浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置研究概述

李強(qiáng)，何宏舟，劉森明，鄭松根

(1.福建省能源清潔利用與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廈門 361021； 2.福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術(shù)研究中心 廈門 361021)

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浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置研究概述

李強(qiáng)1，2，何宏舟1，2，劉森明1，2，鄭松根1，2

(1.福建省能源清潔利用與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廈門 361021； 2.福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術(shù)研究中心 廈門 361021)

文章介紹了幾種浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置及其工作原理，總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其中幾種裝置的優(yōu)化研究，并對(duì)浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)展前景進(jìn)行了分析。

浮子式；波浪能轉(zhuǎn)換裝置；優(yōu)化

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)能源的消耗與需求不斷增加，造成石油、天然氣和煤炭等一次性能源已日益枯竭，尋找可再生新能源成為一種解決能源短缺問(wèn)題的有效途徑。海洋占地球總表面積的比例超過(guò)70%，蘊(yùn)藏著巨大的能量，主要包括波浪能、潮汐能、潮流能、海流能、溫差能以及鹽差能等，其中波浪能作為一種新型能源越來(lái)越得到人們的關(guān)注。

波浪能的主要利用方式是通過(guò)波浪能轉(zhuǎn)化裝置將其轉(zhuǎn)換為電能，目前世界上主要發(fā)展和研制的波浪能發(fā)電裝置有“點(diǎn)頭鴨”式、振蕩水柱式、擺式、聚波蓄能式、振蕩浮子式、閥式等裝置。一些裝置原型已經(jīng)大規(guī)模建造，并且在海中測(cè)試，但是，由于浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置具有能量轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)海洋水動(dòng)力環(huán)境的影響小、浮子形式靈活、結(jié)構(gòu)形式多樣等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置已經(jīng)成為大多數(shù)海浪發(fā)電公司的主要技術(shù)方向。如圖1所示，浮子式波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展成熟度已經(jīng)達(dá)到81.78%，表明其已被眾人認(rèn)可、掌握，是未來(lái)可商業(yè)化發(fā)展的重點(diǎn)對(duì)象。

圖1 各類波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展成熟度對(duì)比

根據(jù)浮子個(gè)數(shù)，浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置可以分為單體式、雙體式以及陣列式等。

1 幾種浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置

1.1 單體式

單體式裝置是研究較早的波浪能轉(zhuǎn)換裝置，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，如瑞典的直線電機(jī)垂蕩浮子裝置[1]、美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)研制的由浮子驅(qū)動(dòng)線性發(fā)電機(jī)的裝置L-10[2]、荷蘭的AWS等[3]。

直線電機(jī)垂蕩浮子WEC的電機(jī)一端與海面上的浮子通過(guò)一根繩子相連，另一端由彈簧連接于系泊系統(tǒng)，彈簧的作用是在一半波浪周期內(nèi)儲(chǔ)存能量，同時(shí)在波谷時(shí)該能量可作為彈簧的回復(fù)力(圖2)。運(yùn)動(dòng)的波浪帶動(dòng)浮子，進(jìn)而使發(fā)電機(jī)在豎直方向上產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，這樣便實(shí)現(xiàn)了波浪能到電能的轉(zhuǎn)換。瑞典烏普薩拉大學(xué)對(duì)該張緊系泊式浮子進(jìn)行了研究，并在瑞典西海岸測(cè)試了一個(gè)直徑3 m的圓柱形浮子裝置。

圖2 直線電機(jī)垂蕩浮子示意圖

L-10波浪能轉(zhuǎn)換器由一個(gè)深水立柱和一個(gè)環(huán)形碟狀浮子組成。其中，立柱用于提供足夠的浮力來(lái)抵抗電機(jī)的重力，且通過(guò)錨鏈張緊系泊在海底；浮子可以相對(duì)立柱做上下垂直運(yùn)動(dòng)，而其他自由度則被限制(圖3)。由于浮子和立柱的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在立柱上產(chǎn)生力，永磁直線電機(jī)便將其轉(zhuǎn)換為電能。一個(gè)設(shè)計(jì)功率10 kW的裝置模型(浮子外半徑3.5 m，立柱長(zhǎng)6.7 m)已于2008年9月在俄勒岡州的新港進(jìn)行了測(cè)試。

圖3 L-10示意圖

AWS波浪能轉(zhuǎn)換器是一個(gè)單體全淹沒(méi)型浮子裝置，由兩個(gè)部分組成：一個(gè)是上方的振蕩體，即浮子；一個(gè)是底部固定在海底的結(jié)構(gòu)，即基底。其中，浮子隨著波峰波谷分別下移上移(類似彈簧的作用)，壓縮裝置內(nèi)部的空氣，線性電機(jī)將浮子運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能輸出(圖4)。該裝置于2004年完成測(cè)試并取得成功，是第一個(gè)使用線性電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的波能轉(zhuǎn)換裝置。

圖4 AWS示意圖

1.2 雙體式

雙體式浮子裝置是由兩個(gè)振蕩浮子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能，它可以克服單體式浮子裝置可能受到的海水表面與海底的距離限制以及潮汐振蕩的影響。此類裝置比較典型的有瑞典Interproject Service公司開(kāi)發(fā)的雙體浮子系統(tǒng)發(fā)電裝置IPS[4]、美國(guó)公司Ocean Power Technologies發(fā)明的軸對(duì)稱雙浮子裝置PowerBuoy[5]以及愛(ài)爾蘭的Wavebob[6]等。

IPS WEC由一個(gè)浮子與一個(gè)完全淹沒(méi)的垂直立管(所謂的加速管)剛性連接在一起，且立管兩端都開(kāi)口。立管內(nèi)的活塞相對(duì)浮子——立管系統(tǒng)來(lái)回運(yùn)動(dòng)(該運(yùn)動(dòng)來(lái)自于波浪對(duì)浮子的作用以及封閉立管中水的慣性作用)，并驅(qū)動(dòng)能量輸出系統(tǒng)發(fā)電(圖5)。后來(lái)對(duì)該裝置的改進(jìn)主要包括立管內(nèi)部的任意一端被做成喇叭狀以限制活塞行程，以及設(shè)計(jì)新型的Aqua裝置(結(jié)合IPS的理論，依靠雙軟管泵產(chǎn)生的高壓水來(lái)驅(qū)動(dòng)Pelton水輪機(jī))。

圖5 IPS示意圖

PowerBuoy波浪能轉(zhuǎn)換器由一個(gè)圓盤形的浮子作用于圓柱體，裝置底部有個(gè)大的水平阻尼板，旨在通過(guò)周圍水的附加質(zhì)量來(lái)增加慣性(圖6)。兩浮子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)由液壓動(dòng)力輸出系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

圖6 PowerBuoy示意圖

Wavebob波浪能轉(zhuǎn)換器由兩個(gè)對(duì)稱同軸、剛性連接的浮子組成，分別稱為Torus和Float。這兩個(gè)浮子結(jié)構(gòu)能吸收各種條件下的波浪能，通過(guò)高壓油系統(tǒng)將兩者的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能，并且能在惡劣的海洋環(huán)境中生存。裝置由一個(gè)阻尼系統(tǒng)控制，可以響應(yīng)預(yù)測(cè)波高、波的功率和頻率。罐體結(jié)構(gòu)(半潛體)使用捕獲的海水作為其主要慣性質(zhì)量，這大大降低了結(jié)構(gòu)材料成本。圖7是Wavebob示意圖，圖7中浮子2的作用是增加慣性，同時(shí)卻不會(huì)減少激振力和輻射力。

圖7 Wavebob示意圖

1.3 陣列式

為了吸收更多的波能，采用陣列布置是較好的方式。陣列布置時(shí)可以共用一個(gè)平臺(tái)框架和動(dòng)力輸出系統(tǒng)，使分散的能量得以匯集，形成大規(guī)模波浪發(fā)電群，經(jīng)濟(jì)性上降低了造價(jià)，工程上又保證了電能的連續(xù)輸出。該類型裝置有澳洲的CETO[7](2015年3月啟用，世界首個(gè)波能發(fā)電站)、丹麥的Wavestar波浪能轉(zhuǎn)換器[8]以及挪威的Pontoon Power Converter[9](PPC)等。

CETO波浪能轉(zhuǎn)換器是典型的陣列式波能轉(zhuǎn)換裝置，由浮力促動(dòng)器、渦輪泵組、海底管道等組成(圖8)。圓形的浮力促動(dòng)器被安裝在水下25～50 m的深度，同時(shí)被連接到海床上的渦輪泵組。當(dāng)海浪拍擊到浮力促動(dòng)器上時(shí)便啟動(dòng)泵組，泵組將海水增壓并通過(guò)管線送到岸上的水力發(fā)電廠，這些被強(qiáng)力增壓的海水再驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電。這套系統(tǒng)不同于其他波浪能裝置，因?yàn)榘惭b在海底，這樣可以遠(yuǎn)離暴風(fēng)雨帶來(lái)的損害，與此同時(shí)從岸上也是看不到的，減少了陸地景觀的破壞，也更加安全。

圖8 CETO單元示意圖

Wavestar波浪能轉(zhuǎn)換器由眾多浮子和一個(gè)固定于海底的平臺(tái)組成。平臺(tái)兩側(cè)直線分布間隔較小的浮子，每個(gè)浮子是淹沒(méi)的半球，通過(guò)一個(gè)浮子臂和鉸鏈結(jié)構(gòu)連接在主體結(jié)構(gòu)。能量輸出系統(tǒng)是一個(gè)配備液壓馬達(dá)的高壓油液壓回路，運(yùn)動(dòng)的波浪使浮子相對(duì)平臺(tái)擺動(dòng)，進(jìn)而擠壓液壓油進(jìn)入液壓回路，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫哪芰?。一個(gè)24 m長(zhǎng)、功率為5.5 kW的Wavestar波浪能轉(zhuǎn)換器已于2006年在丹麥海域進(jìn)行了測(cè)試。

PPC波浪能轉(zhuǎn)換器是一個(gè)適合在各種水深下松弛系泊的漂浮式波浪能轉(zhuǎn)換器，由工作浮子、液壓缸、水力渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成。其中，浮子連有相應(yīng)的配重結(jié)構(gòu)，所有配重的凈重力與浮子產(chǎn)生的總浮力相互平衡。浮子的振蕩運(yùn)動(dòng)由液壓輸出系統(tǒng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，所產(chǎn)生的電能主要通過(guò)陸上電網(wǎng)出售給大眾使用，也可以為海上石油平臺(tái)提供電能。此外，該裝置還有“颶風(fēng)保護(hù)設(shè)計(jì)(hurricane protection design)”，在面對(duì)颶風(fēng)等極端海況時(shí)可以將易損壞部件沒(méi)入海水中，延長(zhǎng)裝置使用壽命。

2 浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的優(yōu)化研究

為了提高裝置的能源綜合利用率，Muliawan等學(xué)者[10]介紹了一種spare-torus combination(STC)裝置，該裝置將桅桿(Spar)式風(fēng)機(jī)“Hywind”以及雙體浮子式波浪能轉(zhuǎn)換器“Wavebob” 組合在一個(gè)漂浮平臺(tái)上。 其中，波浪能轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中的浮子用桅桿式風(fēng)機(jī)代替，圓環(huán)順著柱體滑動(dòng)來(lái)吸收波能，而風(fēng)機(jī)則是吸收風(fēng)能。通過(guò)這種方式，浮子作為Wavebob的主體結(jié)構(gòu)而省去，而且兩者共用系泊系統(tǒng)、電纜等，相比于單獨(dú)的風(fēng)機(jī)和波能轉(zhuǎn)換裝置，這樣可以提高能源生產(chǎn)密度并且使建造費(fèi)用大幅減少。

在提高采能效率方面，高人杰[11]研究了浮子形狀結(jié)構(gòu)對(duì)采能效率的影響，基于三維勢(shì)流理論和牛頓第二定律理論的計(jì)算，對(duì)常見(jiàn)的圓柱形、圓錐形和球形浮子進(jìn)行對(duì)比分析，得到浮子最優(yōu)形狀方案；蘇永玲等[12]研究了浮子的最優(yōu)采能結(jié)構(gòu)尺寸，通過(guò)在不同波浪周期條件下，改變浮子與發(fā)電機(jī)之間的中間轉(zhuǎn)換裝置的參數(shù)，從而確定浮子的最優(yōu)俘獲寬度比；為了最大限度地提高Wavestar WEC(裝有3個(gè)浮子)單位時(shí)間內(nèi)的能量輸出，Anup等[13]基于最近開(kāi)發(fā)的線性水動(dòng)力時(shí)域矩陣模型，應(yīng)用不同控制策略于PTO(能量輸出系統(tǒng))阻尼和剛度系數(shù)矩陣，對(duì)矩陣中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；António等[14]對(duì)IPS WEC加速管幾何形狀和幾個(gè)波浪周期內(nèi)PTO(能量輸出系統(tǒng))阻尼系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分別在規(guī)則波與不規(guī)則波條件下進(jìn)行數(shù)值分析，并且在規(guī)則波中結(jié)合立管內(nèi)的一維定常流動(dòng)模型，對(duì)該裝置進(jìn)行了時(shí)域分析等。

關(guān)于裝置可靠性方面，Simon等[15]提出一種基于疲勞設(shè)計(jì)要素FDF的可靠度校準(zhǔn)方法，通過(guò)S-N曲線和斷裂力學(xué)對(duì)Wavestar WEC疲勞狀況進(jìn)行數(shù)值模擬；Limin等[16]基于時(shí)域分析方法，對(duì)一個(gè)浮子式WEC中的液壓缸的長(zhǎng)期疲勞損傷狀況進(jìn)行研究。通過(guò)計(jì)算疲勞損傷，如缸體材料、直徑、厚度與直徑的比率等，得出了可以通過(guò)增加缸體內(nèi)徑或者厚度與內(nèi)徑的比率來(lái)減小疲勞損傷。趙麗君[17]對(duì)多點(diǎn)吸能浮子液壓式波浪發(fā)電裝置中的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真與試驗(yàn)，得到了與該裝置功率相匹配的液壓缸、蓄能器、液壓馬達(dá)等液壓元件。相比于機(jī)械傳遞系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、質(zhì)量輕體積小、承載能力大、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提高裝置在海洋中的可靠性。

3 總結(jié)

浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置是未來(lái)WEC的發(fā)展趨勢(shì)，有著巨大的商業(yè)化潛能。近年來(lái)，世界各國(guó)已進(jìn)入對(duì)浮子式WEC大規(guī)模研究的階段，研究熱點(diǎn)主要集中在提高裝置的綜合利用率、采能效率以及可靠性等方面，并且呈現(xiàn)出陣列化與規(guī)?；_(kāi)發(fā)的趨勢(shì)。這主要由于單、雙浮子式WEC相比于陣列式WEC經(jīng)濟(jì)性較差，且無(wú)法充分利用一個(gè)波浪周期內(nèi)的能量、電能輸出不連續(xù)等，因此陣列式WEC是主要的商業(yè)化方向。其中，將浮子陣列安裝在漂浮式海浪發(fā)電船上是一個(gè)新型的發(fā)展方向。海浪發(fā)電船機(jī)動(dòng)、靈活，可以根據(jù)風(fēng)力和波浪的大小選擇合適試驗(yàn)海域，在遇到臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣時(shí)可以及時(shí)回港避風(fēng)，安全性較好且便于設(shè)備維護(hù)；發(fā)電裝置中只有浮子與海水直接接觸，無(wú)需在海底鋪設(shè)大量輸電電纜、電機(jī)以及能量傳遞系統(tǒng)，大大增加了裝置的可靠性，減少施工難度，降低成本。為了提高漂浮式海浪發(fā)電船的發(fā)電效率以及經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)對(duì)采能裝置、能量傳遞方式等方面進(jìn)行優(yōu)化，以使其更趨于實(shí)用化和商業(yè)化。

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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

國(guó)家海洋局可再生能源專項(xiàng)“波浪能耦合其他海洋能的發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)”(XMME2011BL02)；福建省海洋廳項(xiàng)目“綜合利用波浪能和海上風(fēng)能的浮擺式海浪發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”(閩海高新〔2014〕16號(hào)).

李強(qiáng)，碩士研究生，研究方向?yàn)榇芭c海上裝置能源工程，電子信箱：906303191@qq.com

P743.2

A

1005-9857(2016)03-0064-05