新型波浪能发电平台的设计

王明玉，刘大力，马文超，赵日伟，汪大明

（东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引言

能源问题越来越成为制约社会发展的瓶颈，尤其是上世纪70年代发生石油危机以来，人们更加认清能源在社会和经济发展中的重要作用。据预测，作为世界主要能源的石油和天然气将会在50～70年内被人类消耗殆尽。按目前统计的年均开采量估算, 我国到2040年石油资源枯竭；2060年天然气耗尽；2300年煤炭存储量开采完毕。

因此，开发新型的、可再生的能源是世界各国当前必须解决的问题。然而，目前现有的波浪能发电技术存在以下的问题： ①建造费用昂贵、施工困难；②装置总转换效率低下。这两大缺点，大大限制了装置的发展，很难在市场上形成竞争力。浮子发电方面，如何能让浮子利用有着更广范围波长和周期的波浪能，同时克服多浮子共同工作时的相位差异问题也成为了浮子发电大规模利用的焦点。

1 波浪能发电系统介绍

目前主流的波浪能发电装置的设计主要利用两种基本原理： 利用物体在波浪作用下的升沉和摇摆运动将波浪能转换为机械能；利用波浪能的爬升转换为水的势能。绝大多数的波浪能发电装置由三级能量转换机构组成。其中，一级能量转换机构将波浪能转换成某个载体的机械能；二级能量转换机构将一级能量转换所得到的能量转换成旋转机械的机械能；三级能量转换通过发电机将旋转机械的机械能转换成电能。

根据一级转换系统的转换原理，可以将目前世界上的波能利用技术大致划分为： 振荡水柱技术，摆式技术，阀式技术，收缩波道技术，点吸收（振荡浮子）技术，鸭式技术，波流转子技术，虎鲸技术，波整流技术，波浪旋流技术。

2 波浪能发电平台的总体设计

波浪能发电平台主要包括： 波浪能发电装置，载体平台及坐底式桁架。波浪能发电装置安装在载体平台上，由于坐载体平台安装在坐底式桁架上，保证了发电作业的环境较为稳定。坐底式平台的高度可以根据所在的海域情况进行设计。波浪能发电装置主要包括： 振荡浮子，机械传动机构，水舱及水流发电机组成。在非工况条件下，作业时，振荡浮子随着波浪上下振荡，作简谐振动。通过机械传动结构压载水舱内部的水，压载水通过水流发电机驱动发电机发电。为了提高载体平台的利用率以及提高整个发电平台的发电效率，将波浪能发电装置环形阵列安装在载体平台上，这种安装效果在达到较好的经济性的同时也提高了整个发电平台的稳定性。波浪能发电平台的总体设计如图1 所示。其作业模式见图2。

图1 波浪能发电平台Fig.1 The wave energy generation platform

图2 波浪能发电平台的发电模式Fig.2 Wave energy power generaton mode platform

3 波浪能发电装置的设计

波浪能发电平台中最重要的部分为波浪能发电装置的设计，发电装置的设计直接决定该发电平台的发电效率。发电装置采用振荡式浮子吸收能量，通过传动机构将浮子的势能转化为水流的势能，再通过水流发电机将水流的势能转换成电能。发电装置的构造如图3，图4所示。

发电装置中，振荡浮子随着波浪作上下运动，带到驱动杆通过铰支点驱动活塞板连杆运动，由于驱动杆与活塞板连杆通过滑槽和可以转动的滑块连接，使得驱动杆能够带动活塞板连杆垂向上下运动。活塞班上装有单向阀，当振荡浮子随着波浪向上运动，活塞板向下运动，此时单向阀属于关闭状态，水舱中活塞板将水压入导流管中；当振荡浮子随着波浪向下运动时，活塞板向上运动，单向阀处于打开状态，或塞班上部的水可以顺利流入或塞班下部，保证作业能持续进行。

图3 波浪能发电装置Fig.3 Wave energy device

图4 波浪能发电装置内部结构Fig.4 The wave energy device internal structure

4 波浪能发电装置的功率计算

4.1 导流管中水流速度的计算

本文中对波浪能发电装置进行功率计算是在非工况条件下进行的。工况条件下对波浪环境进行的模拟比较复杂，在以后的研究中再作详细探讨。本文设定该发电平台所处的海洋环境，其波速为ν'，波高为h，其波长为λ，且该波为简谐波。考虑到整个机构的可行性，我们认为振荡浮子在垂向的运动距离小于2h。这样能保证振荡浮子可以随着波浪运动到最高位置。根据波速ν'，波高为h，波长λ，可以得到振荡浮子的运动方程：

其中： H—以海平面为基准，振荡浮子的质点所在的垂向高度，单位为m。我们设定水舱为圆柱形筒体，其直径为D，有效载水深度为2h，所以其中水的体积V可以求得：

在作业过程中，水舱内的水的体积变化量为△V，根据振荡浮子运动方程可知振荡浮子的运动速度ν3为H的导数为：

设定导流管的直径为d，则可求得导流管中水流的速度ν4：

4.2 导流管中流体能量的计算

水轮机的主要工作目的是将流体动能转换为电能，根据动能的定义，水流体的动能可以表示为：

其中：m—流体的质量（kg）；ν—水流的流速（m/s）。如果单位时间内流管水轮机迎流面S 的流体质量为m：

m=ρνS

其中： ρ—流体密度（kg/m3）。则流体的能量可以表示为：

由于叶轮不能讲水流的势能全部吸收，所以存在能量利用率，我们用表示Cp，所以叶轮转换的能量为E1：

4.3 求能量利用率Cp

由于本发电装置利用水流发电机来收集水流的势能，所以我们要考虑水流发电机的能量利用率。水流发电机通过利用水流冲击叶轮驱动电机进行发电，简单可靠。但水流发电机不能讲水流的势能完全吸收，我们可以通过贝茨理论来计算水流发电机的效率。该理论假设叶轮是理想的，旋转平面内有无线多叶片，并且流体通过叶轮时没有能力损失。因此，该假设中叶轮完全是一个能量的转换设备。另外还假设流体通过叶轮盘面时时均匀的，并且垂直于盘面。其示意图如图5 所示。

图5 水流管状图Fig.5 Tubular flow chart

假定ν1是叶轮远方的来流速度，ν 是过盘面的速度，ν2是叶片盘面远后方的流速。假设流体在远前方，盘面处和远后方的流管中流动，那么由于盘面处叶轮吸收能量的作用，使得ν2小于ν1，因此通过流量定理来看s2大于s1，根据假设在统一的流管中，我们可以得出下列关系：

s1ν1=s2ν2=sν

当流体通过盘面时，由于叶轮的作用，使得叶轮盘面前后的流体动量发生变化，因此根据动量定理，以及作用力与反作用力的关系，使得作用在叶轮上的力为：

F=ρsν（ν1-ν2）

其中，ρsν 为单位时间内通过盘面的流体质量，再乘以（ν1-ν2）即为流管单位时间的流体动量变化。如果不计流体的能量损失，那么叶轮吸收的能量功率则为： P=Fν=ρsν2（ν1-ν2）。在前后盘面处，流体的动能变化量为：根据能量守恒定律，单位时间内流体动能的变化率应该等于单位时间内叶轮吸收的能量，因此：△E=P。从而得出即在理想条件下，流体通过叶轮盘面时的速度等于前后远方的算术平均值。为了讨论叶轮吸收能量的功率的极值，将（ν1+ν2）代入功率P 中，得到：

对于开阔流域而言，远方来流速度ν1一般为给定的实际流速，因此功率P 与尾流速度ν2有关，将P 对ν2求导数，则有：ρs（ν12-2ν1ν2-3ν22）为0，得出以下的解ν1。解（1）无意义，因此舍掉。第二个解成立，此式叶轮吸收能量的功率最大。

根据水轮机的能量利用率定义，水轮机吸收的能量与通过叶轮盘面的流体总能量的比值，可得到潮流能水轮机最大能量利用率为：由于在能量转换过程中，存在各种各样的能量损失，因此水轮机的效率会下降，因此我们选取的能量利用率一般在35%～40%。

4.4 求发电装置的发电功率

5 载体平台设计

波浪能蕴涵的能量主要是指海洋表面蕴涵的动能和势能，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。因此波浪能蕴藏量越是丰富的海域波浪的高度，速度以及波面宽度就越大，对海洋平台的冲击就越大，对波浪能的稳定性影响也越大。波浪能的稳定性直接影响到平台的发电功率，因此平台的设计要满足波浪能发电作业时对稳定性的要求。

全世界波浪能的理论估值为109KW 量级。利用中国沿海海洋观测台站资料可知，中国沿海地区，尤其在浙江，福建，广东以及台湾沿海海域的波浪能储量相当丰富，且中国沿海除南海海域之外，海水深度大都小于现在坐底式平台作业极限深度，因此发电平台采用坐底式结构具有很高的可行性。

平台的选型不单要满足工程应用的需要，而且要考虑到产业化后成本控制的实际。新能源的开发技术水平高，前期投入大，成本控制尤为重要。坐底式平台中的坐底式桁架设计结构简单，易于建造，且成本较低。

综合以上的情况，在进行载体平台架的设计时，要充分考虑到海洋环境的恶劣，以及发电装置的布置需求。在保证安全性及作业稳定性的同时，最大程度地提高整个发电平台的经济性。

本发电平台通过坐底式桁架上安装载体平台的设计，满足了波浪发电装置的作业要求。坐底式平台的设计能够适用于中国沿海广大的海域。桁架结构设计简单，易于建造。

6 结论

本文介绍了一种新型的波浪能发电平台，文章从发电平台的总体介绍，获能装置的设计，载体平台的设计以及发电装置的最大功率估算等几个方面对此新型的波浪能发电装置作了系统的说明。虽然本文提出的这种波浪能发电方式还处于项目研究的初期阶段，其可行性还有待进一步研究，但我们通过估算该发电装置的最大功率，已经能够初步地判断出，这种波浪能发电装置具有不错的发电前景。伴随着世界经济的发展，人类社会对自然资源的需求越来越大，传统的能源供应已经不能满足人类社会的需求，新兴的绿色能源已经越来越多地进入人们的视野，风力发电已经太阳能发电已经进行了大规模的商业开发。海洋能的研究及开发也已经在全世界范围内如火如荼地开展。本文章旨在为波浪能的开发提供一种新的概念，为以后的工程实践提供经验和参考。

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