“Petrel”海燕浮力摆式波浪能发电装置外观设计

李思扬　马彧

摘 要：本文通过了解以英国“Oyster”（牡蛎）浮力摆式波浪能发电装置为主的几款摆式波浪能发电装置，在其原理基础上对它的一级能量收集装置即摆板进行再设计，旨在通过对摆板的外观设计来达到提高其波浪能收集率，进而增加发电量的目的。怀揣如此的目标，“Petrel”（海燕）浮力摆式波浪能发电装置的设计构想应运而生。

关键词：摆式波浪能发电装置；一级能量收集装置；外观设计；波浪能收

摆式波浪能发电装置属于波浪能发电装置的一种，是利用设置在海中的摆板收集波浪能并将其转化为电能的发电技术。波浪能是所有可利用海洋能中利用前景较高的能量之一，世界波浪能资源十分丰富，例如在欧洲地区，年平均波浪功率达20～40kW/m，中国沿海的年平均波浪功率密度为2～7kW/m。[1]日本学者渡部富治最早提出并根据波浪工况设计水槽人造立波，并在1983年建造出了世界上第一台悬挂摆式波浪能发电装置。而后随着研究步伐的前进，世界各地都纷纷设计并建造了各式各样的摆式波浪能发电設备，如英国Oyster浮力摆式波浪能发电装置、芬兰WaveRoller近岸海底波浪发电装置、澳大利亚BioWAVE波浪发电装置、挪威Langlee漂浮双摆板摆式波浪发电装置等。①

然而，浮力摆式波浪能发电装置仍然有着很大的开发空间，如何进一步提高波浪能收集效率，如何增加发电量以及一些亟待解决的问题，始终是研究人员研发的首要课题。

1 基于浮力摆式波浪能发电装置原理上的外观设计

1.1 一级能量收集装置的外观设计

一级能量收集装置是整个浮摆式波浪能发电装置最重要的部分之一，一级能量收集装置即摆板的作用是收集波浪的动能，并将此动能通过液压装置和发电机转化为电能。作为整个发电设备初始能量的收集装置，摆板的造型和外观会直接影响到一级能量的吸收量从而影响整个发电装置的电能输出量。因此，对于一级能量收集装置即摆板的设计就显得尤为重要。

几种浮摆式波浪能发电装置一级能量收集装置的外观：

以英国贝尔法斯特女王大学的Trevor Whittaker教授研发并由Aquamarine Power公司进行产业化的“Oyster”（牡蛎）浮力摆式波浪能发电装置为例。它的一级能量收集装置由5个直径为1.8m的钢管组成，其排列方式是5根钢管垂直排列。（如图1）“牡蛎”浮力摆式波浪能发电装置的工作原理是由液压缸和固定在近岸海床底的振荡浮力摆组成。波浪使浮力摆动并驱动液压缸，将海底管道的高压水输送上岸，在海岸上通过该高压水驱动水力发电机发电以供用户或连接到淡水装置进行海水淡化。①（如图2）

在基于同样的发电原理下，类似外观的浮摆式波浪能发电装置还有Oyster 2型浮力摆式波浪能发电装置（如图3），相较1型设备，2型设备增加了叶片面积，虽然建造材料比原来多了近50%，但是其发电效率则是提高了2.5倍，从1型设备315KW/h增加到800KW/h。①

1.2 一级能量收集装置外观设计目的

作为浮力摆式波浪能发电装置的初始能源收集装置，一级能源收集装置即浮力摆板的能量收集量越大、收集率越高，也就意味着在后续的能量转化环节也就是发电环节中发电量的增加，这也正是对浮力摆式波浪能发电装置不断设计革新的宗旨所在。发电装置发电量的影响因素有很多，诸如波长、浪高、流速等自然因素和摆板材料、规格、形状等人为因素。由于海洋自然环境的复杂性和多样性，因此本文对于浮力摆式波浪能发电设备的一级能量吸收装置的外观设计是在英国Oyster浮力摆式波浪能发电装置的发电原理上进行的，针对摆板的外观进行了设计，旨在提高摆板的波浪能吸收效率，从而增加发电量。

2 基于英国Oyster浮力摆式波浪能发电装置原理的新外观设计

2.1 Petrel（海燕）浮力摆式波浪能发电装置外观设计

Petrel浮力摆式波浪能发电装置的设计是建立在Oyster浮力摆式波浪能发电装置的设计基础上的，对其一级能量收集装置进行了新设计并增加了额外的辅助发电功能（如图4、图5）。Petrel浮力摆式波浪能发电装置摆高16m，摆宽15m，安装水深为10～13m。同Oyster浮力摆式波浪能发电装置一样安置在近岸海床，距海岸大约500m。

2.2 Petrel浮力摆式波浪能发电装置摆板设计

Petrel浮力摆式波浪能发电装置与Oyster浮力摆式波浪能发电装置的主要区别在于摆板的设计，Petrel的摆板设计造型灵感来自于鸟类海燕的翅膀形状（如图6、图7），不同于Oyster的5根钢管垂直排列的摆板造型。这样的设计是在摆板的向波面增加了一个折线结构，首先增加了摆板与波浪的接触面积，使得摆板一次接触更大的波浪，从而收集更多的波浪能；其次从侧面可以看出摆板上端较下端更为宽大，由于摆板的中空设计，上端加大可以增加摆板上端的浮力。得以辅助摆板随波浪的摆动运动。

2.3 Petrel浮力摆式波浪能发电装置辅助发电功能

由于太阳辐射的全球分布不均而造成的气流运动便是风，而当风吹过海面引起的表层海水运动便是波浪，浮力摆式波浪能发电装置正是利用波浪所携带的能量来进行转换发电。但是，看似平静的海底也有着海水运动即“海底波浪现象”。芬兰WaveRoller波浪发电装置正是利用这一海底水流运动现象进行发电的设备。（如图8）

Petrel参考芬兰WaveRoller波浪发电装置，在主摆板下方设置有两块小摆板，摆宽3m，摆高2m。利用近海海底水流运动发电。Petrel主摆板下端倾斜并从中间开口，这个结构的设计目的是将流向主摆板并由主摆板吸收的波浪的部分导向下端开口，在海流的作用下从开口流经，可以增加海底海流流量，用以弥补近海海底水流所带有的能量较少的问题。小摆板便设置在开口处，收集并转化海底海流的能量来辅助发电。（如图9）

3 Petrel浮力摆式波浪能发电装置实用性预测

Petrel浮力摆式波浪能发电装置的一级能量收集装置由折线造型的主摆板和两块辅助小摆板构成，充分利用表层与底层的海水运动来进行一级能量收集。另外，Petrel浮力摆式波浪能发电装置整体继承英国Oyster浮力摆式波浪能发电装置的优点即工作原理不复杂、结构简单、安置于近岸海床海水环境较远海更为稳定、方便修理维护以及充分利用近岸波浪能资源。经过主摆板外观的设计和辅助摆板的加设，在理想状态下可以增加一级能量即波浪能的收集，从而提高发电量。

但目前Petrel浮力摆式波浪能发电装置还停留在设计构想阶段，具体的使用情景模拟与实地海测还需后续实验完成，届时便能够就该设计是否能够有效提高浮力摆式波浪能发电装置发电量的问题给出详细解答。

注释：①摘自《流体传动与控制》。

参考文献：

[1] 顾明浩，谭祺，石世宁，訚耀保.式海洋波浪发电原理与事例[J].流体传动与控制，2012（5）：6-7.

[2] BDrew，A R Plummer，MN Sahinkaya. A review of wave energy converter technology[J]. Power and Energy，2009（223）：887-902.

[3] Ellie Zolfagharifard.Aquamarine Power unveils more powerful wave energy device[EB/OL]. http：//www.theengineer.co.uk，2010-05-26.

[4] [EB/OL]http：//www.aquamarinepower.com.

[5] [EB/OL]http：//www.biopowersystems.com/biowave.html.

[6] 李永国，汪振，王世明，吕超.国外波浪能开发利用技术进展[J].工程研究——跨学科视野中的工程，2014，6（4）：380-381.

[7] 程友良，党岳，吴英杰.波力发电技术现状及发展趋势[J].应用能源技术，2009（12）.