论文部分内容阅读
[摘 要]波浪能由于具有分布广泛、能流密度高、价格低廉等特点，至今仍是世界上实用化与商业化程度最高的海洋可再生能源之一。深入研究波浪能转换装置，对解决我国日益严重的能源问题和环境问题具有重要的意义。文中概括了波浪能发电装置的研究现状；综合现有装置普遍的优缺点提出一种一基多体点吸收柔性泵波浪能发电装置，并对该装置的结构及具体工作原理做了一个详细的阐述。
[关键词]波浪能；一基多体；点吸收柔性泵波浪能发电装置；研究构想
中图分类号：TM612 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0226-02
1、引言
随着全球温室效应加剧，环境污染日益严重，传统能源消耗殆尽，开发新能源、降低碳排放、走环境友好型的能源可持续发展道路已在全球范围达成共识，世界各国都在努力发展各种可再生能源。国家海洋事业发展“十二五”规划指出着力提升海洋开发、控制和综合管理能力，统筹海洋事业全面发展，是保障国家“走出去”战略实施的重大举措并将其提升到国家战略层次。海洋波浪能作为海洋能的重要形式之一，具有能流密度大、分布范围广、易于大规模利用等特点，越来越受到众多沿海国家的重视。我国海洋波浪能能流密度虽比不上欧洲地区沿海国家，但也拥有非常可观的开发价值，相信在国家政策的大力支持下，我国海洋波浪能研究会呈现井喷式发展，并快速实现产业化。
波浪能发电装置的种类繁多，迄今为止，波浪能发电装置的专利已经超过1500个。人们提出了点头鸭式、等高筏式、摆式、海蚌式、空气式振荡水柱以及波浪聚集式等多种不同原理的波浪能发电装置，其中4种类型装置被认为极具产业化前景，分别是振荡水柱式装置、摆式装置、振荡浮子装置（点吸收装置）和收缩波道式波浪能发电装置。基于振荡浮子的点吸收式波浪能转换装置是捕获波浪能的主要方式之一，具有制造简单、投放点灵活、成本较低等特点，逐步成为开发利用波浪能的一条有效途径。具有代表性的点吸收波浪能发电装置有英国的WaveBob波力装置，美国的PowerBuoy波力装置，中国科学院广州能源研究所的漂浮点吸收波力直线发电装置等，这些装置都处在海况试验阶段。另外据不完全统计，目前已有28个国家（地区）正在研究开发波浪能，建造大小波力电站（装置、机组或船体）上千座（台）。
海洋波浪能利用的关键是波浪能发电装置，本文在点吸收式波浪能转化研究的基础上，提出并设计了一种新型的一基多体点吸收柔性泵波浪能发电装置，其能量转换主体为振荡浮子和柔性泵。作为目前最具有发展前景的波浪能转换装置，振荡浮子克服了振荡水柱的缺点，转换效率较高，建造成本也相对较低；使用柔性材料制造的柔性泵，其可变型性使其比刚性材料更适用于复杂的海况。文章从结构组成、研究路线、拟解决的关键问题等几个方面详细介绍了该装置的设计思路。
2、一基多体点吸收柔性泵波能发电装置的工作原理
一基多体点吸收柔性泵波能发电装置主要有振荡浮子、柔性泵阵列、母船基体、内部能量转换系统和锚泊系统五大部分组成。其设计理念是将多个柔性泵阵列在一个母型船体上，所有柔性泵共享母船基体内腔能量装换系统，共享基体锚泊系统，巧妙的在一个基体上形成一个波能转换装置群。克服了其它波能装置由于各个装置相对独立、分散，造成的不便于集约化生产管理，同时节约用海面积，且在同等装机容量条件下建造、投放和维护的成本大幅降低。
2.1 振荡浮子点吸收方式工作原理
波能装置根据主梁与波能运动方向的几何关系，可分为三种不同的模式，分别是：终结型模式、减缓型模式和点吸收模式。其中点吸收模式采用垂直于海面的主轴作为居中的稳定结构，相比其它两种模式，其可吸收超过其物理尺寸的波浪的能量（理论上可以是两倍宽度的波浪的能量）且可以同等的吸收来自各个方向的波浪能，大量实海况运行结果表明，点吸收系统在小浪下转换率高达40%，基于此优势，我们在设计新型波能发电装置时确定采用振荡浮子利用点吸收方式俘获波浪能。
2.2 柔性泵的工作原理
柔性泵是本波能发电装置的设计重点及核心部件。柔性泵由具有一定弹性的柔性面和阀门等构成，具有在较小拉伸力作用下，泵腔容积变化大的特点，泵侧安装拉伸弹簧作为回复元件，进出口处安装管径一致的管道与单向阀相连。当波峰到来，浮子向上运动，从而驱动柔性面拉伸，泵内液压低于外部液压，具有一定压头的液体通过单向阀流入柔性泵内，波浪能以液体液压能的方式储存在柔性泵内；当波谷到来，浮子向下运动，柔性面驱动液体通过单向阀流出泵内，进入蓄能装置蓄存。
震荡浮子拉动柔性泵工作原理图如下：
2.3 波能装置整体工作原理
本文所提出的一基多体点吸收柔性泵波能发电装置结构如下图所示：
装置主体由圆柱形浮子阵列和半潜母船组合而成，半潜母船由水密甲板隔开分为上下两个舱室。柔性泵安装于注满液压油的母船上舱室，通过柔性钢绳与圆柱形浮子相连。液压储能罐及发电装置安装于密闭的母船下舱室。当波峰来临，浮子向上运动时，柔性面拉伸泵内液压低于外部液压，液压油通过油管由单向阀进入液压泵；当波谷来临，浮子向下运动，柔性泵驱动液压油通过单向阀流入下层储能罐注意浮子运动时通过钢绳套筒控制海平面方向的运动幅度在一定范围内。当储能罐内液压达到设定值时，高压液压油注入液压发电机进油口驱动液压发电机工作发出电能。由液压发电机出油口流出的液压油又经管道流回上舱室，如此循环往复，持续工作。
3 波能装置的设计开发
（1）装置的初步设计
装置结构的初步设计主要包括下潜附体，负责支撑柔性泵和发电机及其设备；发电系统主要有浮子、柔性泵与液压发电机，根据入射波条件完成尺寸设计；潜浮与锚泊系统，确保结构整体安全，日常情况下正常工作，在台风天气条件下可下潜避险；电力传输系统则包括卸荷、整流、滤波、调压、蓄电、变频、逆变等过程。 根据我国海域实际波浪数据统计，设定波浪周期、波高，理论分析并结合数值计算结果，初步确定振荡浮子及柔性泵的形状参数，制作物理模型，完成装置的初步设计。
（2）装置的性能优化
主要采用建立数学模型，模拟运行环境的方法进行理论分析，得到点吸收柔性泵发电装置的设计尺寸及装配方案。
一基多体点吸收柔性泵发电装置的的物理模型试验研究主要包含四个方面：首先是浮子的工作性能，即该装置在不同入射波条件下往复振荡特性及浮子与波浪相互作用；其次是柔性泵在不同周期，不同波高，不同进出水口面积等条件下对应的转换效率；然后是装置使用液压蓄能罐，可以得到平稳的压力油以供发电，由于海况变化无常，通过模拟计算，拟定蓄能罐释放液压油的最佳平衡值；最后是浮子结构与波浪直接接触，承受波浪力较大，需测试浮子上波浪液压力的分布规律，并为结构设计提供充足的试验数据。
装置的模拟计算：构建以ANSYS软件为平台的三维数值模拟计算程序。通过该程序完成衍射/辐射，包括停泊线的初始静动稳定性，具有不规则波的频域，具有随机波包含慢漂流的时域，具有不规则波的非线性时域等问题的计算。通过模拟计算，完成浮子结构及附体在波浪环境动力荷载作用下的优化设计工作。
结合试验和数值模拟研究，优化分析影响装置的关键参数，最终得到装置符合我国近海波浪条件的转换效率，从而计算每个浮体发电输出功率，为装置实用化设计积累数据，以供参考。
（3）实海况中试实测和试运行
该阶段利用优化设计得到的数据对波能装置进行生产加工、组装及实地安装。在海水中进行试运行两个月，检测各个系统在不同海况下的运行工作状况及子系统之间的配合协调情况，分析实际运行数据，发现存在的问题从而优化改装。
4、拟解决的关键问题及创新点
本文提出的一基多体点吸收柔性泵发电装置拟解决的关键问题包括以下几个方面：
（1）柔性泵做为能量转换的核心部分，其性能直接影响一级转换效率。弹簧对系统性能作用很大，较好的匹配波浪特性的弹簧系数有待优化。柔性泵的弹性面要求较小拉伸力作用下泵腔容积变化大，对柔性泵的制作材料需优化选择。
（2）低能流密度波能资源下的高效转换技术。通过将捕能结构与波浪直接接触来提高能量转换效率，浮子结构输出能量可通过改变装置尺寸进行调整，使其在具有比较合适的吃水深度条件下，适当增加水线面以上的尺寸，保证不发生波浪越过浮子的情形，提高波浪能的有效利用率。适应我国大部分海域周期短、波高小及能流密度小的实际情况，提高广谱性。
（3）一基多体型点吸收柔性泵发电装置的可靠性问题。通过优化结构设计和加工制造工艺，提高装置的结构可靠性，使其适应风浪流联合作用的较为恶劣的海况。此外，解决装置密封和防腐的问题。
作为一种新型的波能发电装置，本设计主要有以下三个创新点：
（1）波能装置的工作环境恶劣，海上台风、海水腐蚀、海生物附着对装置的影响容易造成装置某些结构工作失效，而采用柔性材料做功的柔性泵装置，结构轻，易建造，柔性材料在大浪、台风等恶劣天气条件下可利用自身的可变型性减少破坏冲击，安全性比其它刚性装置高很多。
（2）采用一基多体的设计理念。目前，全球只有少部分国家在进行波浪能装置群的实海况试验，如2011年苏格拉开始建造的3台Oyster浮力摆装置群，美国OPT公司正在计划建造多台PowerBuoy组成的点吸收装置群。
（3）波能装置能量装换系统安装于密封的半潜船体内，避免了大部分装置与海水的直接接触，降低了关键部件的腐蚀消耗，可以大大提升装置的使用寿命。装置投放于近海海域，通过实时监测，遇到台风、大浪的恶劣天气可以根据情况开启母型船潜浮系统下潜，规避危险，保证装置安全。日常工作状态则部分下潜确保海浪不越过浮子，以期获得较大的波浪能转换效率。
5、结语
随着国家海洋发展“十二五”规划的推出及实施，海洋能在清洁能源领域所占的比重将越来越高；海洋能利用也将从现在的单一利用逐步发展为规模巨大的综合利用平台，如现在已有研究人员提出的海上发电平台概念。海洋能利用基于现代科技的进步，只有拓宽思维、积极了解国内外最新科技成果，综合考虑，才能加快我国海洋能开发商业化的进程，才能促进海洋能利用的持续、快速、健康的发展。
参考文献
[1] 陈勇.中国能源与可持续发展/中国可持续发展总纲（第三卷）.北京；科学出版社，2007，1-20.
[2] 吴必君，刁向红，王坤林，等.10KW漂浮点吸收直线发电波力装置[].海洋技术.2012
[3] Hadano K，Taneura K，Saito T，Nakano K.Evaluation of Energy Obtained by Float-Type Wave Generation System[c].In： Proceedings of te Fourteenth International Offshore and Polar Engineering Conference.Toulon，Feance： International Society of Offshore and Polar Engineers，2004，1：246-252.
[4] Retzler C.Measurements of the slow drift dynamics of a model Pelamis wave energy converter[J].Renewable Energy，2005，31：257-269.
[5] 游亚戈，李伟，刘伟民，等.海洋能发电技术的发展现状与前景[J].电力系统与自动化，2010，14：1-10.
[6] G.Lagstroem.Sea Power International—Floating Wave Power Vessel，FWPV.Wave power—moving towards commercial viability.London，UK：Institution of Mechanical Engineers Seminar.1999，8-12.
[7] Umesh A.Korde.Use of Oscillation Constraints in Providing a Reaction for Deep Water Floating Wave Energy Devices[C].In：Proceedings of the Tenth International Offshore and Polar Engineering Conference.Seattle，USA：International Society of Offshore and Polar Engineers，200，1：366-372
[8] 肖刚，马强，马丽.海洋能—日月与大海的结晶，武汉；武汉大学出版社，2013.7.
[关键词]波浪能；一基多体；点吸收柔性泵波浪能发电装置；研究构想
中图分类号：TM612 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0226-02
1、引言
随着全球温室效应加剧，环境污染日益严重，传统能源消耗殆尽，开发新能源、降低碳排放、走环境友好型的能源可持续发展道路已在全球范围达成共识，世界各国都在努力发展各种可再生能源。国家海洋事业发展“十二五”规划指出着力提升海洋开发、控制和综合管理能力，统筹海洋事业全面发展，是保障国家“走出去”战略实施的重大举措并将其提升到国家战略层次。海洋波浪能作为海洋能的重要形式之一，具有能流密度大、分布范围广、易于大规模利用等特点，越来越受到众多沿海国家的重视。我国海洋波浪能能流密度虽比不上欧洲地区沿海国家，但也拥有非常可观的开发价值，相信在国家政策的大力支持下，我国海洋波浪能研究会呈现井喷式发展，并快速实现产业化。
波浪能发电装置的种类繁多，迄今为止，波浪能发电装置的专利已经超过1500个。人们提出了点头鸭式、等高筏式、摆式、海蚌式、空气式振荡水柱以及波浪聚集式等多种不同原理的波浪能发电装置，其中4种类型装置被认为极具产业化前景，分别是振荡水柱式装置、摆式装置、振荡浮子装置（点吸收装置）和收缩波道式波浪能发电装置。基于振荡浮子的点吸收式波浪能转换装置是捕获波浪能的主要方式之一，具有制造简单、投放点灵活、成本较低等特点，逐步成为开发利用波浪能的一条有效途径。具有代表性的点吸收波浪能发电装置有英国的WaveBob波力装置，美国的PowerBuoy波力装置，中国科学院广州能源研究所的漂浮点吸收波力直线发电装置等，这些装置都处在海况试验阶段。另外据不完全统计，目前已有28个国家（地区）正在研究开发波浪能，建造大小波力电站（装置、机组或船体）上千座（台）。
海洋波浪能利用的关键是波浪能发电装置，本文在点吸收式波浪能转化研究的基础上，提出并设计了一种新型的一基多体点吸收柔性泵波浪能发电装置，其能量转换主体为振荡浮子和柔性泵。作为目前最具有发展前景的波浪能转换装置，振荡浮子克服了振荡水柱的缺点，转换效率较高，建造成本也相对较低；使用柔性材料制造的柔性泵，其可变型性使其比刚性材料更适用于复杂的海况。文章从结构组成、研究路线、拟解决的关键问题等几个方面详细介绍了该装置的设计思路。
2、一基多体点吸收柔性泵波能发电装置的工作原理
一基多体点吸收柔性泵波能发电装置主要有振荡浮子、柔性泵阵列、母船基体、内部能量转换系统和锚泊系统五大部分组成。其设计理念是将多个柔性泵阵列在一个母型船体上，所有柔性泵共享母船基体内腔能量装换系统，共享基体锚泊系统，巧妙的在一个基体上形成一个波能转换装置群。克服了其它波能装置由于各个装置相对独立、分散，造成的不便于集约化生产管理，同时节约用海面积，且在同等装机容量条件下建造、投放和维护的成本大幅降低。
2.1 振荡浮子点吸收方式工作原理
波能装置根据主梁与波能运动方向的几何关系，可分为三种不同的模式，分别是：终结型模式、减缓型模式和点吸收模式。其中点吸收模式采用垂直于海面的主轴作为居中的稳定结构，相比其它两种模式，其可吸收超过其物理尺寸的波浪的能量（理论上可以是两倍宽度的波浪的能量）且可以同等的吸收来自各个方向的波浪能，大量实海况运行结果表明，点吸收系统在小浪下转换率高达40%，基于此优势，我们在设计新型波能发电装置时确定采用振荡浮子利用点吸收方式俘获波浪能。
2.2 柔性泵的工作原理
柔性泵是本波能发电装置的设计重点及核心部件。柔性泵由具有一定弹性的柔性面和阀门等构成，具有在较小拉伸力作用下，泵腔容积变化大的特点，泵侧安装拉伸弹簧作为回复元件，进出口处安装管径一致的管道与单向阀相连。当波峰到来，浮子向上运动，从而驱动柔性面拉伸，泵内液压低于外部液压，具有一定压头的液体通过单向阀流入柔性泵内，波浪能以液体液压能的方式储存在柔性泵内；当波谷到来，浮子向下运动，柔性面驱动液体通过单向阀流出泵内，进入蓄能装置蓄存。
震荡浮子拉动柔性泵工作原理图如下：
2.3 波能装置整体工作原理
本文所提出的一基多体点吸收柔性泵波能发电装置结构如下图所示：
装置主体由圆柱形浮子阵列和半潜母船组合而成，半潜母船由水密甲板隔开分为上下两个舱室。柔性泵安装于注满液压油的母船上舱室，通过柔性钢绳与圆柱形浮子相连。液压储能罐及发电装置安装于密闭的母船下舱室。当波峰来临，浮子向上运动时，柔性面拉伸泵内液压低于外部液压，液压油通过油管由单向阀进入液压泵；当波谷来临，浮子向下运动，柔性泵驱动液压油通过单向阀流入下层储能罐注意浮子运动时通过钢绳套筒控制海平面方向的运动幅度在一定范围内。当储能罐内液压达到设定值时，高压液压油注入液压发电机进油口驱动液压发电机工作发出电能。由液压发电机出油口流出的液压油又经管道流回上舱室，如此循环往复，持续工作。
3 波能装置的设计开发
（1）装置的初步设计
装置结构的初步设计主要包括下潜附体，负责支撑柔性泵和发电机及其设备；发电系统主要有浮子、柔性泵与液压发电机，根据入射波条件完成尺寸设计；潜浮与锚泊系统，确保结构整体安全，日常情况下正常工作，在台风天气条件下可下潜避险；电力传输系统则包括卸荷、整流、滤波、调压、蓄电、变频、逆变等过程。 根据我国海域实际波浪数据统计，设定波浪周期、波高，理论分析并结合数值计算结果，初步确定振荡浮子及柔性泵的形状参数，制作物理模型，完成装置的初步设计。
（2）装置的性能优化
主要采用建立数学模型，模拟运行环境的方法进行理论分析，得到点吸收柔性泵发电装置的设计尺寸及装配方案。
一基多体点吸收柔性泵发电装置的的物理模型试验研究主要包含四个方面：首先是浮子的工作性能，即该装置在不同入射波条件下往复振荡特性及浮子与波浪相互作用；其次是柔性泵在不同周期，不同波高，不同进出水口面积等条件下对应的转换效率；然后是装置使用液压蓄能罐，可以得到平稳的压力油以供发电，由于海况变化无常，通过模拟计算，拟定蓄能罐释放液压油的最佳平衡值；最后是浮子结构与波浪直接接触，承受波浪力较大，需测试浮子上波浪液压力的分布规律，并为结构设计提供充足的试验数据。
装置的模拟计算：构建以ANSYS软件为平台的三维数值模拟计算程序。通过该程序完成衍射/辐射，包括停泊线的初始静动稳定性，具有不规则波的频域，具有随机波包含慢漂流的时域，具有不规则波的非线性时域等问题的计算。通过模拟计算，完成浮子结构及附体在波浪环境动力荷载作用下的优化设计工作。
结合试验和数值模拟研究，优化分析影响装置的关键参数，最终得到装置符合我国近海波浪条件的转换效率，从而计算每个浮体发电输出功率，为装置实用化设计积累数据，以供参考。
（3）实海况中试实测和试运行
该阶段利用优化设计得到的数据对波能装置进行生产加工、组装及实地安装。在海水中进行试运行两个月，检测各个系统在不同海况下的运行工作状况及子系统之间的配合协调情况，分析实际运行数据，发现存在的问题从而优化改装。
4、拟解决的关键问题及创新点
本文提出的一基多体点吸收柔性泵发电装置拟解决的关键问题包括以下几个方面：
（1）柔性泵做为能量转换的核心部分，其性能直接影响一级转换效率。弹簧对系统性能作用很大，较好的匹配波浪特性的弹簧系数有待优化。柔性泵的弹性面要求较小拉伸力作用下泵腔容积变化大，对柔性泵的制作材料需优化选择。
（2）低能流密度波能资源下的高效转换技术。通过将捕能结构与波浪直接接触来提高能量转换效率，浮子结构输出能量可通过改变装置尺寸进行调整，使其在具有比较合适的吃水深度条件下，适当增加水线面以上的尺寸，保证不发生波浪越过浮子的情形，提高波浪能的有效利用率。适应我国大部分海域周期短、波高小及能流密度小的实际情况，提高广谱性。
（3）一基多体型点吸收柔性泵发电装置的可靠性问题。通过优化结构设计和加工制造工艺，提高装置的结构可靠性，使其适应风浪流联合作用的较为恶劣的海况。此外，解决装置密封和防腐的问题。
作为一种新型的波能发电装置，本设计主要有以下三个创新点：
（1）波能装置的工作环境恶劣，海上台风、海水腐蚀、海生物附着对装置的影响容易造成装置某些结构工作失效，而采用柔性材料做功的柔性泵装置，结构轻，易建造，柔性材料在大浪、台风等恶劣天气条件下可利用自身的可变型性减少破坏冲击，安全性比其它刚性装置高很多。
（2）采用一基多体的设计理念。目前，全球只有少部分国家在进行波浪能装置群的实海况试验，如2011年苏格拉开始建造的3台Oyster浮力摆装置群，美国OPT公司正在计划建造多台PowerBuoy组成的点吸收装置群。
（3）波能装置能量装换系统安装于密封的半潜船体内，避免了大部分装置与海水的直接接触，降低了关键部件的腐蚀消耗，可以大大提升装置的使用寿命。装置投放于近海海域，通过实时监测，遇到台风、大浪的恶劣天气可以根据情况开启母型船潜浮系统下潜，规避危险，保证装置安全。日常工作状态则部分下潜确保海浪不越过浮子，以期获得较大的波浪能转换效率。
5、结语
随着国家海洋发展“十二五”规划的推出及实施，海洋能在清洁能源领域所占的比重将越来越高；海洋能利用也将从现在的单一利用逐步发展为规模巨大的综合利用平台，如现在已有研究人员提出的海上发电平台概念。海洋能利用基于现代科技的进步，只有拓宽思维、积极了解国内外最新科技成果，综合考虑，才能加快我国海洋能开发商业化的进程，才能促进海洋能利用的持续、快速、健康的发展。
参考文献
[1] 陈勇.中国能源与可持续发展/中国可持续发展总纲（第三卷）.北京；科学出版社，2007，1-20.
[2] 吴必君，刁向红，王坤林，等.10KW漂浮点吸收直线发电波力装置[].海洋技术.2012
[3] Hadano K，Taneura K，Saito T，Nakano K.Evaluation of Energy Obtained by Float-Type Wave Generation System[c].In： Proceedings of te Fourteenth International Offshore and Polar Engineering Conference.Toulon，Feance： International Society of Offshore and Polar Engineers，2004，1：246-252.
[4] Retzler C.Measurements of the slow drift dynamics of a model Pelamis wave energy converter[J].Renewable Energy，2005，31：257-269.
[5] 游亚戈，李伟，刘伟民，等.海洋能发电技术的发展现状与前景[J].电力系统与自动化，2010，14：1-10.
[6] G.Lagstroem.Sea Power International—Floating Wave Power Vessel，FWPV.Wave power—moving towards commercial viability.London，UK：Institution of Mechanical Engineers Seminar.1999，8-12.
[7] Umesh A.Korde.Use of Oscillation Constraints in Providing a Reaction for Deep Water Floating Wave Energy Devices[C].In：Proceedings of the Tenth International Offshore and Polar Engineering Conference.Seattle，USA：International Society of Offshore and Polar Engineers，200，1：366-372
[8] 肖刚，马强，马丽.海洋能—日月与大海的结晶，武汉；武汉大学出版社，2013.7.