吳濤,趙新生,楊波
摘要:文章針對江蘇連云港所取得的漂浮式波浪能發(fā)電裝置的研究新成果,較為詳細地闡述了該裝置的設計原理、基本結(jié)構(gòu)以及工作過程,并對試驗裝置的特點進行了分析。目前,該發(fā)電裝置研究與試驗已取得了預期的效果,為下一步試驗樣機的制造奠定了良好的基礎。
關鍵詞:波浪能;漂浮式;發(fā)電裝置;試驗裝置
中圖分類號:P743 文獻標識碼:A 文章編號:1009-2374(2014)28-0013-03
當下,可再生能源是世界各國尤其是發(fā)達國家都在重點研究的課題,而海洋能作為一種極具發(fā)展前景的清潔可再生資源更是受到沿海國家的青睞。海洋能中以波浪能的利用與研究最為典型,因其分布范圍廣、易于大規(guī)模利用,從而受到眾多沿海國家的高度重視。研究和開發(fā)海洋波浪能是世界各海洋國家共同努力發(fā)展的方向,海洋波浪能發(fā)電裝置的開發(fā)和應用將推動清潔能源的發(fā)展進程,對解決海島和海上裝備的電力供應問題具有重大意義。
江蘇連云港海域使用保護動態(tài)管理中心自2010年起,與中科院廣州能源所、東南大學、河海大學等科研院所合作,從事波浪能發(fā)電裝置的研究工作。課題組提出建立獨立的海洋波浪能發(fā)電裝置初步設計為20kW直列漂浮式結(jié)構(gòu)。該裝置在降低建造和運行維護成本、提高抗大浪沖擊能力、穩(wěn)定的電能輸出等方面都具有明顯優(yōu)勢。文章將對該裝置的設計原理、基本結(jié)構(gòu)以及工作過程進行闡述。
1 裝置總體設計
通過對波浪能發(fā)電裝置的整體設計、仿真設計測試、零部件研制、試驗和模型實海況試驗等研究,取得相關成果,以研制出結(jié)構(gòu)可靠、發(fā)電持續(xù)穩(wěn)定、運營和維護成本低的波浪能發(fā)電裝置。
該裝置為直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置,主要由采能器與連接耦合件組成,所使用的材料均為船用鋼材及結(jié)構(gòu)鋼材,材料來源廣泛且容易采購。采能器之間通過耦合連接件連接,耦合連接件為一個適應波長的加力桿,采能器在波浪的作用下隨波浪擺動,加力桿通過鉸鏈軸的支撐作用驅(qū)動集壓器活塞做兩點間的往復運動,從而擠壓在集壓器中的液體,迫使集壓器中的液體形成一個從常壓→高壓→常壓的往復循環(huán)過程,繼而高壓液流輸入到液壓調(diào)平蓄能裝置中,液壓調(diào)平蓄能裝置出口液流的壓力與流速會根據(jù)液壓發(fā)電機組的要求進行調(diào)整,經(jīng)調(diào)整后的恒壓恒流液流輸入到液壓發(fā)電機系統(tǒng)中進行發(fā)電,即波浪迫使采能器擺動,通過集壓器的轉(zhuǎn)換將波浪能量轉(zhuǎn)換成液壓能,進而轉(zhuǎn)換成電能。本項目研制的波浪發(fā)電裝置所產(chǎn)出的電能可以直接輸出使用,也可以儲存進行二次使用。根據(jù)連云港海州灣海洋平臺海域波浪特征,采能器設計為可在0.5m以上的波高開始工作,波高在2m時達到最佳負荷狀態(tài)。
采能器和耦合件的設計充分考慮了采能器形狀、耦合器結(jié)構(gòu)、尺寸與實施海域的波長、波高和周期等相關波浪要素的匹配關系,使得發(fā)電量在同樣海況下通過耦合件的作用使其最大化。采能器受波浪驅(qū)動運動軌跡的理論分析與實海況測試分析計算表明,對于周期3秒、波高0.5m的波浪,活塞的往復運動行程能夠達到100mm以上,為啟動集壓條件,在本項目的實施環(huán)境中已經(jīng)達到單個集壓器可以啟動集壓的條件(見圖1)。而對于周期5~6s、波高2m的波浪,活塞的往復運動行程達到844mm以上,則是集壓器的理想擠壓條件
(見圖2)
圖1 啟動波高差變化圖
圖2 理想波高差變化圖
2 主要研究內(nèi)容
該直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置,主要由采能器、耦合連接系統(tǒng)、集能蓄能系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)以及錨固系統(tǒng)組成(見圖3)。
圖3 裝置示意圖
其工作原理是采能傳輸系統(tǒng)隨波涌運動,接受海洋涌動的能量,通過鉸鏈驅(qū)動集壓系統(tǒng)工作,集壓系統(tǒng)給流體施加壓力,把不穩(wěn)定的壓力流壓入穩(wěn)壓系統(tǒng)中,經(jīng)過調(diào)平之后,穩(wěn)定的壓力流驅(qū)動液壓發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行,繼而通過輸出系統(tǒng)輸出穩(wěn)定電壓和電流。流體回流進入循環(huán)狀態(tài)。
2.1 整體裝置與波浪匹配的適應性優(yōu)化
2.1.1 通過采能器在波高運動變化中的規(guī)律、仿真設計以及水槽試驗的驗證,對比仿真設計的設置條件。經(jīng)過一系列的實驗驗證后得到制造實體結(jié)構(gòu)的詳細數(shù)據(jù),按該實體結(jié)構(gòu)參數(shù)制造出采能器。對采能器進行實海況測試,驗證其仿真數(shù)據(jù)與試驗測試數(shù)據(jù)的吻合性,繼而檢驗仿真條件設置的科學性和合理性,在改進優(yōu)化設計中使仿真設計條件更貼近實海況狀態(tài),從而提高后續(xù)仿真設計應用的可靠性,大量地節(jié)省時間、人力、物力。
2.1.2 裝置外形結(jié)構(gòu)幾何尺寸與運動效率的參數(shù)分析。分析裝置的外形形狀與結(jié)構(gòu)尺寸對采能器運動幅度和實際擺動力的影響,得到最佳擺動幅度與最佳出力的結(jié)合參數(shù)。
2.1.3 耦合結(jié)構(gòu)與波長、頻率的最佳工作段分析。其目的是優(yōu)化設計耦合結(jié)構(gòu),使采能器在屬地海域獲得最大出力。
2.1.4 優(yōu)化集能器的最佳出力范圍。通過水槽測試分析將集能器的受力角度、力的大小與壓力流的輸出匹配到最佳出力范圍。
2.1.5 裝置整體結(jié)構(gòu)與啟動波高、最大波高對系統(tǒng)出力的穩(wěn)定性和持續(xù)性的影響。優(yōu)化啟動波高、最大波高與出力的關系,指導下一步的優(yōu)化設計。
2.2 耐大浪和抗臺風研究
直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置的設計將充分考慮我國為臺風多發(fā)區(qū),遭受破壞性風浪襲擊的發(fā)生概率較高,所以裝置能在風浪中安全地運行,又不被風浪破壞顯得至關重要,必須對裝置的抗風浪的能力有充分的準備,強化裝置在大風大浪中的運行穩(wěn)定性以及裝置的安全性是極其必要的。采能器使用雙層結(jié)構(gòu)設計,分為上密封艙與下壓載艙。裝置的正常工作狀態(tài)是裝置整體的大部分是浸在海水中(如圖4所示),根據(jù)波浪高度調(diào)整裝置的吃水深度,最大限度地提高采能器工作效率,使裝置在適當?shù)牟ɡ蓑?qū)動力作用下平穩(wěn)地工作。
圖4 直列漂浮式波浪能裝置抗風浪半潛工作狀態(tài)(正常情況下)
當海況出現(xiàn)惡劣情況時候,提前將裝置的壓載調(diào)整到適合配置(圖5),減少裝置上部的受浪面積,使裝置在較穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。
圖5 直列漂浮式波浪能裝置抗風浪半潛工作狀態(tài)(惡劣情況下)
如海況環(huán)境進一步惡化,如強臺風的襲擊,此時可打開采能器的進水口,自然灌入海水,使采能器的內(nèi)外壁等壓,調(diào)整裝置進入全潛狀態(tài)(見圖6),以便保護裝置的安全,錨鏈浮球?qū)甘狙b置下潛的位置。需要上浮時,從采能器進水口注入高壓空氣,將水從采能器排水口排出,調(diào)采能器回復到海面進行工作。
圖6 直列漂浮式波浪能裝置抗大風浪下全潛安全狀態(tài)
通過波浪能發(fā)電裝置抗側(cè)浪、采能器耦合結(jié)構(gòu)斜浪受扭曲的分析,提高裝置耐大浪能力。當發(fā)生側(cè)浪力作用時,裝置會因為受側(cè)向力而沿著錨固中心點進行旋轉(zhuǎn)漂移,在這個過程中裝置的設計強度足以克服由于側(cè)浪力給裝置帶來的沖擊;當發(fā)生斜浪力的沖擊時,裝置會因為受斜向力分力的作用而沿著錨固中心點進行旋轉(zhuǎn)漂移,裝置采能器、耦合機構(gòu)會受到因側(cè)浪力的沖擊而形成的結(jié)構(gòu)扭曲力,耦合連接件、鉸鏈結(jié)構(gòu)充分考慮此環(huán)節(jié)的破壞力量,在理論設計和仿真測試當中給予高度重視,將鉸鏈結(jié)構(gòu)的設計安全系數(shù)調(diào)整到上位(見圖7):
圖7 直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置抗側(cè)浪斜浪結(jié)構(gòu)扭曲設計
2.3 集壓器蓄能器匹配,穩(wěn)定可靠的發(fā)電
直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置采用波浪能集壓器轉(zhuǎn)換為液壓能,液壓能轉(zhuǎn)換為電能的總體設計方案。其中液壓能轉(zhuǎn)換為電能的具體方案為:穩(wěn)壓蓄能后,驅(qū)動液壓發(fā)電機發(fā)電。液壓發(fā)電機是一個成熟的設備,可實現(xiàn)電能穩(wěn)定輸出,轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用的元件均為成熟的工業(yè)產(chǎn)品,性能穩(wěn)定可靠。集壓器與蓄能器的匹配顯得至關重要,如設計、調(diào)試不當,會出現(xiàn)能量傳遞瓶頸,將降低整個系統(tǒng)的發(fā)電能力。項目組將對本環(huán)節(jié)進行細致深入的研究調(diào)試。
2.4 裝置海水防腐研究分析
直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置的大部件中只有采能器浸在海水中工作,所以采能器的防止海水腐蝕是必須重視的研究內(nèi)容。本項目將研究采用常規(guī)海洋工程防腐技術防腐方法,降低日常維護和防腐成本。
3 技術路線
3.1 裝置總體設計
直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置利用采能器隨海洋波浪的波幅而運動,將采集到的能量傳送到集壓器,通過能量整合等一系列運作,驅(qū)動發(fā)電機平穩(wěn)地運轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)電站的發(fā)電。
圖8 發(fā)電系統(tǒng)示意圖
采能傳輸系統(tǒng)接受海洋涌動的能量后隨波涌運動,通過耦合件鉸鏈驅(qū)動集壓系統(tǒng)工作,集壓系統(tǒng)給流體施加壓力,把不穩(wěn)定的壓力流壓入穩(wěn)壓系統(tǒng)中,經(jīng)過調(diào)平穩(wěn)定后的壓力流進入工作環(huán)節(jié)。經(jīng)過調(diào)平穩(wěn)定后的壓力流驅(qū)動流體發(fā)電機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)——控制器通過輸出系統(tǒng)輸出穩(wěn)定電壓和電流(見圖8)。
3.2 技術路線
3.2.1 通過理論計算、仿真設計試驗和零部件測試,對直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置進行整體優(yōu)化和仿真分析,確定采能器外形尺寸、連接耦合件尺寸和主要技術參數(shù)。優(yōu)良的設計方案是降低制造以及使用成本的重要環(huán)節(jié),也直接影響直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置發(fā)電效率的高低。設計采能器外形尺寸時,通過理論計算和仿真測試,獲得采能器的最佳外形尺寸。同時對耦合件進行大量比對仿真測試,得到最佳的波浪能采集效率。當采能器、連接耦合件與波浪達到較好的匹配時,即達到獲得最大平均功率的設計目的。
3.2.2 匹配設計集壓器蓄能器液壓系統(tǒng)。根據(jù)采能器相關數(shù)據(jù),計算出集壓器液壓和流量參數(shù)需求,能量處理過程采用變動液壓直接蓄能調(diào)壓的方式,環(huán)節(jié)簡單可靠,能量行程路線短,管損率低。需要特別注意匹配設計集壓器與蓄能器液壓系統(tǒng)的與調(diào)試,可以有效地提高生產(chǎn)率和降低運營成本。
3.2.3 裝配發(fā)電系統(tǒng)。項目計劃裝備液壓發(fā)電機作為發(fā)電裝置,液壓發(fā)電機通過穩(wěn)定的液壓、穩(wěn)定的流量驅(qū)動發(fā)電。屬于成熟的工業(yè)標準化零部件,可靠性很高,容易維護。
3.2.4 設計安裝錨固系統(tǒng)。項目采用浮球牽引的彈性錨固系統(tǒng),有效防止錨鏈崩斷,可靠性很高,容易調(diào)整維護。
3.2.5 采能器、耦合件設計調(diào)試。采能器、耦合件完成設計制造后,通過一個周期的實海況調(diào)試、試驗驗證方案是否合理,零部件強度是否等效匹配等。通過實海況測試及時發(fā)現(xiàn)問題破解原因,并在優(yōu)化中得以解決,提高裝置的適應能力。
3.3 關鍵問題
3.3.1 低波高啟動問題。本裝置采用采能器作為能量采集的第一步,波浪高度不夠可能導致無法驅(qū)動采能器工作,所以必須設置和驗證最小啟動波高,使裝置在適當波高的海域中正常工作。
3.3.2 抗臺風破壞問題。通過將裝置整體下潛脫離海面以避免臺風的破壞。
3.3.3 抗斜浪對結(jié)構(gòu)的扭曲問題。結(jié)構(gòu)在遇到斜浪時,耦合件會發(fā)生扭曲,為解決此類問題,耦合件截面設計成封閉圓管結(jié)構(gòu),以抵抗采集單元橫搖導致的耦合件扭曲問題。本裝置設計為最大限度地追求縱搖,在海上工況下允許其最大限度地橫搖,以最大限度地釋放斜側(cè)浪對裝置的沖擊,提高裝置的安全性。
4 結(jié)語
波浪發(fā)電裝置的研究與試驗面臨的首要問題就是如何抵御海上惡劣的環(huán)境,以保障發(fā)電設備的安全。通過本項目的研究,綜合考慮海上多種不利因素,設計較為科學與合理的發(fā)電裝置,在避免裝置損壞的前提下,穩(wěn)定進行電力輸出。項目組對該結(jié)構(gòu)的波浪能裝置已初步進行多次仿真分析,下一步,課題組將進行多次模型實海況試驗分析,充分驗證波高、采能器的有效運動量與液壓發(fā)電機輸出之間的關系。在大量仿真及實驗的基礎上,召集船舶設計專家及相關專業(yè)專家進行詳細論證與結(jié)構(gòu)設計,研制出直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置,并提高裝置的抗風浪破壞能力,穩(wěn)定發(fā)電。
作者簡介:吳濤(1981-),男,安徽壽縣人,連云港市海域使用保護動態(tài)管理中心科長,中級工程師,碩士,研究方向:海域管理與海洋技術。
圖5 直列漂浮式波浪能裝置抗風浪半潛工作狀態(tài)(惡劣情況下)
如海況環(huán)境進一步惡化,如強臺風的襲擊,此時可打開采能器的進水口,自然灌入海水,使采能器的內(nèi)外壁等壓,調(diào)整裝置進入全潛狀態(tài)(見圖6),以便保護裝置的安全,錨鏈浮球?qū)甘狙b置下潛的位置。需要上浮時,從采能器進水口注入高壓空氣,將水從采能器排水口排出,調(diào)采能器回復到海面進行工作。
圖6 直列漂浮式波浪能裝置抗大風浪下全潛安全狀態(tài)
通過波浪能發(fā)電裝置抗側(cè)浪、采能器耦合結(jié)構(gòu)斜浪受扭曲的分析,提高裝置耐大浪能力。當發(fā)生側(cè)浪力作用時,裝置會因為受側(cè)向力而沿著錨固中心點進行旋轉(zhuǎn)漂移,在這個過程中裝置的設計強度足以克服由于側(cè)浪力給裝置帶來的沖擊;當發(fā)生斜浪力的沖擊時,裝置會因為受斜向力分力的作用而沿著錨固中心點進行旋轉(zhuǎn)漂移,裝置采能器、耦合機構(gòu)會受到因側(cè)浪力的沖擊而形成的結(jié)構(gòu)扭曲力,耦合連接件、鉸鏈結(jié)構(gòu)充分考慮此環(huán)節(jié)的破壞力量,在理論設計和仿真測試當中給予高度重視,將鉸鏈結(jié)構(gòu)的設計安全系數(shù)調(diào)整到上位(見圖7):
圖7 直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置抗側(cè)浪斜浪結(jié)構(gòu)扭曲設計
2.3 集壓器蓄能器匹配,穩(wěn)定可靠的發(fā)電
直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置采用波浪能集壓器轉(zhuǎn)換為液壓能,液壓能轉(zhuǎn)換為電能的總體設計方案。其中液壓能轉(zhuǎn)換為電能的具體方案為:穩(wěn)壓蓄能后,驅(qū)動液壓發(fā)電機發(fā)電。液壓發(fā)電機是一個成熟的設備,可實現(xiàn)電能穩(wěn)定輸出,轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用的元件均為成熟的工業(yè)產(chǎn)品,性能穩(wěn)定可靠。集壓器與蓄能器的匹配顯得至關重要,如設計、調(diào)試不當,會出現(xiàn)能量傳遞瓶頸,將降低整個系統(tǒng)的發(fā)電能力。項目組將對本環(huán)節(jié)進行細致深入的研究調(diào)試。
2.4 裝置海水防腐研究分析
直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置的大部件中只有采能器浸在海水中工作,所以采能器的防止海水腐蝕是必須重視的研究內(nèi)容。本項目將研究采用常規(guī)海洋工程防腐技術防腐方法,降低日常維護和防腐成本。
3 技術路線
3.1 裝置總體設計
直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置利用采能器隨海洋波浪的波幅而運動,將采集到的能量傳送到集壓器,通過能量整合等一系列運作,驅(qū)動發(fā)電機平穩(wěn)地運轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)電站的發(fā)電。
圖8 發(fā)電系統(tǒng)示意圖
采能傳輸系統(tǒng)接受海洋涌動的能量后隨波涌運動,通過耦合件鉸鏈驅(qū)動集壓系統(tǒng)工作,集壓系統(tǒng)給流體施加壓力,把不穩(wěn)定的壓力流壓入穩(wěn)壓系統(tǒng)中,經(jīng)過調(diào)平穩(wěn)定后的壓力流進入工作環(huán)節(jié)。經(jīng)過調(diào)平穩(wěn)定后的壓力流驅(qū)動流體發(fā)電機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)——控制器通過輸出系統(tǒng)輸出穩(wěn)定電壓和電流(見圖8)。
3.2 技術路線
3.2.1 通過理論計算、仿真設計試驗和零部件測試,對直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置進行整體優(yōu)化和仿真分析,確定采能器外形尺寸、連接耦合件尺寸和主要技術參數(shù)。優(yōu)良的設計方案是降低制造以及使用成本的重要環(huán)節(jié),也直接影響直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置發(fā)電效率的高低。設計采能器外形尺寸時,通過理論計算和仿真測試,獲得采能器的最佳外形尺寸。同時對耦合件進行大量比對仿真測試,得到最佳的波浪能采集效率。當采能器、連接耦合件與波浪達到較好的匹配時,即達到獲得最大平均功率的設計目的。
3.2.2 匹配設計集壓器蓄能器液壓系統(tǒng)。根據(jù)采能器相關數(shù)據(jù),計算出集壓器液壓和流量參數(shù)需求,能量處理過程采用變動液壓直接蓄能調(diào)壓的方式,環(huán)節(jié)簡單可靠,能量行程路線短,管損率低。需要特別注意匹配設計集壓器與蓄能器液壓系統(tǒng)的與調(diào)試,可以有效地提高生產(chǎn)率和降低運營成本。
3.2.3 裝配發(fā)電系統(tǒng)。項目計劃裝備液壓發(fā)電機作為發(fā)電裝置,液壓發(fā)電機通過穩(wěn)定的液壓、穩(wěn)定的流量驅(qū)動發(fā)電。屬于成熟的工業(yè)標準化零部件,可靠性很高,容易維護。
3.2.4 設計安裝錨固系統(tǒng)。項目采用浮球牽引的彈性錨固系統(tǒng),有效防止錨鏈崩斷,可靠性很高,容易調(diào)整維護。
3.2.5 采能器、耦合件設計調(diào)試。采能器、耦合件完成設計制造后,通過一個周期的實海況調(diào)試、試驗驗證方案是否合理,零部件強度是否等效匹配等。通過實海況測試及時發(fā)現(xiàn)問題破解原因,并在優(yōu)化中得以解決,提高裝置的適應能力。
3.3 關鍵問題
3.3.1 低波高啟動問題。本裝置采用采能器作為能量采集的第一步,波浪高度不夠可能導致無法驅(qū)動采能器工作,所以必須設置和驗證最小啟動波高,使裝置在適當波高的海域中正常工作。
3.3.2 抗臺風破壞問題。通過將裝置整體下潛脫離海面以避免臺風的破壞。
3.3.3 抗斜浪對結(jié)構(gòu)的扭曲問題。結(jié)構(gòu)在遇到斜浪時,耦合件會發(fā)生扭曲,為解決此類問題,耦合件截面設計成封閉圓管結(jié)構(gòu),以抵抗采集單元橫搖導致的耦合件扭曲問題。本裝置設計為最大限度地追求縱搖,在海上工況下允許其最大限度地橫搖,以最大限度地釋放斜側(cè)浪對裝置的沖擊,提高裝置的安全性。
4 結(jié)語
波浪發(fā)電裝置的研究與試驗面臨的首要問題就是如何抵御海上惡劣的環(huán)境,以保障發(fā)電設備的安全。通過本項目的研究,綜合考慮海上多種不利因素,設計較為科學與合理的發(fā)電裝置,在避免裝置損壞的前提下,穩(wěn)定進行電力輸出。項目組對該結(jié)構(gòu)的波浪能裝置已初步進行多次仿真分析,下一步,課題組將進行多次模型實海況試驗分析,充分驗證波高、采能器的有效運動量與液壓發(fā)電機輸出之間的關系。在大量仿真及實驗的基礎上,召集船舶設計專家及相關專業(yè)專家進行詳細論證與結(jié)構(gòu)設計,研制出直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置,并提高裝置的抗風浪破壞能力,穩(wěn)定發(fā)電。
作者簡介:吳濤(1981-),男,安徽壽縣人,連云港市海域使用保護動態(tài)管理中心科長,中級工程師,碩士,研究方向:海域管理與海洋技術。
圖5 直列漂浮式波浪能裝置抗風浪半潛工作狀態(tài)(惡劣情況下)
如海況環(huán)境進一步惡化,如強臺風的襲擊,此時可打開采能器的進水口,自然灌入海水,使采能器的內(nèi)外壁等壓,調(diào)整裝置進入全潛狀態(tài)(見圖6),以便保護裝置的安全,錨鏈浮球?qū)甘狙b置下潛的位置。需要上浮時,從采能器進水口注入高壓空氣,將水從采能器排水口排出,調(diào)采能器回復到海面進行工作。
圖6 直列漂浮式波浪能裝置抗大風浪下全潛安全狀態(tài)
通過波浪能發(fā)電裝置抗側(cè)浪、采能器耦合結(jié)構(gòu)斜浪受扭曲的分析,提高裝置耐大浪能力。當發(fā)生側(cè)浪力作用時,裝置會因為受側(cè)向力而沿著錨固中心點進行旋轉(zhuǎn)漂移,在這個過程中裝置的設計強度足以克服由于側(cè)浪力給裝置帶來的沖擊;當發(fā)生斜浪力的沖擊時,裝置會因為受斜向力分力的作用而沿著錨固中心點進行旋轉(zhuǎn)漂移,裝置采能器、耦合機構(gòu)會受到因側(cè)浪力的沖擊而形成的結(jié)構(gòu)扭曲力,耦合連接件、鉸鏈結(jié)構(gòu)充分考慮此環(huán)節(jié)的破壞力量,在理論設計和仿真測試當中給予高度重視,將鉸鏈結(jié)構(gòu)的設計安全系數(shù)調(diào)整到上位(見圖7):
圖7 直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置抗側(cè)浪斜浪結(jié)構(gòu)扭曲設計
2.3 集壓器蓄能器匹配,穩(wěn)定可靠的發(fā)電
直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置采用波浪能集壓器轉(zhuǎn)換為液壓能,液壓能轉(zhuǎn)換為電能的總體設計方案。其中液壓能轉(zhuǎn)換為電能的具體方案為:穩(wěn)壓蓄能后,驅(qū)動液壓發(fā)電機發(fā)電。液壓發(fā)電機是一個成熟的設備,可實現(xiàn)電能穩(wěn)定輸出,轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用的元件均為成熟的工業(yè)產(chǎn)品,性能穩(wěn)定可靠。集壓器與蓄能器的匹配顯得至關重要,如設計、調(diào)試不當,會出現(xiàn)能量傳遞瓶頸,將降低整個系統(tǒng)的發(fā)電能力。項目組將對本環(huán)節(jié)進行細致深入的研究調(diào)試。
2.4 裝置海水防腐研究分析
直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置的大部件中只有采能器浸在海水中工作,所以采能器的防止海水腐蝕是必須重視的研究內(nèi)容。本項目將研究采用常規(guī)海洋工程防腐技術防腐方法,降低日常維護和防腐成本。
3 技術路線
3.1 裝置總體設計
直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置利用采能器隨海洋波浪的波幅而運動,將采集到的能量傳送到集壓器,通過能量整合等一系列運作,驅(qū)動發(fā)電機平穩(wěn)地運轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)電站的發(fā)電。
圖8 發(fā)電系統(tǒng)示意圖
采能傳輸系統(tǒng)接受海洋涌動的能量后隨波涌運動,通過耦合件鉸鏈驅(qū)動集壓系統(tǒng)工作,集壓系統(tǒng)給流體施加壓力,把不穩(wěn)定的壓力流壓入穩(wěn)壓系統(tǒng)中,經(jīng)過調(diào)平穩(wěn)定后的壓力流進入工作環(huán)節(jié)。經(jīng)過調(diào)平穩(wěn)定后的壓力流驅(qū)動流體發(fā)電機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)——控制器通過輸出系統(tǒng)輸出穩(wěn)定電壓和電流(見圖8)。
3.2 技術路線
3.2.1 通過理論計算、仿真設計試驗和零部件測試,對直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置進行整體優(yōu)化和仿真分析,確定采能器外形尺寸、連接耦合件尺寸和主要技術參數(shù)。優(yōu)良的設計方案是降低制造以及使用成本的重要環(huán)節(jié),也直接影響直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置發(fā)電效率的高低。設計采能器外形尺寸時,通過理論計算和仿真測試,獲得采能器的最佳外形尺寸。同時對耦合件進行大量比對仿真測試,得到最佳的波浪能采集效率。當采能器、連接耦合件與波浪達到較好的匹配時,即達到獲得最大平均功率的設計目的。
3.2.2 匹配設計集壓器蓄能器液壓系統(tǒng)。根據(jù)采能器相關數(shù)據(jù),計算出集壓器液壓和流量參數(shù)需求,能量處理過程采用變動液壓直接蓄能調(diào)壓的方式,環(huán)節(jié)簡單可靠,能量行程路線短,管損率低。需要特別注意匹配設計集壓器與蓄能器液壓系統(tǒng)的與調(diào)試,可以有效地提高生產(chǎn)率和降低運營成本。
3.2.3 裝配發(fā)電系統(tǒng)。項目計劃裝備液壓發(fā)電機作為發(fā)電裝置,液壓發(fā)電機通過穩(wěn)定的液壓、穩(wěn)定的流量驅(qū)動發(fā)電。屬于成熟的工業(yè)標準化零部件,可靠性很高,容易維護。
3.2.4 設計安裝錨固系統(tǒng)。項目采用浮球牽引的彈性錨固系統(tǒng),有效防止錨鏈崩斷,可靠性很高,容易調(diào)整維護。
3.2.5 采能器、耦合件設計調(diào)試。采能器、耦合件完成設計制造后,通過一個周期的實海況調(diào)試、試驗驗證方案是否合理,零部件強度是否等效匹配等。通過實海況測試及時發(fā)現(xiàn)問題破解原因,并在優(yōu)化中得以解決,提高裝置的適應能力。
3.3 關鍵問題
3.3.1 低波高啟動問題。本裝置采用采能器作為能量采集的第一步,波浪高度不夠可能導致無法驅(qū)動采能器工作,所以必須設置和驗證最小啟動波高,使裝置在適當波高的海域中正常工作。
3.3.2 抗臺風破壞問題。通過將裝置整體下潛脫離海面以避免臺風的破壞。
3.3.3 抗斜浪對結(jié)構(gòu)的扭曲問題。結(jié)構(gòu)在遇到斜浪時,耦合件會發(fā)生扭曲,為解決此類問題,耦合件截面設計成封閉圓管結(jié)構(gòu),以抵抗采集單元橫搖導致的耦合件扭曲問題。本裝置設計為最大限度地追求縱搖,在海上工況下允許其最大限度地橫搖,以最大限度地釋放斜側(cè)浪對裝置的沖擊,提高裝置的安全性。
4 結(jié)語
波浪發(fā)電裝置的研究與試驗面臨的首要問題就是如何抵御海上惡劣的環(huán)境,以保障發(fā)電設備的安全。通過本項目的研究,綜合考慮海上多種不利因素,設計較為科學與合理的發(fā)電裝置,在避免裝置損壞的前提下,穩(wěn)定進行電力輸出。項目組對該結(jié)構(gòu)的波浪能裝置已初步進行多次仿真分析,下一步,課題組將進行多次模型實海況試驗分析,充分驗證波高、采能器的有效運動量與液壓發(fā)電機輸出之間的關系。在大量仿真及實驗的基礎上,召集船舶設計專家及相關專業(yè)專家進行詳細論證與結(jié)構(gòu)設計,研制出直列漂浮式波浪能發(fā)電裝置,并提高裝置的抗風浪破壞能力,穩(wěn)定發(fā)電。
作者簡介:吳濤(1981-),男,安徽壽縣人,連云港市海域使用保護動態(tài)管理中心科長,中級工程師,碩士,研究方向:海域管理與海洋技術。