漂浮擺—斜坡組合式波浪能發電裝置研究

萬占鴻，張大海，鄭紅浩

（浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316021）

研究論文

漂浮擺—斜坡組合式波浪能發電裝置研究

萬占鴻，張大海，鄭紅浩

（浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316021）

目前全球對能源的需求急速增長，其中對可再生能源的需求也越來越大。中國將成為全球能源消費第一大國，研發高效的可再生能源裝備已刻不容緩。我國有大量可開發的海洋波浪能，其中舟山附近海域的波浪能相當豐富。文中研發了適合舟山海域波浪條件的波浪能發電裝置。具體研究內容包括以下幾個方面：（1）從流體力學理論出發，采用斜坡將水平速度轉化為垂向速度，設計了近岸固定式可適應潮位變化的波浪能發電裝置。（2）進行了多種結構漂浮擺-斜坡組合的模型試驗，找到了最佳結構方案，驗證了漂浮擺原理的可行性。利用提升重物的方法獲得了模型裝置的一級波浪能捕獲效率，成功通過液壓裝置將波浪能轉化為電能。（3）建立了基于非穩態RANS的CFD仿真模型，分析漂浮擺式波浪能捕獲模塊的水動力性能。研究在不同載荷情況下漂浮擺裝置的能量輸出情況，得到了裝置在特定工況下的漂浮擺受力情況，為能量轉化系統設計和裝置設計制造提供參考。

水動力性能；波浪能裝置；漂浮擺-斜坡；CFD

隨著經濟的不斷發展和人們消費水平的不斷提高，全球的能源需求也在快速增長。國際能源署2013年報告顯示，未來30年全球能源需求將增加37%，2040年的原油需求量將為10 400萬桶/日，比2013年的原油需求量多1 400萬桶/日。報告還指出，大約20年后我國將成為全球最大的石油消費國。此外，2040年與能源相關的二氧化碳排放量將增長1/5，與這一排放量相對應的是，全球平均氣溫將上升3.6℃。因化石能源使用而引發的氣候異常現象和酸雨等環境問題也呈逐年增多之勢。

波浪能由風產生，是太陽能輻射的衍生物。太陽能輸入到地球表面的能量平均功率密度為350 W/m2，其中轉化成波浪能的功率密度通常為0.01～0.1 W/m2，雖然這只占太陽能總輸入的極小部分，但是海浪可以在極遠的距離上傳播而損失很小，因此可以在海面上積累起超過100 kW/m的能量密度（每米迎波面寬度的功率）。波浪能的主要優點是它具有高質量的形式——振動的機械能，并且可以傳遞很長的距離，幾乎沒有能量損失，這使得大洋深處的波浪能可以在海洋邊緣或附近積累和捕獲。其他優點包括吸收器效應，由此裝置可以從任一側的波長的一部分提取能量。

舟山市不僅具有足夠的資源，而且還提供所有必要的條件，以確保波能量轉換器的連續和可靠的操作。選址的關鍵因素是靠近岸邊，因為它不僅影響成本（例如水下電力電纜），而且大多數要考慮在當地造船廠安全地恢復設備和進行維護的可行性。所以在考慮資源、成本、運行和維護等因素后，可以認為舟山市可以作為全國波浪能發展的重點位置之一。研究波浪能發電對改善我國環境條件、促進社會經濟發展具有非常好的意義和前景，如果研究得當，這會成為一種可以為全國乃至全人類生活生產需要服務的綠色能源的技術。

1 漂浮擺—斜坡組合式波浪能發電裝置組成原理與模型試驗

圖1 裝置三維建模示意圖

根據流體力學理論可知，深水波水質點速度隨水深的增加迅速減小，主要的波浪能分布在水面附近。一般的擺式波浪能多采用液壓裝置轉化發電。本文設計一種在水面附近工作的漂浮擺式波浪能發電裝置。如圖1所示，該發電裝置主要包括固定在海底上的樁柱，樁柱呈等腰梯形布置，開口大的朝著波浪入射方向，有可以在樁柱上滑動的滑動平臺，滑動平臺下部有擺動框架，擺動框架內部鉸接受波浪驅動的漂浮擺，該漂浮擺轉動軸位于水面附近。擺動支架兩側有側板、下部有斜坡；還包括搖桿式液壓泵以及液壓能轉化電能裝置。滑動平臺上有樁柱鎖緊裝置，有擺動框架位置的控制部件，滑動平臺下方有用于提供浮力的浮箱。

圖2 波浪能捕獲模塊原理圖

本文主要研究波浪能捕獲部分（圖2），即波浪能轉化為機械能的一級捕獲效率。浮擺為輕質材料浮體，漂浮擺與機架鉸接點位于靜水面附近，漂浮擺鉸接的連桿連接液壓泵搖桿。波浪驅動漂浮擺向上擺動驅動液壓泵搖桿，將機械能轉化為液壓能，漂浮擺向上擺動到極限位置后依靠自身重力向下擺動復位，液壓泵搖桿復位并吸入液壓油，漂浮擺重力能使自身回到初始位置即可。

漂浮擺作為一級能量轉換裝置，與波浪直接作用。根據波浪理論，漂浮擺在波浪力與自身重力的作用下往復擺動，將波浪能轉換為漂浮擺的機械能。因此，漂浮擺的截面形狀以及與其下方斜坡的相對位置對波浪能捕獲起到決定性作用。本文首先研究了不同結構形式的波浪能捕獲情況。如圖3，Type A所示結構中只有漂浮擺的為以色列的SDE波浪能裝置，實驗發現在漂浮擺運動過程中，漂浮擺右側形成的波形較大，波浪能捕獲效果較差。基于改進這一裝置的目標，采用在漂浮擺下方加斜坡的方式阻止波浪從漂浮擺下方穿過，提高波浪能捕獲效率。Type A和Type B中漂浮擺轉軸與漂浮擺浮體有一定的距離，斜坡在水平位置上可以平行移動。實驗裝置如圖4所示，實驗結果可以看出在漂浮擺向上運動的過程中，其右側表面與斜坡之間存在較大的空隙，波浪從中越過，造成大量的波浪能損失。

圖3 波浪能捕獲模塊原理圖

圖4 漂浮擺裝置模型

圖5 漂浮擺裝置type D模型實驗圖

實驗發現，斜坡與漂浮擺逐漸靠近的過程中，從二者縫隙中涌出的水量逐漸減小，漂浮擺運動幅度增加，由于結構因素，漂浮擺與斜坡的縫隙不能完全消除。因此將結構優化為Type C所示。Type C所示結構進行實驗，少量波浪可以從漂浮擺與斜坡之間存在的裝配縫隙中涌出，波浪能損失可以忽略不計。漂浮擺在下降過程中其前端凸出部分會造成反射，對波浪能捕獲影響較大，因此將漂浮擺前端下部去掉，即Type D中空白部分，保留陰影部分。如圖5所示在波浪運動過程中斜坡前部形成三角形的空間，因此，漂浮擺采用三角形截面后向下運動不會造成波浪反射，說明了采用三角形截面的正確性。

實驗采用提升重物計算其重力勢能增量的方法來說明本波浪能捕獲方式的效率。波浪能轉化為重力勢能的效率如圖 6所示，效率最大值為37.13%，最小值為32.76%，平均值為35%。漂浮擺波浪能發電裝置系統模型的液壓發電模塊，包括搖桿液壓泵，液壓馬達，變速箱，發電機。在此次試驗中，搖桿液壓泵輸出高壓液壓油，直接驅動液壓馬達，經變速箱加速后驅動發電機發電，按圖8所示安裝尺寸固定在水槽上。如圖7所示，其中發光“ZJU”字符由18個0.5 W LED燈組成，最大瞬時功率9 W。

圖6 漂浮擺裝置Type D模型能量轉化曲線圖

圖7 漂浮擺裝置模型發電實驗圖

圖8 漂浮擺裝置尺寸參數圖

2 仿真研究

本節采用STAR CCM+軟件研究漂浮擺在波浪條件為周期T=5 s，浪高H=1 m時的具體性能，建模時為降低網格數量只計算裝置的一半寬度（計算寬度4 m）。首先介紹不同斜坡角度漂浮擺的捕獲效率。如圖所示在初始位置時漂浮擺右側底面與斜坡迎波面平行。斜坡角度調整，漂浮擺也相應調整。實驗選用漂浮擺擺長L為8 m，線性阻力矩系數為3 500 000 N·m·s·rad-1。

圖9 不同斜坡角度做功曲線

圖9 顯示了在一個波浪周期內不同斜坡角度漂浮擺做功情況，可以發現35°時做功值最大，可以認定斜坡的最優角度為35°。原因分析：斜坡角度在35°以上時，斜坡對流體的向上的反射作用隨角度的增加而減小，從而流體對漂浮擺的作用力減小。斜坡角度在35°以下時，隨斜坡角度的減小，入射波浪能減小，波浪能捕獲減小。

漂浮擺的運動與波浪周期的共振對波浪能捕獲有決定性的作用，從較小重力矩開始，基于增加重力矩、減小轉動慣量的原則進行大量的仿真實驗，并找到了使漂浮擺運動與波浪實現共振的參數。

漂浮擺長度為8 m；質量：4 400 kg；重心位置：(-2.58 m,0 m,-0.22 m)；轉動慣量：43 124 kg·m2。

以下主要研究線性負載和恒定扭矩負載情況下的做功情況。

首先研究了當線性力矩系數C分別取3 000，3 500，4 000，4 500，5 000，5 500，6 500，7 000，7 500，8 000 kN·m·s·rad-1時的輸出功率情況。如圖10所示在C取值為6 500 kN·m·s·rad-1時其最大瞬時功率得到最大值為50.02 kW。一個波浪周期內做功情況如圖11所示，可以發現隨著線性力矩系數的逐漸增大，漂浮擺對外做功先增加后減小，并在C取值為6 500 kN·m·s·rad-1時其最大輸出功為69.861 kJ，說明存在最佳線性負載系數使波浪能輸出效率最大。

圖10 最佳線性力矩系數功率曲線

圖11 不同線性力矩系數輸出能量曲線

圖12 不同線性力矩系數各種能量曲線

圖13 不同線性力矩系數流體力矩曲線

圖12 為漂浮擺上升到最高位置時的重力勢能、輸出能量以及捕獲能量，捕獲能量為重力勢能與輸出能量之和。隨著線性負載系數C的增大，漂浮擺的重力勢能減小（漂浮擺轉角減小），捕獲能量減小，而輸出能量先增加后減小。可以得到在一定線性負載范圍內，漂浮擺轉角越大捕獲波浪能越多，此處波浪能捕獲最大值為92.8 kJ。最大波浪能捕獲效率與最大能量輸出所對應的線性負載系數不同。圖13為不同線性力矩系數流體力矩曲線。

圖14為不同恒定PTO負載情況下能量輸出情況，存在最佳恒定PTO負載。圖15所示，隨著負載力矩的增加，漂浮擺受到的力矩也增加。在一個做功周期內，流體作用力矩先增加后減小，變化幅度遠小于線性負載時的情況。

圖14 不同恒定PTO力矩能量輸出曲線

圖15 不同恒定PTO力矩流體作用力矩曲線

在進行模型實驗時，由于操作因素漂浮擺在向下運動時產生了反射波，使得不同波浪周期的做功發生波動。因此非常有必要漂浮擺運動對流場的影響。如圖16所示，漂浮擺在波峰作用后，由于漂浮擺下方水位較高，裝置前方水位較低，水在重力的作用下向下運動，形成了扇形的漸變區域。在波谷逐漸向裝置下方運動的過程中沒有發現有漂浮擺造成的波峰出現入射波波峰運動過程中，由于水位比裝置漂浮擺下方水位高，水受重力作用向下運動，在裝置入口處形成了扇形的漸變區，但是對入射波峰影響可以忽略。從圖中可以看出在近兩個周期的時間內入射波浪左側等高線始終為直線，因此可以判定裝置不產生反射波。

圖16 流場等高線圖

由于漂浮擺整體質量較輕，制造的材料要求密度小，強度和剛度要求比較高，因此漂浮擺表面的受力情況對材料的選擇和漂浮擺內部結構的安排起決定性作用。線性阻力系數為4 000 000 N·m·s· rad-1時，一個波浪周期內漂浮擺表面壓強如圖17所示，最大表面壓強僅為113.9 kPa。

圖17 漂浮擺下表面受力圖

3 結語

本文以開發舟山附近海域波浪能為背景，研究近岸漂浮擺式波浪能發電裝置，對波浪能捕獲模塊的水動力性能進行了研究和分析，得出了以下結論：實驗室模型試驗證明了漂浮擺—斜坡組合式波浪能捕獲原理的可行性，找到了最佳的漂浮擺—斜坡組合形式。仿真研究表明，斜坡與水平面角度對漂浮擺捕獲波浪能有一定的影響，得到了一定角度范圍內的影響規律。得到了不同負載情況下的輸出特性，對于線性負載存在最優線性負載系數使能量輸出最大；在一定范圍內，線性負載系數越小，漂浮擺轉角越大，波浪能捕獲越多；對于恒定扭矩負載存有最佳阻力矩值。漂浮擺—斜坡組合式波浪能捕獲原理有極大的優越性：漂浮擺質量小，適合加工制造以及海洋環境安裝；波浪能捕獲效率較高；能量輸出效率較高；漂浮擺運動過程中不發生波浪發射；漂浮擺表面所受壓強較小，對材料強度要求較低。

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Research on the Floating Pendulum-Slope Combined Type of Wave Energy Power Generation Device

WAN Zhan-hong,ZHANG Da-hai,ZHENG Hong-hao
Ocean College,Zhejiang University,Zhoushan 316021,Zhejiang Province,China

Currently,with the fast increase of global energy requirement,the industry is increasingly focusing on renewable energies.As the largest energy consumer in the world in the near future,it is urgent for China to develop efficient renewable energy utilization equipment.China boasts abundant exploitable wave energy, especially in the sea area off the coast of Zhoushan Islands.A kind of wave energy power generation device has been developed suited to the wave conditions of the Zhoushan area.The research involves the following aspects: (1)Based on hydrodynamic theories,slope is adopted to convert horizontal speed into vertical speed.so as to design a wave energy converter fixed nearshore and adapted to the variation of tidal levels.(2)Experiments on the floating pendulum-slope combined model with multiple structures are conducted to find out the optimal scheme for structural designing,and the feasibility of the floating pendulum principle is validated.The method of raising heavy objects is used to obtain the first-level wave energy capture efficiency of the model,successfully converting wave power into electricity through hydraulic pressure devices.(3)This paper establishes the CFD simulation model based on non-stable RANS,and analyzes the hydrodynamic properties of the wave energy capture mode.The energy output of the floating pendulum is studied under different loads in order to obtain the force analysis of the pendulum under certain load conditions,which provides a reference for the design and manufacturing of the wave energy converting system.

hydrodynamic properties;wave energy power generation device;floating pendulum-slope;CFD

P743.2

A

1003-2029（2017）04-0001-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.001

2017-02-09

海洋可再生能源專項資金資助項目（SDME2010GC02）；海洋公益性行業科研專項經費資助項目（20110518-5）

萬占鴻（1974-），男，博士，副教授，主要研究方向為海洋流體動力學、船舶與海洋工程、清潔能源及海洋生態等理論和工程應用。E-mail：wanzhanhong@zju.edu.cn