四浮子周向均布波浪能供電浮標(biāo)的設(shè)計與試驗

吳明東，盛松偉，張亞群，張芙銘

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；2.中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣東 廣州510640；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（廣州），廣東 廣州 511458；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

海洋觀測浮標(biāo)在全球經(jīng)濟開發(fā)、防災(zāi)減災(zāi)、科學(xué)研究、維護(hù)主權(quán)等方面起到了不可或缺的作用[1]。將波浪能轉(zhuǎn)換為充足、穩(wěn)定的電力，對解決海洋觀測浮標(biāo)長周期海上作業(yè)時需頻繁更換電源的問題意義重大[2]。隨著波浪能發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，其技術(shù)成熟度越來越高，從而為促進(jìn)波浪能供電浮標(biāo)的發(fā)展奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)[3]。

利用海洋波浪能為海洋浮標(biāo)供電的設(shè)想很早就己經(jīng)被提出。早在19世紀(jì)，日本科學(xué)家就將中心管振蕩水柱技術(shù)應(yīng)用在了助航浮標(biāo)上。梁賢光研制了一種為航標(biāo)供電的振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置，并進(jìn)行了實海況試驗[4]。趙環(huán)宇對一種機械傳動的波浪能供電浮標(biāo)進(jìn)行了數(shù)值模擬[5]。馬全黨設(shè)計了一種風(fēng)能、潮流能、光能耦合供電的海洋浮標(biāo)供電裝置[6]。

本文綜合振蕩浮子波浪能發(fā)電技術(shù)和振蕩水柱波浪能發(fā)電技術(shù)，研發(fā)了一種四浮子周向均布的、多維的、雙俘獲方式的波浪能供電浮標(biāo)[7]～[12]；通過開展三維水池水動力學(xué)試驗，對浮標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并根據(jù)工作海域的海洋環(huán)境資源進(jìn)行了樣機的整體結(jié)構(gòu)及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計，以期為實型樣機的建造提供指導(dǎo)。

1 浮標(biāo)設(shè)計

1.1 波浪能供電浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)

本文研發(fā)的波浪能供電浮標(biāo)由波浪能俘獲系統(tǒng)、液壓式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和錨泊系統(tǒng)組成。圖1波浪能供電浮標(biāo)的示意圖。該波浪能供電浮標(biāo)能夠在波浪周期為2～3 s，波高約為0.5 m的小浪海域工作[13]。

圖1 波浪能供電浮標(biāo)示意圖Fig.1 Schematic diagram of wave energy buoy model

波浪能俘獲系統(tǒng)可分為波浪能吸波浮子和主體結(jié)構(gòu)兩部分，他們的連接如圖2所示。前者主要功能是俘獲波浪能，后者的主要功能是輔助波浪能吸波浮子做功及搭載所有系統(tǒng)和儀器設(shè)備。為了能夠吸收多個方向的波浪能，獲得更高的俘獲寬度比，該浮標(biāo)的波浪能俘獲系統(tǒng)同時采用振蕩浮子（簡稱俘獲方式A）和振蕩水柱（OWC）（簡稱俘獲方式B）兩種俘獲方式。振蕩浮子式波浪能俘獲系統(tǒng)主要由4個周向均布于主體結(jié)構(gòu)外側(cè)的鷹式吸波浮子組成，該浮子具有質(zhì)量輕、慣性小、隨波性好、正面入射波頻響寬度大以及背面造波小的優(yōu)點[7]。振蕩水柱式波浪能俘獲系統(tǒng)設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)中心管內(nèi)，發(fā)電單元采用空氣透平。液壓式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包含液壓缸、蓄能系統(tǒng)、液壓自治控制器等。每個吸波浮子上設(shè)置了液壓缸。錨泊系統(tǒng)由錨鏈和沉塊組成，系泊方式為懸鏈線式。電氣控制系統(tǒng)將兩種俘獲方式獲得的波浪能轉(zhuǎn)換為電能后儲存在蓄電池中，再供給浮標(biāo)上的儀器設(shè)備使用。

圖2 波浪能吸波浮子和主體結(jié)構(gòu)的連接Fig.2 The connection between the wave absorbing buoy and the main structure

1.2 波浪能供電浮標(biāo)的工作原理

俘獲方式A：在波浪的作用下，吸波浮體往復(fù)運動推動液壓缸擠壓液壓油，將波浪能轉(zhuǎn)換為液壓能并存儲在蓄能系統(tǒng)中；當(dāng)蓄能系統(tǒng)中的液壓能不斷上升時，液壓自治控制系統(tǒng)自動釋放高壓液壓油，將液壓能轉(zhuǎn)換為馬達(dá)和發(fā)電機的動能，最終轉(zhuǎn)換為電能。

俘獲方式B：在波浪的作用下，主體結(jié)構(gòu)中心管內(nèi)氣室內(nèi)的水柱往復(fù)上下振蕩，將波浪能轉(zhuǎn)換為氣體的動能；氣體推動空氣透平進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，氣體動能轉(zhuǎn)換為空氣透平的動能；透平帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，最終將透平的動能轉(zhuǎn)換為電能。

2 模型試驗及結(jié)果

2.1 模型試驗參數(shù)

按照波浪能供電浮標(biāo)的設(shè)計方案，模型最大直徑為1.9 m，總高為2.3 m，各系統(tǒng)參數(shù)如下。

①波浪能俘獲系統(tǒng)：4個方向均布4個吸波浮子，單個浮子的迎波寬度為1.2 m；主體結(jié)構(gòu)的中心管內(nèi)設(shè)置54.4 L的容積氣室，最下端設(shè)置3層盤狀結(jié)構(gòu)（增加穩(wěn)定性），其直徑分別為1.2，1.2 ，2.0 m。

②液壓式能量裝換系統(tǒng)：每個吸波浮體上安裝兩個液壓缸，采用舉起重塊的方式代替蓄能系統(tǒng)。

③錨泊系統(tǒng)：如圖3所示，系泊鏈采用3條直徑為5 mm錨鏈；主浪方向為兩根錨鏈，兩者之間呈60°，分布于模型兩側(cè)，模型背波面沿主浪傳播方向為一根6 m長的錨鏈。

圖3 錨泊系統(tǒng)分布圖Fig.3 Mooring system distribution diagram

為測試波浪能供電浮標(biāo)模型的水動力學(xué)性能及俘獲寬度比，在國家海洋技術(shù)中心的三維造波水池開展浮標(biāo)模型水池試驗。該水池長130 m，寬18 m，試驗段水深4.5 m，可造多種規(guī)則波和不規(guī)則波，最大造波波高為0.6 m，最大造波周期為5 s。

根據(jù)波浪能供電浮標(biāo)工作海域的波況，設(shè)置模型試驗的工況如表1，2所示。單組試驗采集時間大于20個波浪周期且重復(fù)3次，采集數(shù)據(jù)取均值。其中，不規(guī)則波采用Jonswap譜。

表1 規(guī)則波試驗工況Table 1 Regular wave test conditions

表2 不規(guī)則波試驗工況Table 2 Irregular wave test conditions

2.2 試驗結(jié)果

在規(guī)則波和不規(guī)則波波況下，規(guī)則波的入射功率Pw和不規(guī)則波的入射功率P′w的計算式分別為[14]

通過試驗數(shù)據(jù)計算得到俘獲方式A在不同波況下的俘獲寬度比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 規(guī)則波和不規(guī)則波下的俘獲寬度比Fig.4 Oscillating floats capture width ratio under regular waves and irregular waves

從圖4可以看出：

①在規(guī)則波的不同波況下，隨著負(fù)載的逐漸增加，俘獲方式A的俘獲寬度比呈拋物線形式變化；在波況4，5下，俘獲方式A獲得了良好的水動力學(xué)響應(yīng)，最高俘獲寬度比在波況4中獲得，為40%，此時負(fù)載為60 kg；在波況5中獲得的最高俘獲寬度比為34%，此時負(fù)載為50 kg；

②在波高不同、周期相同的規(guī)則波下（波況1，2），當(dāng)負(fù)載小于70 kg時，俘獲方式A在波高較小的波況下的俘獲寬度比較大；當(dāng)負(fù)載大于70 kg時，俘獲方式A的俘獲寬度比均小于10%，波高的變化對俘獲寬度比幾乎無影響；

③在周期不同、波高相同的規(guī)則波下（波況2，3，4），俘獲方式A的最高俘獲寬度比隨著周期的增大而增大，最高俘獲寬度比對應(yīng)的負(fù)載也隨之增大；當(dāng)負(fù)載大于160 kg時，所有波況的俘獲寬度比均小于10%；

④在不規(guī)則波作用下，隨著負(fù)載的增加，俘獲方式A的俘獲寬度比大體呈拋物線形式變化；在不同波況下，俘獲寬度比均出現(xiàn)了雙峰的趨勢，在波況7中獲得的最高俘獲寬度比為26%，此時負(fù)載為50 kg。

俘獲方式A和俘獲方式B在不同波況下的最大俘獲寬度比如圖5所示。從圖5可以看出，俘獲方式A的最佳俘獲寬度比為20%～40%，俘獲方式B的最佳俘獲寬度比為2%～7%，且俘獲方式B的最高俘獲寬度比出現(xiàn)在波況2中。

圖5 不同俘獲方式下的俘獲寬度比Fig.5 The ratio of capture width under different capture modes

3 樣機設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

通過對浮標(biāo)模型的三維水池試驗結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，對波浪能供電浮標(biāo)的設(shè)計方案進(jìn)行了以下幾個方面的優(yōu)化：①綜合考慮模型試驗中俘獲寬度比最高時的波況（規(guī)則波：T=1.4 s，H=120 mm；不規(guī)則波：Tp=1.5 s，Hs=187 mm）以及波浪能供電浮標(biāo)預(yù)期工作海域的海況（Tp=2～3 s，Hs=0.5 m），由重力相似準(zhǔn)則，確定波浪能供電浮標(biāo)的樣機與模型的幾何尺度比為3；②俘獲方式B的俘獲寬度比較低，且對浮標(biāo)整體結(jié)構(gòu)的安全性存在一定影響，因此，在樣機設(shè)計中，建議將俘獲方式B取消，改為設(shè)備艙；③試驗過程中，模型主體結(jié)構(gòu)下端的盤狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量對于浮體整體的穩(wěn)定性無影響，因此，在樣機設(shè)計中，建議只設(shè)置單層盤裝結(jié)構(gòu)。

根據(jù)樣機與模型的尺度比，結(jié)合以上優(yōu)化方案對樣機進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果如圖6所示。

圖6 波浪能供電浮標(biāo)樣機設(shè)計圖Fig.6 Prototype design drawing of wave energy buoy

浮標(biāo)樣機的總高為10 m，直徑為6.0 m，頂部設(shè)可安裝用電設(shè)備的上層建筑，下端設(shè)單層底盤。浮標(biāo)內(nèi)設(shè)容積約為6 000 L的設(shè)備艙和容積約為2 800 L的電池倉。錨泊系統(tǒng)仍采用3條錨鏈，其中兩根以來波方向為中線呈45°分布，第三根沿主浪向設(shè)置于裝置后方，單根錨鏈的上部錨鏈長10 m。

3.2 能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計

由于浮標(biāo)內(nèi)空間比較窄小，液壓能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)經(jīng)集成優(yōu)化后如圖7所示。系統(tǒng)采用0-1模式精確控制發(fā)電流程。液壓能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)適合在多種波況下運行發(fā)電。小浪況下，系統(tǒng)將俘獲波浪能輸入蓄能器內(nèi)集中輸出，統(tǒng)一發(fā)電，保證了能量轉(zhuǎn)換的高效性；中等浪況下，液壓油經(jīng)過蓄能器穩(wěn)壓后，控制器處于長期開啟狀態(tài)，發(fā)電機持續(xù)發(fā)電，穩(wěn)定輸出；大浪況下，超過系統(tǒng)裝機容量的高壓液壓油經(jīng)溢流閥自動溢流，釋放多余能量以確保系統(tǒng)的運行安全。

圖7 液壓能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計圖Fig.7 Design drawing of hydraulic energy conversion system

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種新型四浮子周向均布波浪能供電浮標(biāo)，并在三維水池內(nèi)進(jìn)行了模型試驗，獲得了模型的俘獲寬度比，最后根據(jù)模型試驗結(jié)果對波浪能供電浮標(biāo)樣機進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到以下結(jié)論。

①四浮子周向均布的設(shè)計方案的俘獲寬度比較高，具有實際推廣的價值。

②波浪能供電浮標(biāo)的綜合兩種俘獲方式的方案不可取，振蕩浮子式俘獲系統(tǒng)將來波吸收后，振蕩水柱式俘獲系統(tǒng)僅可俘獲少量的波浪能。

③四浮子周向均布波浪能供電浮標(biāo)在垂蕩方向的運動幅度較小，穩(wěn)定性高，利于搭載海洋儀器，為其提供平穩(wěn)的基礎(chǔ)平臺。

④根據(jù)不同的海域海況，可設(shè)置不同的幾何尺度比，設(shè)計不同尺寸的樣機以滿足不同的用電需求。