海浪能潮汐能雙模式發(fā)電裝置設(shè)計(jì)與研究

孔凡國(guó)，張健存，劉慶，李肇星，羅玉林

（1.五邑大學(xué)智能制造學(xué)部,廣東江門529020; 2.深圳市圓夢(mèng)精密技術(shù)研究院,廣東深圳518110）

0 引 言

我國(guó)相關(guān)方針和政策大力支持可持續(xù)綠色清潔能源的開發(fā)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)、海水溫差能和海水鹽差能[1]。其中，潮汐能是月球和太陽(yáng)等天體的引力使海洋水位發(fā)生潮汐變化而產(chǎn)生的能量，通過(guò)建有攔潮壩的潮汐電站發(fā)電，其成本高且對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，它不但會(huì)改變潮差和潮流，還會(huì)改變海水溫度和水質(zhì)[2]。

另外，海浪能作為一種海水動(dòng)能，其利用不受天氣因素的影響，且能量密度高，分布廣泛，儲(chǔ)存的能量巨大。目前世界代表性的海浪發(fā)電裝置按照工作原理分為三類：振蕩水柱式（oscillating water column）、振蕩浮體式（oscillating bodies）和越浪式（overtopping）。國(guó)內(nèi)各高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)振蕩浮體式研究較為深入，如上海交通大學(xué)于2016年研發(fā)的一種新型六維海浪發(fā)電裝置[3]，用并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)六自由度捕捉海浪的最大動(dòng)能，極具創(chuàng)新性和實(shí)用價(jià)值。

本文提出了一種海浪能潮汐能雙模式發(fā)電裝置, 設(shè)計(jì)浮體在海上，各機(jī)械部件在陸地，有效解決漏油、潮汐高度影響、電量傳送、裝置腐蝕、維修困難等問(wèn)題，利用海浪能，同時(shí)利用潮汐能發(fā)電。利用可持續(xù)清潔的海洋能發(fā)電，本身也是一種不會(huì)造成污染的裝置，不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生影響，既不改變潮差和潮流，又不改變海水溫度和水質(zhì)；抗干擾性非常強(qiáng)，不受洪水、臺(tái)風(fēng)的影響。

1 海浪能潮汐能雙模式發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)

發(fā)電裝置保持能量轉(zhuǎn)換方式不變，如圖1所示。設(shè)計(jì)浮體在海上，浮體的形狀類型[4]如圖2所示，本文針對(duì)球狀浮體進(jìn)行研究。浮體與系泊纜繩相連，系泊纜繩經(jīng)過(guò)海底的動(dòng)滑輪組、輔助固定滑輪與陸地上的機(jī)械部件相連，將浮體從海浪能中獲得的振蕩能傳輸?shù)疥懙厣线M(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。為使系泊纜繩保持拉應(yīng)力，須在系泊纜繩與活塞式液壓缸連接處增加重力平衡塊，使浮體的行程與活塞式液壓缸的行程保持比例關(guān)系，在沒(méi)有海浪的平靜海面，重力平衡塊經(jīng)過(guò)力轉(zhuǎn)換使得球狀浮體產(chǎn)生吃水深度。通過(guò)上述的結(jié)構(gòu)，浮體可以自適應(yīng)捕捉海浪的最大振蕩方向產(chǎn)生最大行程，獲得最大的海浪能。同時(shí)合理設(shè)計(jì)活塞式液壓缸行程，可以同時(shí)自動(dòng)捕捉潮汐能，將其轉(zhuǎn)化為液壓能。海浪能潮汐能雙模式發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

2 發(fā)電裝置受力分析

2.1 球浮體波浪力分析

設(shè)半徑為R的球浮體漂浮在水深為h的海面上,吃水深度d為R，如圖4所示。為了便于球面積分，引入球坐標(biāo)（r，θ，α）,則半球面上任一點(diǎn)的球坐標(biāo)為:

式中：J0(kRsinα)、J1(kRsinα)、J2(kRsinα)分別為零階、一階、二階第一類貝塞爾函數(shù)。

將式（3）和dS=R2sinαdαdθ代入式

式(2)～式(5)中：ρ為水密度；H為波浪高度；ω為波浪圓頻度；h為水深；z為浮體位移；k為波數(shù)；R 為浮體半徑；d為吃水深度；CH為水平繞射系數(shù)；CV為垂直繞射系數(shù)。

C.J. Garrison 和V.S. Rao (1971)[5]給出了半球潛體在不同相對(duì)半徑kR情況下的CH和CV值，如圖5所示。

2.2 波浪力捕抓結(jié)構(gòu)分析

海底動(dòng)滑輪組的回輪副軸線與切點(diǎn)A 后段的系泊纜繩共線，使得浮體帶動(dòng)系泊纜繩在前后、切向、左右運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，切點(diǎn)A后段的系泊纜繩l保持非切線方向靜止，如圖6所示。

O點(diǎn)為L(zhǎng)段的延長(zhǎng)線與回轉(zhuǎn)副軸線的交點(diǎn)。當(dāng)浮體帶動(dòng)系泊纜繩在前后方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，使得O點(diǎn)在回轉(zhuǎn)副軸線上滑動(dòng)，O點(diǎn)與切點(diǎn)A的距離為Δl。由于Δl＜＜L，可認(rèn)為O點(diǎn)位于當(dāng)L段的延長(zhǎng)線與回轉(zhuǎn)副軸線正交時(shí)的位置。浮體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)為前后、切向、左右方向運(yùn)動(dòng)的合成。作用在球狀浮體上的水平波浪力FH和垂直波浪力FV的合力FTotal與系泊纜繩L段共線，其變化范圍在以O(shè)點(diǎn)為頂點(diǎn)的圓錐體內(nèi)，隨水平波浪力和垂直波浪力變化而變化，實(shí)時(shí)自動(dòng)捕捉最大的海浪能，如圖7所示。

3 發(fā)電裝置動(dòng)力學(xué)分析

式（6）～式（10）中：ρ為水密度；V浮體為球狀浮體的吃水體積；m平衡塊為重力平衡塊；P液壓為油壓缸內(nèi)壓強(qiáng)；A為油壓缸活塞面積；Ji為滑輪i轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；F為作用在油壓缸活塞上的軸向外力。

活塞力平衡方程為

式中：K為彈簧剛度；x為活塞位移；x0為彈簧預(yù)壓縮量；B為活塞在缸內(nèi)的阻尼系數(shù)；m為活塞質(zhì)量。

能量轉(zhuǎn)換缸流量方程為

式中：q為能量轉(zhuǎn)換缸流出的油液流量；W為活塞行程；β為油液彈性模量。

發(fā)電機(jī)功率方程為

式中：P電為發(fā)電機(jī)功率;n為液壓馬達(dá)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速;η為發(fā)電效率，取0.9。

4 某海域工況應(yīng)用仿真

表1 海域工況參數(shù)表

由活塞力平衡方程式(11)可知，該系統(tǒng)為單自由度強(qiáng)迫振蕩系統(tǒng)，而軸向外力隨著周期變化的同時(shí)，也隨著阻尼的作用而增大，變化較為復(fù)雜，本文不深入討論。油壓發(fā)電油路中設(shè)有溢流閥等恒壓環(huán)節(jié)，取P液壓=2.8 MPa，由式(12)可得出q平均=34 L/min。選用BMR36型液壓馬達(dá),其參數(shù)如圖9所示。聯(lián)合式(13)可得發(fā)電裝置的參數(shù),如表2所示。

表2 發(fā)電裝置的參數(shù)

5 相關(guān)參數(shù)對(duì)電能輸出的影響規(guī)律

上述某海域工況具體實(shí)現(xiàn)參數(shù)中，根據(jù)式(13),P電由Mv和n決定，而Mv和n又取決于q和P液壓。BMR36型液壓馬達(dá)每轉(zhuǎn)1 rad所需輸入液體的體積V排、輸出轉(zhuǎn)矩Mv和轉(zhuǎn)速n的關(guān)系[9]如式(14)、式(15)所示,將表2參數(shù)代入式中,可求出V排=6.8×10-6m3/s,μ=0.6,聯(lián)立式(13)，可得出P電的參數(shù)化方程（16）。

式中：V排為液壓馬達(dá)每轉(zhuǎn)1 rad所需要輸入液體的體積,m3/rad,為常數(shù); μ為轉(zhuǎn)矩系數(shù),為常數(shù);q為油液流量,m3/s。

聯(lián)立式(16)～式(18),可得P電的具體參數(shù)化方程為

6 結(jié) 論

對(duì)海浪能潮汐能雙模式發(fā)電裝置分析與研究, 得出如下結(jié)論：1）提出了一種新型結(jié)構(gòu)的海浪能潮汐能雙模式發(fā)電裝置；2）進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究和某海域工況的應(yīng)用仿真；3)分析了球狀浮體半徑、海浪高度和海浪周期對(duì)發(fā)電功率的影響規(guī)律。