有效吸收和傳遞波浪能的錨泊系統(tǒng)的設(shè)計制作

(中國科學院 海洋研究所,山東 青島 266071)

海洋能是指依附在海水中的可再生能源,海洋通過各種物理過程或化學過程接收、儲存和散發(fā)能量,這些能量以波浪、海流、潮汐、溫差等形式存在于海洋之中,從而形成潮汐能、波浪能、海洋溫差能、海洋鹽差能和海流能等。海洋能理論儲量是目前全世界各國每年耗能量的幾百倍甚至幾千倍。而波浪能是其中較豐富的一種能量,將波浪簡化成正弦波,可得單位面積的鉛直水柱內(nèi)平均波能功率[1]為：

其中ρ為海水密度,g是萬有引力常數(shù),T為波周期,H為波高。以波高H=1.5 m,波周期T=6 s為例,海水密度ρ取為1 000 kg/m3,則單位面積的鉛直水柱內(nèi)平均波能功率為：

臺風產(chǎn)生的巨浪,其功率密度可達每米迎波面數(shù)兆瓦,而波浪能豐富的歐洲北海地區(qū),其年平均波浪功率為 20～40 kW/m。中國海岸年平均波浪功率密度為2～71 kW/m。據(jù)世界能源委員會的調(diào)查顯示：全球波浪能儲量為 700億 kW,可利用的波浪能達到20億kW,相當于目前世界電產(chǎn)量的2倍。在能源危機日益嚴重和環(huán)保壓力不斷加大的今天,如何能夠有效利用波浪能這種巨大的環(huán)保型可再生能源,顯得尤其重要。本文提出一種以簡約的方式吸收和傳遞波浪能的錨泊系統(tǒng),并通過實踐證明此方法是行之有效的。

1 波浪能吸收與傳遞系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

這里設(shè)計的波浪能吸收和傳遞系統(tǒng)從上到下由三大部分組成,分別是：海面浮標系統(tǒng)、錨泊纜系和底端錨定物。其中錨泊纜系又是由錨泊纜、張緊錘和儲鏈構(gòu)成。此系統(tǒng)傳遞波浪能的原理是：合理控制海面浮標的正浮力,使其大約有一半體積露于水面,事先測定錨泊區(qū)域的深度,確定錨泊鋼纜的長度,保證在正常海況下,能使懸掛在錨泊纜下面的張緊錘離海底有數(shù)米的距離,讓儲鏈處于半懸狀態(tài)(即儲鏈一半懸于海底上方,一半拖在海底上),合理選擇重物錨塊的質(zhì)量,既便于投放,又確保定位。漂浮著的海面浮標對錨泊纜有向上的拉力,而連于錨泊纜下端的張緊錘和部分儲鏈對其有向下的拉力,這樣錨泊纜在水中基本處于懸直狀態(tài)。當波浪經(jīng)過時,海面浮標就跟隨著起伏運動,連于海表面浮球下面的錨泊纜便隨其一起上下振動,從而有效地將海表面波浪能吸收并傳遞下去,直達海底。見圖1。

圖1 波浪能傳遞裝置組成圖Fig.1 The formation of the mooring system

當臺風過境或者漲潮退潮時,錨泊地點的海水深度變化較大,張緊錘至重物錨塊之間二十幾米長的鋼質(zhì)儲鏈保證系統(tǒng)仍然有效地吸收并傳遞波浪能。比如,當臺風經(jīng)過時,海面波峰會有十幾米甚至二十幾米,依靠海面浮標的浮力,儲鏈會被拉起,使海表面浮球繼續(xù)漂浮在海表面隨波浪起伏運動,整個系統(tǒng)也可以繼續(xù)傳遞波浪能;再如當退潮時,儲鏈的絕大部分接觸著海底,這時錨泊纜依靠張緊錘的作用,仍然處于比較懸直的狀態(tài)?？梢钥闯?儲鏈起到了在需要的時候間接增長或縮短錨泊纜系垂直長度的目的,從而使海面浮標始終漂浮在海表面吸收傳遞波浪能。

2 系統(tǒng)組成部件的設(shè)計與制作

2.1 海面浮標

海面浮標包括錨燈、不銹鋼球殼和鏈接機構(gòu)等,具體機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。所設(shè)計的海面浮標主要是由兩個不銹鋼半球拼焊而成的球殼,球殼厚度要在保證構(gòu)成浮標一定剛性的前提下,盡可能地薄,這樣可以減輕質(zhì)量,增強其隨波性。為了便于鏈接錨泊纜和固定錨燈以及增加不銹鋼球殼的剛性,過球心從上到下穿有主拉鋼管;為了便于運輸,對稱地焊接著四個拉環(huán);為了防止浮標變形,球殼內(nèi)外的吃力部位都焊接著加強筋。海面浮標制作裝配完成后,在實際應(yīng)用前,要進行密封性能和壓力性能測試。由于海面浮標體積一般較大,進行外壓試驗需要較大的壓力試驗容器,受此條件限制,可以從內(nèi)部進行加壓試驗[2-3]。在制作的時候可以在浮球上留出尺寸合適的兩個圓孔(如孔的直徑為 2cm),從外部加壓試驗。確定密封和耐壓性能良好后,將圓孔密封。

圖2 海面浮標結(jié)構(gòu)組成Fig.2 The formation of surface float

2.2 輔助錨件

2.2.1 錨泊纜

錨泊纜的設(shè)計制作是基于三方面的考慮：(1)錨泊纜的承載力：由于海面浮標體積較小,排水量有限,錨泊纜上的張力有限,但考慮到內(nèi)波和臺風經(jīng)過等惡劣海況的影響,應(yīng)該選取較大的保險系數(shù)。(2)錨泊纜自身質(zhì)量和水中質(zhì)量：由浮標帶動錨泊纜隨波浪起伏運動,鋼纜不能過重,尤其水中質(zhì)量要嚴格控制。(3)錨泊纜防腐蝕性能：由于錨泊纜長時間在海水中浸泡,外表面要進行防腐蝕處理[4]。

綜合以上要求,圖3是所設(shè)計的一種用作錨泊纜的注塑鋼纜的截面,其內(nèi)芯為優(yōu)質(zhì)鋼絲繩,外面進行注塑封裝處理。通過合適的尺寸和比例選擇,使其剛性、水中浮力和韌性恰到好處。

圖3 錨泊纜斷面圖Fig.3 Sketch of line’s section

2.2.2 張緊錘

錨泊裝置中的張緊錘綴于錨泊纜下部,起到繃直錨泊纜的作用,它采用流線型設(shè)計,主要由中軸處有孔的圓柱形和圓臺形鉛磚串套在中心軸桿上構(gòu)成,它在水中質(zhì)量數(shù)十公斤(根據(jù)水深和海況進行調(diào)節(jié)),可以有效地使錨泊鋼纜處于可上下振動的懸直狀態(tài)。具體結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 張緊錘設(shè)計圖Fig.4 Design of pendulum

2.2.3 儲鏈和錨塊

張緊錘和錨塊之間連接一20 m左右的儲鏈,儲鏈可以購置現(xiàn)成的不銹鋼鏈條。

錨泊重物起到定位的作用,為了方便運輸和海上投放,錨泊重物采用分體組裝的方法,組裝塊采用鑄鐵材料,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 錨泊重物設(shè)計圖Fig.5 Sketch of gravity anchor

3 應(yīng)用舉例

本錨泊裝置能夠隨著波浪的起伏而上下運動,從而將波浪能轉(zhuǎn)化成錨泊纜系的動能,在錨泊纜周圍放置永磁鐵,可以用其來發(fā)電[5-6]。另外也可以用其來作單向驅(qū)動,配以適當?shù)膯蜗虿竭M傳動機構(gòu)和測量平臺,可以構(gòu)成海洋要素垂直剖面循環(huán)測量系統(tǒng)[7]。

由圖6可以看出,搭載傳感器的測量平臺借助棘爪機構(gòu)攀附在引導纜上,棘爪機構(gòu)的主要部分是兩個夾槽,一個固定在底板上(固定底板又緊固在測量平臺的一側(cè)),另一個可以隨轉(zhuǎn)動臂在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動,引導纜穿過兩個夾槽相對的部分。整套垂直剖面測量系統(tǒng)的工作原理是：海面浮標隨波浪起伏,帶動一定長度的引導纜在海水中上下振動。當引導纜向下運動時,依靠摩擦力帶動棘爪的可動夾槽下行,從而使兩夾槽擠緊引導纜,隨纜下滑,而測量平臺與傳動棘爪是連在一起的,所以測量平臺也被引導纜帶著下滑;當纜向上運動時,它帶動可動轉(zhuǎn)臂斜向上轉(zhuǎn)動,兩夾槽松開引導纜,因此棘爪和測量平臺依靠慣性滯留原位。當纜繩被波浪帶動反復上下振動時,不斷重復上面的過程,這樣測量平臺就被一步步帶到海底,此時,由電機帶動凸輪推動傳動棘爪上的可動夾槽轉(zhuǎn)離引導纜,使棘爪徹底松開,測量平臺就在自身正浮力的作用下上浮到海面,此后,電機松開棘爪上的可動夾槽,傳動棘爪又起作用,依靠波浪能又使測量平臺步進下潛,如此反復,就可以使測量平臺不斷地沿著引導纜反復上下循環(huán),實現(xiàn)海洋要素的長期、連續(xù)、循環(huán)測量。

圖6 波浪驅(qū)動垂直剖面測量系統(tǒng)工作原理Fig.6 The working principle of a vertical profiler

4 小結(jié)

有效吸收和傳遞波浪能的錨定裝置已經(jīng)在近海試驗中取得了成功,從中可以看出該裝置的特征為：(1)球形的海面浮標隨波浪上下起伏性能較好,同時,海面浮標采用加內(nèi)、外加強筋結(jié)構(gòu),增加了抗拉伸性能,確保浮球不變形。(2) 錨泊纜是經(jīng)過特殊制作的注塑鋼纜,具有一定的抗拉伸性能,同時又具有較高的防腐蝕能力。(3)張緊錘綴于錨泊纜下部,起到繃直錨泊纜的作用,使其處于可上下振動的懸直狀態(tài)。(4)二十多米長的儲鏈可以保證整個系統(tǒng)在海上潮起潮落以及較大風浪的情況下,有效地吸收并傳遞海表面波浪能。(5)錨燈可以在夜間使過往船只等海上交通工具注意到浮標的存在,從而避免整個裝置被船只撞壞。

[1]Arne R.Wave-power absorption by an oscillating water column[J].Physiea Scripta,1991,43(1)：60-67.

[2]李永泰,黃金國,潭繼錦,等.球罐整體結(jié)構(gòu)水平剛度及支柱拉桿應(yīng)力分析[J].壓力容器,2006,34(3)：19-24.

[3]電子工業(yè)專用設(shè)備設(shè)計手冊編寫組.機械設(shè)計手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社,1979.

[4]中國鋼絲繩網(wǎng).不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩技術(shù)參數(shù)[EB/OL].[2007-09-15].http：//www.gangsisheng.net.cn/html/429/.

[5]Emmanuel B A.A direct-drive wave energy converter with contactless force transmission system[D].Oregon：Oregon State University,2005.

[6]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.

[7]李思忍,陳永華,龔德俊,等.有效傳遞波浪勢能的錨定裝置[P].中國專利：200610135091.5,2006-12-27.