劉野，丁圓強(qiáng)，趙環(huán)宇，柴輝，趙強(qiáng)，徐宇柘，姜峰

(1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2.國家海洋局南海分局，廣東 廣州 510310)

大型海洋資料浮標(biāo)波浪能供電裝置數(shù)值模擬研究

劉野1，丁圓強(qiáng)1，趙環(huán)宇1，柴輝1，趙強(qiáng)1，徐宇柘1，姜峰2

(1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2.國家海洋局南海分局，廣東 廣州 510310)

本文以10 m大型海洋資料浮標(biāo)為研究對(duì)象，分析了可適應(yīng)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的波浪能供電機(jī)構(gòu)。通過數(shù)值模擬計(jì)算了10 m浮標(biāo)體的垂蕩波浪力以及橫搖角度，同時(shí)計(jì)算了波浪能轉(zhuǎn)換為電能的輸出功率，輸出功率滿足海洋資料浮標(biāo)蓄電池的充電電壓。最后提出了適用于此類海洋資料浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以及系統(tǒng)集成方案。該研究為今后海洋資料浮標(biāo)波浪能供電裝置的研發(fā)提供了思路。

海洋資料浮標(biāo)；波浪能供電；數(shù)值模擬；系統(tǒng)優(yōu)化集成

海洋資料觀測系統(tǒng)以合理、高效地保護(hù)海洋環(huán)境為目的，進(jìn)行海洋氣象水文資料預(yù)測及海岸管理。目前海洋資料觀測系統(tǒng)的主要類型包括海洋資料浮標(biāo)觀測系統(tǒng)，半潛浮標(biāo)觀測系統(tǒng)(Argo浮標(biāo))，海底潛標(biāo)系統(tǒng)，海床基系統(tǒng)，水下滑翔機(jī)，自主式水下機(jī)器人、航行器，深潛探測器以及對(duì)接移動(dòng)平臺(tái)的海底觀測網(wǎng)絡(luò)等[1](圖1)。

大多數(shù)在位的海洋資料觀測系統(tǒng)采用傳感器自帶的電池進(jìn)行自容式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(如海底潛標(biāo)系統(tǒng))，少數(shù)海洋資料觀測系統(tǒng)通過太陽能進(jìn)行能源補(bǔ)充(如海洋資料浮標(biāo)觀測系統(tǒng))，隨著海洋觀測數(shù)據(jù)的多元化，觀測站位的深?；?、極區(qū)化，搭載傳感器種類的多樣化，以及布放站位的天氣條件惡劣，系統(tǒng)電量消耗也隨之增大，傳統(tǒng)蓄電池獨(dú)立支撐以及現(xiàn)有的太陽能充電技術(shù)已難以繼續(xù)維持更加多功能的持久觀測系統(tǒng)。因此，以海洋可再生能源(波浪能、潮流能、溫差能等)為主要利用能源的海洋資料觀測多能互補(bǔ)智能供電方式應(yīng)運(yùn)而生[2]。

圖1 海洋氣象水文資料觀測系統(tǒng)Fig. 1 Oceanic meteorological and hydrological observation system

海洋可再生能源主要包括波浪能、潮流能、溫差能等多種通過海洋氣象水文要素而產(chǎn)生的可再生能源。由于海洋能的豐富性及其廣闊的應(yīng)用前景，其發(fā)展必將經(jīng)歷從補(bǔ)充能源到替代能源再到主流能源這樣的過程。同時(shí)，我國的海洋能研究進(jìn)度較世界上其他先進(jìn)國家落后，歐洲海洋能技術(shù)中心(EMEC)已經(jīng)擁有達(dá)到并網(wǎng)裝機(jī)容量的海洋能發(fā)電裝置，我國的研究仍處于樣機(jī)的發(fā)展階段。因此，若要利用海洋可再生能源與海洋資料觀測系統(tǒng)供電，須按照“以原始創(chuàng)新帶動(dòng)產(chǎn)品研發(fā)，以工程應(yīng)用推動(dòng)科學(xué)研究”的思路去著手海洋可再生能源裝置的開發(fā)。

在對(duì)海洋資料觀測系統(tǒng)供電時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的觀測設(shè)備來設(shè)計(jì)相應(yīng)的海洋可再生能源裝置，包括取用何種能源、能量的傳遞轉(zhuǎn)換方式、能源補(bǔ)給方式、裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等，由于不同海洋可再生能源工作原理不同，導(dǎo)致能量傳遞方式、樣機(jī)結(jié)構(gòu)等差異較大，因此，針對(duì)不同的海洋可再生能源與海洋資料觀測系統(tǒng)的供電方式也不同。

本文以10 m圓盤大型海洋資料浮標(biāo)以及已有的波浪能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)為研究目標(biāo)，從其當(dāng)前及未來的用電需求出發(fā)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)電控相匹配的合理的海洋能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，并通過數(shù)值模擬驗(yàn)證其可行性，為波浪能供電裝置在海洋資料觀測系統(tǒng)上的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 海洋資料浮標(biāo)波浪能供電機(jī)構(gòu)

1.1 大型海洋資料浮標(biāo)功耗情況

海洋資料浮標(biāo)是搭載各種水文、氣象等探測儀器設(shè)備的海上浮式平臺(tái)，是我國近海及深遠(yuǎn)海海洋動(dòng)力環(huán)境觀測和監(jiān)測的重要海上平臺(tái)，在我國海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋資源開發(fā)、海上交通和軍事活動(dòng)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[3]。

圖2 10 m直徑大型海洋資料浮標(biāo)Fig.2 The large ocean data buoy with 10 m diameter

如圖2所示的10 m圓盤結(jié)構(gòu)大型海洋資料浮標(biāo)可搭載常規(guī)氣象傳感器、剖面海流傳感器及少量水質(zhì)類傳感器，部分常規(guī)傳感器功耗如表1所示，浮標(biāo)系統(tǒng)每10 min完成一次數(shù)據(jù)采集、處理和通訊工作。供電方式為蓄電池及太陽能聯(lián)合供電，通用型海洋資料浮標(biāo)通常選擇2 V 500 Ah 7組蓄電池串聯(lián)組成14 V 500 Ah的電池組，電池組具有過壓、過流保護(hù)功能。在滿足浮標(biāo)基本觀測需求、并且在無任何能源補(bǔ)充的前提下，蓄電池可保持浮標(biāo)無故障運(yùn)行15天。

由表1可知常規(guī)水文氣象觀測設(shè)備1天時(shí)間的功耗總和為28.28 Ah，根據(jù)有關(guān)氣象資料顯示，我國沿海地區(qū)平均年日照總時(shí)數(shù)約為2 000 h，則平均日光照總時(shí)數(shù)為5.48 h/d，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，非晶硅太陽能電池的單位電流與功率比是一定的，因此太陽能電池平均單位功率日發(fā)電量為0.38 Ah/(W·d)，負(fù)載所需太陽能電池的功率為74.5 W，由于灰塵、氣候、蓄電池特性等因素影響，太陽能電池輸出功率需要通過1.2 ～ 1.5的系數(shù)進(jìn)行修正，同時(shí)考慮蓄電池放電的允許程度為80%，因此常規(guī)海洋資料浮標(biāo)所需加裝的太陽能電池板功率為140 W[4]。

環(huán)境溫度的變化對(duì)太陽能光電池的響應(yīng)度有較大的影響，這是由于光吸收系數(shù)與溫度有關(guān)，從光電池的伏安特性曲線可以看出，一般情況下，負(fù)載電阻越大，輸出功率隨溫度的變化也越大，因此若浮標(biāo)增加較多大功率傳感器，例如雷達(dá)、水聲類設(shè)備、高清視頻監(jiān)控設(shè)備時(shí)，當(dāng)前的太陽能供電方式在浮標(biāo)空間限制、晝夜天氣變化、電能轉(zhuǎn)換效率等多方面因素的影響下，不能滿足這些高精度、多參數(shù)、多功能、大容量實(shí)時(shí)傳輸?shù)暮Ｑ笥^測傳感器的需求，因此“海能海用，就地取能”的海洋可再生能源成為了實(shí)現(xiàn)海洋資料浮標(biāo)系統(tǒng)能源供給的首選方案。

表1 浮標(biāo)基本水文氣象觀測系統(tǒng)傳感器工作情況

1.2 波浪能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

作為能量儲(chǔ)備最豐富的海洋可再生能源，波浪能是全世界被研究的最為廣泛的一種海洋可再生能源。歐洲海洋能技術(shù)中心(EMEC)根據(jù)波浪能轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)形式以及工作原理，將主流的波浪能發(fā)電裝置分為點(diǎn)吸收式、振蕩水柱式、聚波越浪式、浮力擺式、閥式、海蟒式、壓差式、轉(zhuǎn)子式等。美國海軍的水下觀測系統(tǒng)AN/SSQ-101計(jì)劃利用波浪能取代電池來進(jìn)行持續(xù)供電，提高海洋資料觀測系統(tǒng)的續(xù)航能力[5]。

漂浮式的圓盤型海洋資料浮標(biāo)具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以及良好的隨波性，因此在吸收利用波浪能時(shí)效果最為突出，且我國波浪能資源儲(chǔ)量豐富，適合作為海洋資料浮標(biāo)的儲(chǔ)備能源之一。

近年來，在國家政策支持和資金大量投入下，我國的波浪能利用技術(shù)取得了較大的發(fā)展，但目前較為成熟的波浪能發(fā)電裝置多為獨(dú)立機(jī)構(gòu)，能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)與海水直接接觸，抗臺(tái)風(fēng)、腐蝕能力較差，安全性和可靠性難以保證，其供電方式也為分體式供電，諸多弊端導(dǎo)致海洋資料浮標(biāo)供電技術(shù)尚未成熟，因此，結(jié)合海洋浮標(biāo)系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性，開展小型化、模塊化、隨體式波浪能供電裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)，為海洋資料浮標(biāo)儀器設(shè)備提供長期、穩(wěn)定的能源供給，是實(shí)現(xiàn)海洋資料浮標(biāo)海洋能供電的發(fā)展方向。

將波浪能能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)與海洋資料浮標(biāo)標(biāo)體結(jié)合，將標(biāo)體作為海洋可再生能源能量轉(zhuǎn)換的紐帶或載體，其中較為典型的能量轉(zhuǎn)換類型是點(diǎn)吸收式波能發(fā)電裝置，即可通過標(biāo)體作為波浪能吸收系統(tǒng)，并且基于阻尼板式潛浮體結(jié)構(gòu)配合的錨固泊穩(wěn)系統(tǒng)，以機(jī)械、液壓或者直驅(qū)的形式作為能量輸出系統(tǒng)，進(jìn)行波浪能到電能的轉(zhuǎn)換，電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可在浮標(biāo)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，轉(zhuǎn)換的電能經(jīng)過處理直接用于浮標(biāo)觀測系統(tǒng)的電源補(bǔ)給(圖3)。

同樣，可搭載于海洋資料浮標(biāo)標(biāo)體內(nèi)部的搖擺式(又叫轉(zhuǎn)子式)波浪能發(fā)電裝置，利用海洋資料浮標(biāo)標(biāo)體在波浪中產(chǎn)生的搖擺和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)海洋資料浮標(biāo)標(biāo)體內(nèi)安裝的偏心錘或陀螺儀旋轉(zhuǎn)，通過產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行電能的轉(zhuǎn)換(圖4)。

綜上所述，要想設(shè)計(jì)滿足海洋資料浮標(biāo)供電需求的波浪能轉(zhuǎn)換裝置，則需通過數(shù)值模擬的手段計(jì)算海洋資料浮標(biāo)隨波運(yùn)動(dòng)時(shí)標(biāo)體所受的波浪力及其橫搖搖擺角度，進(jìn)而進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖3 點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置Fig.3 Point-absorber wave energy convertor

圖4 搖擺式波浪能發(fā)電裝置Fig.4 Rotating wave energy convertor

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 控制方程

假設(shè)流體是均勻、無旋、不可壓縮的理想流體，自由表面微幅波動(dòng)。在笛卡爾坐標(biāo)系中，當(dāng)長峰波角頻率為ω時(shí)，勢函數(shù)、速度和自由面平移量之間的關(guān)系可以如下表示：

(1)

式中，u(x,y,z)=φ(x,y,z)，q是速度，ω為長峰波頻率，ζ為自由表面起伏，Φ(x,y,z,t)為不定常速度勢。

自由靜水面上浮體做垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)，在線性假定下流場中一階不定常速度勢Φ(x,y,z,t)的定解問題為：

滿足拉普拉斯方程：

2Φ(x,y,z,t)=0。

(2)

自由面條件：

(3)

物面條件：

(4)

海底條件：

(5)

輻射條件：遠(yuǎn)離物體的自由面上有波外傳。

以上公式中，拉普拉斯方程和邊界條件均為線性，應(yīng)用迭加原理將速度勢函數(shù)分解，將不定常的速度勢分解可得到：

Φ(x,y,z,t)=ΦI(x,y,z,t)+ΦD(x,y,z,t)+ΦR(x,y,z,t)，

(6)

式中，ΦI(x,y,z,t)為入射波速度勢，ΦD(x,y,z,t)為繞射勢，ΦR(x,y,z,t)輻射勢。其中ΦD+ΦR=ΦP，合稱為擾動(dòng)勢。

設(shè)浮體在平衡位置附近做微幅的簡諧搖蕩運(yùn)動(dòng)，其搖蕩的速度勢Φ(x,y,z,t)為：

Φ(x,y,z,t)=Re{φ(x,y,z)e-iωt}，

(7)

式中，φ(x,y,z)不含時(shí)間變量，因此僅與空間位置有關(guān)，被稱作空間速度勢。其求解為定常問題。

φ(x,y,z)=φI(x,y,z)+φD(x,y,z)+φR(x,y,z)，

(8)

其中，φI為單一頻率、單一方向的平面入射波速度勢，可由下式求出：

(9)

式中，A為波浪振幅，k為波數(shù),h為水深，g為重力加速度，λ為波長浪向角，β是波浪傳播方向與x軸正方向的夾角，其中波數(shù)2π/L,可以根據(jù)自由表面及水底的邊界條件來確定。

在動(dòng)坐標(biāo)系中,浮體時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為：

(10)

式中，M,m分別為浮體的廣義質(zhì)量陣、附加質(zhì)量陣；K(t-τ)為系統(tǒng)的延遲函數(shù)陣；C為浮體的靜水恢復(fù)力系數(shù)陣；Fw(t),Fwind,Fc,Fsn(t),Fm(t)分別為一階波浪力、風(fēng)力、流力、二階波浪力、錨鏈張力。

一階波浪力Fw(t)可根據(jù)Cummins提出的時(shí)域與頻域波浪力的卷積關(guān)系求得：

(11)

二階波浪力的模擬采用紐曼近似方法計(jì)算。根據(jù)間接時(shí)域法,經(jīng)過傅里葉逆變換，得延遲函數(shù)為：

(12)

式中，λij是頻域中浮體的阻尼矩陣。

時(shí)域中的浮體附加質(zhì)量為：

(13)

式中，u是頻域中浮體的附加質(zhì)量矩陣,ω0為任意值[6]。

本文通過三維有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)浮標(biāo)數(shù)值模型進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，控制方程基于2.1所描述。其中，一部分計(jì)算模塊主要運(yùn)用流體(一般是水)的輻射理論以及衍射理論進(jìn)行流固耦合計(jì)算求解，中間也包含了淺水效應(yīng)計(jì)算模塊，程序可以計(jì)算浮體結(jié)構(gòu)的一階或是二階波浪力(考慮波浪力二階項(xiàng)的3D繞射散射分析程序2nd order 3D)以及浮體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，即頻域計(jì)算模塊。

另一部分計(jì)算模塊則是用于計(jì)算在特定波況下，水工結(jié)構(gòu)物各水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的時(shí)程曲線，其在計(jì)算時(shí)調(diào)用源數(shù)據(jù)文件中的結(jié)構(gòu)物的附加質(zhì)量，輻射阻尼及衍射力，再考慮浮體結(jié)構(gòu)間停泊線和鉸接的影響，計(jì)算浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。此模塊重新計(jì)算每個(gè)時(shí)間步長的水動(dòng)力載荷的F-K力部分，計(jì)算時(shí)考慮浮體的濕表面積的變化及吃水的變化(如，甲板邊緣濕表面)引起的非線性動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，即時(shí)域計(jì)算模塊。

本文所采用的數(shù)值模擬計(jì)算方法已經(jīng)得到計(jì)算驗(yàn)證，由于數(shù)值模型在計(jì)算過程中忽略了許多非線性項(xiàng)的影響，導(dǎo)致在波浪周期較小，頻率較大時(shí)產(chǎn)生較大誤差，但整體計(jì)算結(jié)果擬合度較好，證明了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性以及數(shù)值模擬方法的可行性[5]。

2.2 數(shù)值模型計(jì)算

在ANSYS-AQWA中建立10 m浮標(biāo)的數(shù)值計(jì)算模型，如圖5所示，計(jì)算單點(diǎn)懸垂錨鏈系泊作用下浮標(biāo)在不同波高周期作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況，通過分析浮標(biāo)的橫搖角度以及垂直方向的波浪力，可以定性地分析浮標(biāo)體能否作為搖擺式及點(diǎn)吸收式波能發(fā)電裝置的能量吸收系統(tǒng)。數(shù)值模型計(jì)算所用波浪工況選擇也考慮了海洋資料浮標(biāo)實(shí)海況投放海域的平均波高及周期進(jìn)行選擇。表2為裝置正常工作海況計(jì)算表。

圖5 10 m直徑大型海洋資料浮標(biāo)三維數(shù)值模型Fig.5 The 3D numerical simulation model of the 10 m diameter ocean data buoy

表2 裝置正常工作海況計(jì)算表

水動(dòng)力模型建立完成后進(jìn)行頻域以及時(shí)域的計(jì)算，上文提到浮標(biāo)體作為波浪能量一級(jí)轉(zhuǎn)換的吸能結(jié)構(gòu)，其所受的一階波浪力大小以及橫搖角度決定了浮標(biāo)體吸收能量的多少，因此一階波浪力和橫搖角度是數(shù)值模擬的主要計(jì)算參數(shù)，一階波浪力又分為F-K力以及輻射力，在頻率較小的情況下輻射力較小，基本可以忽略，同時(shí)考慮點(diǎn)吸收式波浪能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)多為轉(zhuǎn)換浮標(biāo)體的單自由度運(yùn)動(dòng)能量，因此在本文所設(shè)計(jì)不同海況周期下時(shí)域計(jì)算就僅考慮Z方向上的F-K力進(jìn)行分析討論。圖6為不同波高周期下橫搖及垂直方向的受力模擬數(shù)值結(jié)果。

圖6 不同波高周期下橫搖及垂直方向受力曲線Fig.6 Force curve of the rolling and the Z direction F-K force in different wave height periods

由圖6可以看出，在小波高1.0～2.0 m短周期的海況下，浮標(biāo)橫搖角可達(dá)到正負(fù)(5° ～10°)。以P3工況(2.0 m波高，4 s周期)進(jìn)行計(jì)算分析：

設(shè)計(jì)浮標(biāo)內(nèi)偏心錘在半個(gè)波浪周期(2 s)內(nèi)的擺動(dòng)角度為10°，則偏心錘的平均轉(zhuǎn)速為1.2 r/min，滿足海洋資料浮標(biāo)14 V充電電壓的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)需達(dá)到200 r/min，因此理論計(jì)算能量傳遞機(jī)構(gòu)增速比：

設(shè)標(biāo)體橫搖角度為α，偏心錘搖擺角度為β，偏心錘質(zhì)量為m，擺臂長度為l，偏心錘轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J，擺動(dòng)摩擦系數(shù)為μ，機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)效率為η，發(fā)電機(jī)額定扭矩為Tm。

浮標(biāo)在隨波運(yùn)動(dòng)過程中，標(biāo)體內(nèi)部偏心錘隨之?dāng)[動(dòng)，偏心錘搖擺角度與標(biāo)體的橫搖角度為時(shí)間的函數(shù)β(t)和α(t)，擺動(dòng)過程中力矩之和為偏心錘擺動(dòng)力矩與偏心錘阻尼之差，偏心錘阻尼與發(fā)電機(jī)阻尼成正比[7]，因此可得

因此，半個(gè)波浪周期偏心錘的搖擺做功的輸出功率：

將所有參數(shù)帶入，按照波浪能供電裝置10%的能量轉(zhuǎn)換效率，82.5%的機(jī)械傳動(dòng)效率以及70%的發(fā)電機(jī)輸出效率，可得在P3工況(2.0 m波高，4 s周期)下，以偏心錘半個(gè)波浪周期10°的搖擺角度，可使發(fā)電機(jī)的輸出功率達(dá)到213 W，輸出電壓達(dá)到14 V并滿足海洋資料浮標(biāo)的充電電壓。

Z方向的F-K力最大可到500 kN，通過前序的研究結(jié)果[8]可知，使用機(jī)械齒輪齒條式的能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，在適當(dāng)增速比的條件下可以滿足海洋資料浮標(biāo)14 V的充電電壓，計(jì)算過程不再贅述。

綜上所述，10 m大型海洋資料浮標(biāo)具備搖擺式波浪能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)以及點(diǎn)吸收式波浪能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)能量吸收系統(tǒng)的條件。

3 海洋資料浮標(biāo)波浪能供電系統(tǒng)集成

波浪能供電機(jī)構(gòu)的集成分為結(jié)構(gòu)集成與系統(tǒng)集成兩部分。

浮標(biāo)體直徑10 m，采用整體全焊接鋼結(jié)構(gòu)，6個(gè)體積同為13.8 m3的浮力艙均勻分布在儀器艙與電池艙周圍。浮力艙的水密隔壁、甲板和底部骨架呈放射性布置，儀器艙與電池艙內(nèi)外圍的水密隔壁呈圓筒狀，全部板材和骨架形成一個(gè)封閉的連續(xù)性結(jié)構(gòu)。浮標(biāo)體底部安裝有系鏈眼板，可通過單點(diǎn)系泊方式在海上定位。

如圖7所示，浮標(biāo)體儀器艙空間較大，可確保波浪能能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)在浮標(biāo)體內(nèi)部的安全運(yùn)行，在保證了結(jié)構(gòu)安全性和可靠性的基礎(chǔ)上，波浪能能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的安裝設(shè)計(jì)同時(shí)要兼顧靈活和可操作性，以滿足海上現(xiàn)場施工作業(yè)要求，以降低成本，便于后續(xù)的產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用。

圖7 浮標(biāo)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The structure inside the ocean data buoy

波浪能供電機(jī)構(gòu)不僅在結(jié)構(gòu)上要與浮標(biāo)標(biāo)體相匹配，其相應(yīng)的電力系統(tǒng)也應(yīng)與海洋資料浮標(biāo)主控系統(tǒng)進(jìn)行集成。在不影響資料浮標(biāo)海洋環(huán)境觀測的前提下，通過浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)波浪能能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)電力參數(shù)的采集、儲(chǔ)存、處理和傳輸?；趯?shí)測的海洋資料浮標(biāo)站位海域環(huán)境條件和供電裝置電力輸出參數(shù)，可實(shí)時(shí)獲取裝置的能量轉(zhuǎn)換效率、功率特性、電能質(zhì)量特性等電力輸出特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)波浪能供電裝置的遠(yuǎn)程測試評(píng)估和狀態(tài)監(jiān)控。

如圖8所示，集成波浪能能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的海洋資料浮標(biāo)可同時(shí)通過波浪能與太陽能進(jìn)行聯(lián)合供電，同時(shí)海洋資料浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在進(jìn)行常規(guī)水文氣象數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，可對(duì)波浪能供電裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并通過無線網(wǎng)絡(luò)或北斗通信系統(tǒng)將所有參數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送至岸基接收終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄、顯示等功能。

圖8 系統(tǒng)集成方案Fig.8 System integration project

4 結(jié)語

利用海洋可再生能源為海洋資料觀測系統(tǒng)供電是切實(shí)可行的，但由于其所在領(lǐng)域的復(fù)雜性及前瞻性，我們需要解決的關(guān)鍵技術(shù)也較多，包括捕能機(jī)構(gòu)的水動(dòng)力學(xué)性能，能量的存儲(chǔ)及傳遞，水下電能變換控制與傳輸技術(shù)，水下多源電能融合技術(shù)，水下非接觸式電能傳輸技術(shù)，水下供電故障診斷與隔離技術(shù)以及在位裝置的安全性能等等[9]。因此，海洋可再生能源在海洋資料觀測系統(tǒng)的能源供給應(yīng)用是我國興海戰(zhàn)略的重要一步，也是較難的一步。

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Numericalsimulationoflargeoceandatabuoywaveenergyconvertor

LIUYe1,DINGYuan-qiang1，ZHAOHuan-yu1，CHAIHui1，ZHAOQiang1，XUYu-zhe1，JIANGFeng2

(1.ShandongProvincialKeyLaboratoryofOceanEnvironmentMonitoringTechnology,InstituteofOceanographicInstrumentation,ShandongAcademyofSciences,Qingdao266001,China;2.SouthChinaSeaBranch,StateOceanicAdministration,Guangzhou510310,China)

∶Taking the large ocean data buoy with 10 m diameter as research objects, the wave energy convertor adapted to its structural characteristics was analyzed, and the 10 m diameter buoy body’s Froude-Krylov and the rolling angle were calculated by means of numerical simulation. At the same time, the output power of the wave energy convertor was calculated, which could meet the charging voltage of the accumulator. Finally, this paper proposed a structural design scheme and a system integration project suitable for this kind of ocean data buoy, which provided an idea for the further research and development of the ocean data buoy wave energy convertor.

∶ocean data buoy; wave energy convertor; numerical simulation; system integration

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.002

2017-07-13

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFC1403302)；國家自然科學(xué)基金(61405106)；山東省科學(xué)院青年基金(2014QN029；2015QN026；2015QN018)；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016GGH4501)；山東省自然基金(ZR2013DM013)

劉野(1985—)，男，工程碩士，助理工程師，研究方向?yàn)榭刂乒こ?。E-mail：18669708850@163.com

P741

A

1002-4026(2017)06-0006-09