海浪能潮汐能双模式发电装置设计与研究

孔凡国，张健存，刘庆，李肇星，罗玉林

（1.五邑大学智能制造学部,广东江门529020; 2.深圳市圆梦精密技术研究院,广东深圳518110）

0 引 言

我国相关方针和政策大力支持可持续绿色清洁能源的开发和利用。海洋中的可再生能源主要包括潮汐能、波浪能、海流能(潮流能)、海水温差能和海水盐差能[1]。其中，潮汐能是月球和太阳等天体的引力使海洋水位发生潮汐变化而产生的能量，通过建有拦潮坝的潮汐电站发电，其成本高且对环境产生较大的影响，它不但会改变潮差和潮流，还会改变海水温度和水质[2]。

另外，海浪能作为一种海水动能，其利用不受天气因素的影响，且能量密度高，分布广泛，储存的能量巨大。目前世界代表性的海浪发电装置按照工作原理分为三类：振荡水柱式（oscillating water column）、振荡浮体式（oscillating bodies）和越浪式（overtopping）。国内各高校和研究机构对振荡浮体式研究较为深入，如上海交通大学于2016年研发的一种新型六维海浪发电装置[3]，用并联机构实现六自由度捕捉海浪的最大动能，极具创新性和实用价值。

本文提出了一种海浪能潮汐能双模式发电装置, 设计浮体在海上，各机械部件在陆地，有效解决漏油、潮汐高度影响、电量传送、装置腐蚀、维修困难等问题，利用海浪能，同时利用潮汐能发电。利用可持续清洁的海洋能发电，本身也是一种不会造成污染的装置，不会对海洋环境产生影响，既不改变潮差和潮流，又不改变海水温度和水质；抗干扰性非常强，不受洪水、台风的影响。

1 海浪能潮汐能双模式发电装置的设计

发电装置保持能量转换方式不变，如图1所示。设计浮体在海上，浮体的形状类型[4]如图2所示，本文针对球状浮体进行研究。浮体与系泊缆绳相连，系泊缆绳经过海底的动滑轮组、辅助固定滑轮与陆地上的机械部件相连，将浮体从海浪能中获得的振荡能传输到陆地上进行能量转换。为使系泊缆绳保持拉应力，须在系泊缆绳与活塞式液压缸连接处增加重力平衡块，使浮体的行程与活塞式液压缸的行程保持比例关系，在没有海浪的平静海面，重力平衡块经过力转换使得球状浮体产生吃水深度。通过上述的结构，浮体可以自适应捕捉海浪的最大振荡方向产生最大行程，获得最大的海浪能。同时合理设计活塞式液压缸行程，可以同时自动捕捉潮汐能，将其转化为液压能。海浪能潮汐能双模式发电装置的结构原理如图3所示。

2 发电装置受力分析

2.1 球浮体波浪力分析

设半径为R的球浮体漂浮在水深为h的海面上,吃水深度d为R，如图4所示。为了便于球面积分，引入球坐标（r，θ，α）,则半球面上任一点的球坐标为:

式中：J0(kRsinα)、J1(kRsinα)、J2(kRsinα)分别为零阶、一阶、二阶第一类贝塞尔函数。

将式（3）和dS=R2sinαdαdθ代入式

式(2)～式(5)中：ρ为水密度；H为波浪高度；ω为波浪圆频度；h为水深；z为浮体位移；k为波数；R 为浮体半径；d为吃水深度；CH为水平绕射系数；CV为垂直绕射系数。

C.J. Garrison 和V.S. Rao (1971)[5]给出了半球潜体在不同相对半径kR情况下的CH和CV值，如图5所示。

2.2 波浪力捕抓结构分析

海底动滑轮组的回轮副轴线与切点A 后段的系泊缆绳共线，使得浮体带动系泊缆绳在前后、切向、左右运动的时候，切点A后段的系泊缆绳l保持非切线方向静止，如图6所示。

O点为L段的延长线与回转副轴线的交点。当浮体带动系泊缆绳在前后方向运动时，使得O点在回转副轴线上滑动，O点与切点A的距离为Δl。由于Δl＜＜L，可认为O点位于当L段的延长线与回转副轴线正交时的位置。浮体的实际运动为前后、切向、左右方向运动的合成。作用在球状浮体上的水平波浪力FH和垂直波浪力FV的合力FTotal与系泊缆绳L段共线，其变化范围在以O点为顶点的圆锥体内，随水平波浪力和垂直波浪力变化而变化，实时自动捕捉最大的海浪能，如图7所示。

3 发电装置动力学分析

式（6）～式（10）中：ρ为水密度；V浮体为球状浮体的吃水体积；m平衡块为重力平衡块；P液压为油压缸内压强；A为油压缸活塞面积；Ji为滑轮i转动惯量；F为作用在油压缸活塞上的轴向外力。

活塞力平衡方程为

式中：K为弹簧刚度；x为活塞位移；x0为弹簧预压缩量；B为活塞在缸内的阻尼系数；m为活塞质量。

能量转换缸流量方程为

式中：q为能量转换缸流出的油液流量；W为活塞行程；β为油液弹性模量。

发电机功率方程为

式中：P电为发电机功率;n为液压马达与发电机的转速;η为发电效率，取0.9。

4 某海域工况应用仿真

表1 海域工况参数表

由活塞力平衡方程式(11)可知，该系统为单自由度强迫振荡系统，而轴向外力随着周期变化的同时，也随着阻尼的作用而增大，变化较为复杂，本文不深入讨论。油压发电油路中设有溢流阀等恒压环节，取P液压=2.8 MPa，由式(12)可得出q平均=34 L/min。选用BMR36型液压马达,其参数如图9所示。联合式(13)可得发电装置的参数,如表2所示。

表2 发电装置的参数

5 相关参数对电能输出的影响规律

上述某海域工况具体实现参数中，根据式(13),P电由Mv和n决定，而Mv和n又取决于q和P液压。BMR36型液压马达每转1 rad所需输入液体的体积V排、输出转矩Mv和转速n的关系[9]如式(14)、式(15)所示,将表2参数代入式中,可求出V排=6.8×10-6m3/s,μ=0.6,联立式(13)，可得出P电的参数化方程（16）。

式中：V排为液压马达每转1 rad所需要输入液体的体积,m3/rad,为常数; μ为转矩系数,为常数;q为油液流量,m3/s。

联立式(16)～式(18),可得P电的具体参数化方程为

6 结 论

对海浪能潮汐能双模式发电装置分析与研究, 得出如下结论：1）提出了一种新型结构的海浪能潮汐能双模式发电装置；2）进行了动力学研究和某海域工况的应用仿真；3)分析了球状浮体半径、海浪高度和海浪周期对发电功率的影响规律。