使得液压油缸的无杆腔油液排出，通过液压控制系统进入高压蓄能库，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的驱动大发电机发电。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库，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地驱动小发电机发电。

1.3 浮筒的受力分析

在自升式波浪能发电装置中，浮筒与海水直接接触。大海中的波浪运动给予浮筒一定的作用力，使得浮筒随着波浪作起伏运动。这样，浮筒就从波浪中吸收了能量，海水中的波浪能转换为浮筒的势能。

本文忽略浮筒之间的相互影响，只分析单个浮筒的性能。作用在浮筒上的力包括波浪力、浮力、桩腿对浮筒的支持力、浮筒与桩腿之间的摩擦力以及液压阻尼力。其中波浪力可分解为水平波浪力和垂直波浪力。显然，水平波浪力和支持力大小相等但方向相反，因此两者的作用效果相互抵消。由于浮筒与桩腿之间的摩擦力为滚动摩擦，因此摩擦系数为0.05，该系数与水平力相乘所得数值一般很小，故摩擦力的影响可以忽略不计。所以，可以近似认为浮筒只受到液压阻尼力、浮力、重力和垂向波浪力。基于线性随机波浪理论，P-M谱和三维浮体波浪载荷频率方法［6-7］，本文采用SESAM软件进行水动力分析，浮体所受的波浪力包括两部分，二者相加得到浮筒所受波浪力：Froude krylove-佛汝德-克雷洛夫力+Diffraction-波浪绕射力。表1给出了各工况下浮筒运动响应和波浪力幅值。

为使浮筒的俘获波浪能最大，就要增大浮筒的竖向垂荡运动幅值和竖向波浪力。为使浮筒结构能够抵抗波浪的冲击力，就要减小水平波浪力。综合考虑，浮筒带有0.8 m水深配重的俘获波浪能效果最好，对应的浮筒水线面直径为3 m左右。

表1 各工况下浮筒运动响应和波浪力幅值

2 海上工程试验及结果分析

自升式波浪能发电装置安置在浙江省舟山市普陀区朱家尖镇东沙，具体所处位置为长江口与杭州湾的交汇处，如图2所示。整个试验在自升式波浪发电平台上完成，做试验5分钟，共做试验3次，任取其中两次试验的数据。

2.1 试验条件

（1）试验场地：朱家尖东沙的自升式波浪发电平台；

（2）试验主要仪器：功率200 W的白炽灯8个，功率100 W的白炽灯8个，激光测距仪，塑料泡沫浮标，雷诺液压测试仪，万能表。

2.2 试验步骤

把塑料泡沫浮标串在铁棍上，放在海平面上，让它随着波浪做起伏运动。其中一个实验人员用激光测距仪测量浮标与激光发射点之间的距离，并用电脑采集波浪数据。同时，另一个实验人员通过压力传感器和流量传感器，使用雷诺液压测试仪对液压管道系统的流量、压力进行动态测量，记录流体管道特性相关参数，为液压系统的改进提供相应的定量数据分析。最后，还有一个实验人员通过万能表同时测量电压和电流，使用摄像机拍摄视频，事后每秒钟记录一个数据。

2.3 试验结果及分析

为了便于观察输出电能的稳定性，首先对各个负载的数据进行分析，然后再进行对比分析。

当负载A时，波浪、电压、电流测量数据见图3、图4和图5所示。

图3 波浪采集数据图

图4 电压采集数据图

图5 电流采集数据图

图6 负载A功率输出实物图

从图3看出，大海的波浪十分不稳定，是个不规则波，波浪的平均周期是6.2 s，平均波高是0.5 m。从图4看出，在0 ～ 300 s内，平均电压是137.12 V，电压在100 ～ 200 V之间波动。由于波浪时有时无，从而导致电压变化。从图5看出，电流在4 ～ 5.5 A范围内波动，电流平均值是4.75 A，电流变化不是很大。

当负载B时，波浪、电压、电流测量数据见图7、图8和图9所示。

图7 波浪采集数据图

图8 电压采集数据图

图9 电流采集数据图

图10 负载B功率输出实物图

从图7看出，波浪的平均波高是0.55 m，平均周期是6.5 s。从图8看出，电压在120～220 V之间变化，平均电压值是150.22 V。从图9看出，电流在5～7 A之间变化，平均电流值是6.36 A。

通过负载A和负载B得出分析比较，比较结果见表2。

表2 负载A与B的实验结果

从图6、图10和表2看出，两个负载的电信号都稳定在一定的范围内并保证了其能稳定的进行发电作业。针对波浪时有时无、时大时小的特点，波浪能发电装置设置了液压蓄能器，能够连续稳定高效发出电来。图6、图10已经证明自升式波浪能发电装置能够适应不规则波的海况。

3 波浪能量估算及波浪发电效率计算

3.1 线性波浪理论的波浪能量

根据线性波浪理论［8-9］，一个波浪周期内，单位面积水平水面的平均波浪能量为：

式中：E为单位面积水平水面的平均波浪能量，W；ρ为海水的密度，kg/m3；H为波高，m。

波浪能量的传递速度为：

式中：CE为波能传播速度，m/s；C为波浪传播速度，m/s；k为波数；h为发电作业海域的水深，m；g为重力加速度，m/s2；T为波浪周期，s；波数k由色散关系可以求解（采用迭代方法求解）：

式中：k为波数；h为发电作业海域的水深，m；ω为角速度，rad/s；T为波浪周期，s。

因此，水线面积为A的区域一个波浪周期内接收到的平均波浪功率为：

3.2 波浪发电效率计算

当计算负载A时，浮筒吃水深度0.8 m，波浪周期6.2 s，波高0.5 m，发电作业海域的水深2.3 m，此时水线面处浮筒外径为3 m，内径为0.66 m。

（1）3个浮筒的水线面积

（2）波数k：通过MATLAB编程序计算k= 0.22

（3）波浪传播速度

（4）波能传播速度

（5）入射波的平均波浪功率为：

（6）总的波浪发电效率为：

当计算负载B时，浮筒吃水深度0.8 m，波浪周期6.5 s，波高0.55 m，此时水线面处浮筒外径3.1 m，内径0.66 m。同理可得，总的波浪发电效率为：

综上所述，无论是负载A还是负载B的情况下，自升式波浪能发电装置的发电效率超过了15%，具有较高的转换效率，达到了项目的技术指标。

4 自升式波浪能发电装置的优势与发明创新点

（1）恶劣海况下生存能力强。装置采用成熟的自升式平台支撑，并设置自保护装置，在风暴来袭之前，能将浮筒提离水面。本项目中的装置创新发明了一种可升降式波浪发电机构，恶劣海况下浮筒可升离海面之上，与平台主体锁紧，可有效抵御风暴与波浪的冲击，已经经历了苏力、潭美和菲特3次台风考验。

（2）该装置不受潮位变化的影响。通常固定式波浪能发电装置都会面临一大难题，即消除潮差变化对发电装置的影响。潮位变化引起的最大问题是需要频繁调整受波体的浮态和平衡位置才能保证装置能正常运作。本项目中的装置发明了潮位、潮差变化自适应随动技术，研制出一种随动波浪齿条，实现了全天候跟踪波浪运动，在不同的潮位都能够进行波浪发电。

（3）创新设计了一种群组液压油缸取能技术，液压油缸成对均衡地布置在齿条两边，既有效提高了能量转化效率，又消除了波浪水平力带来的冲击影响。

（4）电力输出稳定性很好，即使在实际海况下，波浪的随机性很强且平均波高不大的情况下，仍能持续稳定发电。本项目中的装置研发了一种自动连续稳定电力输出系统，实现了波浪能的平稳转化难题，通过蓄能模块和液压马达流量调节，控制发电机输出稳定电压，不同大小的波浪能自动切换相应的功率负载。

（5）该装置可靠性好，管理维护成本低。装置的平台设计有利于降低管理维护成本，一方面因为采用固定式及水下没有活动的设计，使装置的可靠性大大提升；另一方面平台式设计能存放维修工具和必要生活物资、为维护管理人员提供生活处所，可大大降低出海次数，从而降低了管理维护成本。本项目中的装置创新设计了一种水上隔离波浪发电系统，核心设备均在海面之上，消除了海水腐蚀影响。

5 结 论

自升式波浪能发电装置具有抗风抗浪、连续高效、性能稳定的特点。该装置在电力输出稳定性、装置可靠性、发电效率、管理和维护成本方面具有优势，达到了项目中的技术指标，并克服了固定式波浪发电装置难以解决的潮差问题，实现了多方面的突破。

自升式波浪能发电装置还需要进一步完善，平台应插桩于水域更深、波浪能量更丰富的海域，有利于提高发电效率。浮筒式波浪发电装置主要通过利用水质点垂向运动的能量发电，波浪由深水向浅水行进过程中，其垂向运动能量减少，水平方向运动能量增大，因此在浅水区域，波浪对浮筒的水平作用力增加很多，不利于本装置发电。如果将发电平台放置于波浪能量丰富的深水海域，本装置的发电效率或许会有所提高。后期，我们将研发更大功率的波浪能发电站，并将自升式波浪能发电装置向更深、更恶劣的海况迈进。

［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（6）：14.

［2］ 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.

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