一种新型漂浮式波浪能发电装置的设计与研究

　　摘要：文章针对江苏连云港所取得的漂浮式波浪能发电装置的研究新成果，较为详细地阐述了该装置的设计原理、基本结构以及工作过程，并对试验装置的特点进行了分析。目前，该发电装置研究与试验已取得了预期的效果，为下一步试验样机的制造奠定了良好的基础。

　　关键词：波浪能；漂浮式；发电装置；试验装置

　　中图分类号：P743文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）28-0013-03

　　当下，可再生能源是世界各国尤其是发达国家都在重点研究的课题，而海洋能作为一种极具发展前景的清洁可再生资源更是受到沿海国家的青睐。海洋能中以波浪能的利用与研究最为典型，因其分布范围广、易于大规模利用，从而受到众多沿海国家的高度重视。研究和开发海洋波浪能是世界各海洋国家共同努力发展的方向，海洋波浪能发电装置的开发和应用将推动清洁能源的发展进程，对解决海岛和海上装备的电力供应问题具有重大意义。

　　江苏连云港海域使用保护动态管理中心自2010年起，与中科院广州能源所、东南大学、河海大学等科研院所合作，从事波浪能发电装置的研究工作。课题组提出建立独立的海洋波浪能发电装置初步设计为20kW直列漂浮式结构。该装置在降低建造和运行维护成本、提高抗大浪冲击能力、稳定的电能输出等方面都具有明显优势。文章将对该装置的设计原理、基本结构以及工作过程进行阐述。

　　1装置总体设计

　　通过对波浪能发电装置的整体设计、仿真设计测试、零部件研制、试验和模型实海况试验等研究，取得相关成果，以研制出结构可靠、发电持续稳定、运营和维护成本低的波浪能发电装置。

　　该装置为直列漂浮式波浪能发电装置，主要由采能器与连接耦合件组成，所使用的材料均为船用钢材及结构钢材，材料来源广泛且容易采购。采能器之间通过耦合连接件连接，耦合连接件为一个适应波长的加力杆，采能器在波浪的作用下随波浪摆动，加力杆通过铰链轴的支撑作用驱动集压器活塞做两点间的往复运动，从而挤压在集压器中的液体，迫使集压器中的液体形成一个从常压→高压→常压的往复循环过程，继而高压液流输入到液压调平蓄能装置中，液压调平蓄能装置出口液流的压力与流速会根据液压发电机组的要求进行调整，经调整后的恒压恒流液流输入到液压发电机系统中进行发电，即波浪迫使采能器摆动，通过集压器的转换将波浪能量转换成液压能，进而转换成电能。本项目研制的波浪发电装置所产出的电能可以直接输出使用，也可以储存进行二次使用。根据连云港海州湾海洋平台海域波浪特征，采能器设计为可在0.5m以上的波高开始工作，波高在2m时达到最佳负荷状态。

　　采能器和耦合件的设计充分考虑了采能器形状、耦合器结构、尺寸与实施海域的波长、波高和周期等相关波浪要素的匹配关系，使得发电量在同样海况下通过耦合件的作用使其最大化。采能器受波浪驱动运动轨迹的理论分析与实海况测试分析计算表明，对于周期3秒、波高0.5m的波浪，活塞的往复运动行程能够达到100mm以上，为启动集压条件，在本项目的实施环境中已经达到单个集压器可以启动集压的条件（见图1）。而对于周期5～6s、波高2m的波浪，活塞的往复运动行程达到844mm以上，则是集压器的理想挤压条件

　　（见图2）

　　图1启动波高差变化图

　　图2理想波高差变化图

　　2主要研究内容

　　该直列漂浮式波浪能发电装置，主要由采能器、耦合连接系统、集能蓄能系统、发电系统以及锚固系统组成（见图3）。

　　图3装置示意图

　　其工作原理是采能传输系统随波涌运动，接受海洋涌动的能量，通过铰链驱动集压系统工作，集压系统给流体施加压力，把不稳定的压力流压入稳压系统中，经过调平之后，稳定的压力流驱动液压发电系统稳定运行，继而通过输出系统输出稳定电压和电流。流体回流进入循环状态。

　　2.1整体装置与波浪匹配的适应性优化

　　2.1.1通过采能器在波高运动变化中的规律、仿真设计以及水槽试验的验证，对比仿真设计的设置条件。经过一系列的实验验证后得到制造实体结构的详细数据，按该实体结构参数制造出采能器。对采能器进行实海况测试，验证其仿真数据与试验测试数据的吻合性，继而检验仿真条件设置的科学性和合理性，在改进优化设计中使仿真设计条件更贴近实海况状态，从而提高后续仿真设计应用的可靠性，大量地节省时间、人力、物力。

　　2.1.2装置外形结构几何尺寸与运动效率的参数分析。分析装置的外形形状与结构尺寸对采能器运动幅度和实际摆动力的影响，得到最佳摆动幅度与最佳出力的结合参数。

　　2.1.3耦合结构与波长、频率的最佳工作段分析。其目的是优化设计耦合结构，使采能器在属地海域获得最大出力。

　　2.1.4优化集能器的最佳出力范围。通过水槽测试分析将集能器的受力角度、力的大小与压力流的输出匹配到最佳出力范围。

　　2.1.5装置整体结构与启动波高、最大波高对系统出力的稳定性和持续性的影响。优化启动波高、最大波高与出力的关系，指导下一步的优化设计。

　　2.2耐大浪和抗台风研究

　　直列漂浮式波浪能发电装置的设计将充分考虑我国为台风多发区，遭受破坏性风浪袭击的发生概率较高，所以装置能在风浪中安全地运行，又不被风浪破坏显得至关重要，必须对装置的抗风浪的能力有充分的准备，强化装置在大风大浪中的运行稳定性以及装置的安全性是极其必要的。经济学论文采能器使用双层结构设计，分为上密封舱与下压载舱。装置的正常工作状态是装置整体的大部分是浸在海水中（如图4所示），根据波浪高度调整装置的吃水深度，最大限度地提高采能器工作效率，使装置在适当的波浪驱动力作用下平稳地工作。

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