浮子式波浪能转换装置研究概述

李强，何宏舟，刘森明，郑松根

(1.福建省能源清洁利用与开发重点实验室 厦门 361021； 2.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)



浮子式波浪能转换装置研究概述

李强1，2，何宏舟1，2，刘森明1，2，郑松根1，2

(1.福建省能源清洁利用与开发重点实验室 厦门 361021； 2.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)

文章介绍了几种浮子式波浪能转换装置及其工作原理，总结国内外学者对其中几种装置的优化研究，并对浮子式波浪能转换装置的发展前景进行了分析。

浮子式；波浪能转换装置；优化

随着社会经济的发展，人们对能源的消耗与需求不断增加，造成石油、天然气和煤炭等一次性能源已日益枯竭，寻找可再生新能源成为一种解决能源短缺问题的有效途径。海洋占地球总表面积的比例超过70%，蕴藏着巨大的能量，主要包括波浪能、潮汐能、潮流能、海流能、温差能以及盐差能等，其中波浪能作为一种新型能源越来越得到人们的关注。

波浪能的主要利用方式是通过波浪能转化装置将其转换为电能，目前世界上主要发展和研制的波浪能发电装置有“点头鸭”式、振荡水柱式、摆式、聚波蓄能式、振荡浮子式、阀式等装置。一些装置原型已经大规模建造，并且在海中测试，但是，由于浮子式波浪能转换装置具有能量转换效率高、对海洋水动力环境的影响小、浮子形式灵活、结构形式多样等优点，发展浮子式波能转换装置已经成为大多数海浪发电公司的主要技术方向。如图1所示，浮子式波浪能转换技术发展成熟度已经达到81.78%，表明其已被众人认可、掌握，是未来可商业化发展的重点对象。

图1 各类波浪能转换技术发展成熟度对比

根据浮子个数，浮子式波浪能转换装置可以分为单体式、双体式以及阵列式等。

1 几种浮子式波浪能转换装置

1.1 单体式

单体式装置是研究较早的波浪能转换装置，结构较为简单，如瑞典的直线电机垂荡浮子装置[1]、美国俄勒冈州立大学研制的由浮子驱动线性发电机的装置L-10[2]、荷兰的AWS等[3]。

直线电机垂荡浮子WEC的电机一端与海面上的浮子通过一根绳子相连，另一端由弹簧连接于系泊系统，弹簧的作用是在一半波浪周期内储存能量，同时在波谷时该能量可作为弹簧的回复力(图2)。运动的波浪带动浮子，进而使发电机在竖直方向上产生运动，产生感应电流，这样便实现了波浪能到电能的转换。瑞典乌普萨拉大学对该张紧系泊式浮子进行了研究，并在瑞典西海岸测试了一个直径3 m的圆柱形浮子装置。

图2 直线电机垂荡浮子示意图

L-10波浪能转换器由一个深水立柱和一个环形碟状浮子组成。其中，立柱用于提供足够的浮力来抵抗电机的重力，且通过锚链张紧系泊在海底；浮子可以相对立柱做上下垂直运动，而其他自由度则被限制(图3)。由于浮子和立柱的相对运动而在立柱上产生力，永磁直线电机便将其转换为电能。一个设计功率10 kW的装置模型(浮子外半径3.5 m，立柱长6.7 m)已于2008年9月在俄勒冈州的新港进行了测试。

图3 L-10示意图

AWS波浪能转换器是一个单体全淹没型浮子装置，由两个部分组成：一个是上方的振荡体，即浮子；一个是底部固定在海底的结构，即基底。其中，浮子随着波峰波谷分别下移上移(类似弹簧的作用)，压缩装置内部的空气，线性电机将浮子运动转换为电能输出(图4)。该装置于2004年完成测试并取得成功，是第一个使用线性电机直驱系统的波能转换装置。

图4 AWS示意图

1.2 双体式

双体式浮子装置是由两个振荡浮子的相对运动产生电能，它可以克服单体式浮子装置可能受到的海水表面与海底的距离限制以及潮汐振荡的影响。此类装置比较典型的有瑞典Interproject Service公司开发的双体浮子系统发电装置IPS[4]、美国公司Ocean Power Technologies发明的轴对称双浮子装置PowerBuoy[5]以及爱尔兰的Wavebob[6]等。

IPS WEC由一个浮子与一个完全淹没的垂直立管(所谓的加速管)刚性连接在一起，且立管两端都开口。立管内的活塞相对浮子——立管系统来回运动(该运动来自于波浪对浮子的作用以及封闭立管中水的惯性作用)，并驱动能量输出系统发电(图5)。后来对该装置的改进主要包括立管内部的任意一端被做成喇叭状以限制活塞行程，以及设计新型的Aqua装置(结合IPS的理论，依靠双软管泵产生的高压水来驱动Pelton水轮机)。

图5 IPS示意图

PowerBuoy波浪能转换器由一个圆盘形的浮子作用于圆柱体，装置底部有个大的水平阻尼板，旨在通过周围水的附加质量来增加惯性(图6)。两浮子的相对运动由液压动力输出系统转变为电能。

图6 PowerBuoy示意图

Wavebob波浪能转换器由两个对称同轴、刚性连接的浮子组成，分别称为Torus和Float。这两个浮子结构能吸收各种条件下的波浪能，通过高压油系统将两者的运动转换为电能，并且能在恶劣的海洋环境中生存。装置由一个阻尼系统控制，可以响应预测波高、波的功率和频率。罐体结构(半潜体)使用捕获的海水作为其主要惯性质量，这大大降低了结构材料成本。图7是Wavebob示意图，图7中浮子2的作用是增加惯性，同时却不会减少激振力和辐射力。

图7 Wavebob示意图

1.3 阵列式

为了吸收更多的波能，采用阵列布置是较好的方式。阵列布置时可以共用一个平台框架和动力输出系统，使分散的能量得以汇集，形成大规模波浪发电群，经济性上降低了造价，工程上又保证了电能的连续输出。该类型装置有澳洲的CETO[7](2015年3月启用，世界首个波能发电站)、丹麦的Wavestar波浪能转换器[8]以及挪威的Pontoon Power Converter[9](PPC)等。

CETO波浪能转换器是典型的阵列式波能转换装置，由浮力促动器、涡轮泵组、海底管道等组成(图8)。圆形的浮力促动器被安装在水下25～50 m的深度，同时被连接到海床上的涡轮泵组。当海浪拍击到浮力促动器上时便启动泵组，泵组将海水增压并通过管线送到岸上的水力发电厂，这些被强力增压的海水再驱动水轮机发电。这套系统不同于其他波浪能装置，因为安装在海底，这样可以远离暴风雨带来的损害，与此同时从岸上也是看不到的，减少了陆地景观的破坏，也更加安全。

图8 CETO单元示意图

Wavestar波浪能转换器由众多浮子和一个固定于海底的平台组成。平台两侧直线分布间隔较小的浮子，每个浮子是淹没的半球，通过一个浮子臂和铰链结构连接在主体结构。能量输出系统是一个配备液压马达的高压油液压回路，运动的波浪使浮子相对平台摆动，进而挤压液压油进入液压回路，使其转变为有用的能量。一个24 m长、功率为5.5 kW的Wavestar波浪能转换器已于2006年在丹麦海域进行了测试。

PPC波浪能转换器是一个适合在各种水深下松弛系泊的漂浮式波浪能转换器，由工作浮子、液压缸、水力涡轮机和发电机组成。其中，浮子连有相应的配重结构，所有配重的净重力与浮子产生的总浮力相互平衡。浮子的振荡运动由液压输出系统进行能量转换，所产生的电能主要通过陆上电网出售给大众使用，也可以为海上石油平台提供电能。此外，该装置还有“飓风保护设计(hurricane protection design)”，在面对飓风等极端海况时可以将易损坏部件没入海水中，延长装置使用寿命。

2 浮子式波浪能转换装置的优化研究

为了提高装置的能源综合利用率，Muliawan等学者[10]介绍了一种spare-torus combination(STC)装置，该装置将桅杆(Spar)式风机“Hywind”以及双体浮子式波浪能转换器“Wavebob” 组合在一个漂浮平台上。 其中，波浪能转换器系统中的浮子用桅杆式风机代替，圆环顺着柱体滑动来吸收波能，而风机则是吸收风能。通过这种方式，浮子作为Wavebob的主体结构而省去，而且两者共用系泊系统、电缆等，相比于单独的风机和波能转换装置，这样可以提高能源生产密度并且使建造费用大幅减少。

在提高采能效率方面，高人杰[11]研究了浮子形状结构对采能效率的影响，基于三维势流理论和牛顿第二定律理论的计算，对常见的圆柱形、圆锥形和球形浮子进行对比分析，得到浮子最优形状方案；苏永玲等[12]研究了浮子的最优采能结构尺寸，通过在不同波浪周期条件下，改变浮子与发电机之间的中间转换装置的参数，从而确定浮子的最优俘获宽度比；为了最大限度地提高Wavestar WEC(装有3个浮子)单位时间内的能量输出，Anup等[13]基于最近开发的线性水动力时域矩阵模型，应用不同控制策略于PTO(能量输出系统)阻尼和刚度系数矩阵，对矩阵中的参数进行优化；António等[14]对IPS WEC加速管几何形状和几个波浪周期内PTO(能量输出系统)阻尼系数进行优化，分别在规则波与不规则波条件下进行数值分析，并且在规则波中结合立管内的一维定常流动模型，对该装置进行了时域分析等。

关于装置可靠性方面，Simon等[15]提出一种基于疲劳设计要素FDF的可靠度校准方法，通过S-N曲线和断裂力学对Wavestar WEC疲劳状况进行数值模拟；Limin等[16]基于时域分析方法，对一个浮子式WEC中的液压缸的长期疲劳损伤状况进行研究。通过计算疲劳损伤，如缸体材料、直径、厚度与直径的比率等，得出了可以通过增加缸体内径或者厚度与内径的比率来减小疲劳损伤。赵丽君[17]对多点吸能浮子液压式波浪发电装置中的液压系统进行了设计、仿真与试验，得到了与该装置功率相匹配的液压缸、蓄能器、液压马达等液压元件。相比于机械传递系统，液压系统具有传动平稳、质量轻体积小、承载能力大、易实现过载保护等优点，可以大大提高装置在海洋中的可靠性。

3 总结

浮子式波浪能转换装置是未来WEC的发展趋势，有着巨大的商业化潜能。近年来，世界各国已进入对浮子式WEC大规模研究的阶段，研究热点主要集中在提高装置的综合利用率、采能效率以及可靠性等方面，并且呈现出阵列化与规模化开发的趋势。这主要由于单、双浮子式WEC相比于阵列式WEC经济性较差，且无法充分利用一个波浪周期内的能量、电能输出不连续等，因此阵列式WEC是主要的商业化方向。其中，将浮子阵列安装在漂浮式海浪发电船上是一个新型的发展方向。海浪发电船机动、灵活，可以根据风力和波浪的大小选择合适试验海域，在遇到台风等恶劣天气时可以及时回港避风，安全性较好且便于设备维护；发电装置中只有浮子与海水直接接触，无需在海底铺设大量输电电缆、电机以及能量传递系统，大大增加了装置的可靠性，减少施工难度，降低成本。为了提高漂浮式海浪发电船的发电效率以及经济性，应对采能装置、能量传递方式等方面进行优化，以使其更趋于实用化和商业化。

[1] ERIKSSON M，ISBERG J，LEIJON M.Hydrodynamic modelling of a direct drive wave energy converter[J].International Journal of Engineering Science，2005，43：1377-1387.

[2] WATERS R，STALBERG M.Experimental results from sea trials of an offshore wave energy system[J].Applied Physics Letters，2007，90(3):90-93.

[3] De Sousa Prado MG，Gardner，Damon，et al.Modeling and test results of the Archimedes wave swing[J].Power and Energy，2006，220(12):855-868.

[4] NOREN S A.Apparatus for recovering the kinetic energy of sea waves：US Patent，No.4773221，1988.

[5] MIKE M，KATHLEEN A，EDWARDS J G B.Ocean power technologies powerBuoy：system-level design，development and validation methodology[EB/OL].(2014-06-10)[2015-05-22].http://www.oce-anpowertechnologies.com/technology/.

[6] HERMAN K，TRABISH.Wavebob is ready to make wave energy[EB/OL].(2010-10-21)[2015-05-22].http://ww- w.greentechmedia.com/articles/read/wavebob-is-ready-to-make-wave-energy.

[7] 中国电力企业联合会.澳洲启用世界首个波能发电站[EB/OL].(2015-03-6)[2015-05-22].http://www.ce-c.org.cn/guojidianli/2015-03-06/134799.html.

[8] BABARIT A ，HALS J，MULIAWAN M J，et al.Numerical benchmarking study of a selection of wave energy converters[J].Renewable Energy，2012，41：44-63.

[9] Pontoon Power AS company.Pontoon power converter[EB/OL].(2012-03-20)[2015-05-22].http://www.pontoon.no./Technology.html.

[10] MULIAWAN MJ，KARIMIRAD M，MOAN T.Dynamic response and power performance of a combined Spar-type floating wind turbine and coaxial floating wave energy converter[J].Renewable Energy，2013，50：47-57.

[11] 高人杰.组合型振荡浮子波能发电装置研究[D].青岛:中国海洋大学，2012.

[12] 苏永玲，余克志.振荡浮子式波浪能转换装置的优化计算[J].上海水产大学学报，2007，16(2):196-200.

[13] ANUP J N，DAVID I M F，MORTEN M K，et al.Effects of hydrodynamic interactions and control within a point absorber array on electrical output [J].International Journal of Marine Energy，2015(9)：20-40.

[15] AMBÜHL S，FERRI F，KOFOED J P ，et al.Fatigue reliability and calibration of fatigue design factors of wave energy converters[J].International Journal of Marine Energy，2015，10：17-38.

[16] YANG Limin，MOAN T.Prediction of long-term fatigue damage of a hydraulic cylinder of a wave energy converter subjected to internal fluid pressure induced by wave loads[J].International Journal of Marine Energy，2013(2)：43-60.

[17] 赵丽君.多点吸能浮子液压式波电装置中液压系统的分析与试验[D].北京:华北电力大学，2012.

On the Float Type Wave Energy Converters

LI Qiang1,2, HE Hongzhou1,2, LIU Senming1,2, ZHENG Songgen1,2

(1. Key Laboratory for Energy Clean Utilization and Development of Fujian Province,Jimei University, Xiamen 361021，China；2.Cleaning Combustion and Energy Utilization Research Center of Fujian Province, Jimei University, Xiamen 361021，China)

Several kinds of float type wave energy converters(WEC) and their working principles were introduced in this paper, and some researches by scholars at home and abroad on the optimization of them were summarized.The paper also analyzed the development prospects of the float type wave energy converter.

Float type， Wave energy converter，Optimization

国家海洋局可再生能源专项“波浪能耦合其他海洋能的发电系统关键技术研究与开发”(XMME2011BL02)；福建省海洋厅项目“综合利用波浪能和海上风能的浮摆式海浪发电系统开发”(闽海高新〔2014〕16号).

李强，硕士研究生，研究方向为船舶与海上装置能源工程，电子信箱：906303191@qq.com

P743.2

A

1005-9857(2016)03-0064-05