(中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所,山東 青島 266071)

海洋能是指依附在海水中的可再生能源,海洋通過各種物理過程或化學(xué)過程接收、儲(chǔ)存和散發(fā)能量,這些能量以波浪、海流、潮汐、溫差等形式存在于海洋之中,從而形成潮汐能、波浪能、海洋溫差能、海洋鹽差能和海流能等。海洋能理論儲(chǔ)量是目前全世界各國(guó)每年耗能量的幾百倍甚至幾千倍。而波浪能是其中較豐富的一種能量,將波浪簡(jiǎn)化成正弦波,可得單位面積的鉛直水柱內(nèi)平均波能功率[1]為：

其中ρ為海水密度,g是萬(wàn)有引力常數(shù),T為波周期,H為波高。以波高H=1.5 m,波周期T=6 s為例,海水密度ρ取為1 000 kg/m3,則單位面積的鉛直水柱內(nèi)平均波能功率為：

臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的巨浪,其功率密度可達(dá)每米迎波面數(shù)兆瓦,而波浪能豐富的歐洲北海地區(qū),其年平均波浪功率為 20～40 kW/m。中國(guó)海岸年平均波浪功率密度為2～71 kW/m。據(jù)世界能源委員會(huì)的調(diào)查顯示：全球波浪能儲(chǔ)量為 700億 kW,可利用的波浪能達(dá)到20億kW,相當(dāng)于目前世界電產(chǎn)量的2倍。在能源危機(jī)日益嚴(yán)重和環(huán)保壓力不斷加大的今天,如何能夠有效利用波浪能這種巨大的環(huán)保型可再生能源,顯得尤其重要。本文提出一種以簡(jiǎn)約的方式吸收和傳遞波浪能的錨泊系統(tǒng),并通過實(shí)踐證明此方法是行之有效的。

1 波浪能吸收與傳遞系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

這里設(shè)計(jì)的波浪能吸收和傳遞系統(tǒng)從上到下由三大部分組成,分別是：海面浮標(biāo)系統(tǒng)、錨泊纜系和底端錨定物。其中錨泊纜系又是由錨泊纜、張緊錘和儲(chǔ)鏈構(gòu)成。此系統(tǒng)傳遞波浪能的原理是：合理控制海面浮標(biāo)的正浮力,使其大約有一半體積露于水面,事先測(cè)定錨泊區(qū)域的深度,確定錨泊鋼纜的長(zhǎng)度,保證在正常海況下,能使懸掛在錨泊纜下面的張緊錘離海底有數(shù)米的距離,讓儲(chǔ)鏈處于半懸狀態(tài)(即儲(chǔ)鏈一半懸于海底上方,一半拖在海底上),合理選擇重物錨塊的質(zhì)量,既便于投放,又確保定位。漂浮著的海面浮標(biāo)對(duì)錨泊纜有向上的拉力,而連于錨泊纜下端的張緊錘和部分儲(chǔ)鏈對(duì)其有向下的拉力,這樣錨泊纜在水中基本處于懸直狀態(tài)。當(dāng)波浪經(jīng)過時(shí),海面浮標(biāo)就跟隨著起伏運(yùn)動(dòng),連于海表面浮球下面的錨泊纜便隨其一起上下振動(dòng),從而有效地將海表面波浪能吸收并傳遞下去,直達(dá)海底。見圖1。

圖1 波浪能傳遞裝置組成圖Fig.1 The formation of the mooring system

當(dāng)臺(tái)風(fēng)過境或者漲潮退潮時(shí),錨泊地點(diǎn)的海水深度變化較大,張緊錘至重物錨塊之間二十幾米長(zhǎng)的鋼質(zhì)儲(chǔ)鏈保證系統(tǒng)仍然有效地吸收并傳遞波浪能。比如,當(dāng)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過時(shí),海面波峰會(huì)有十幾米甚至二十幾米,依靠海面浮標(biāo)的浮力,儲(chǔ)鏈會(huì)被拉起,使海表面浮球繼續(xù)漂浮在海表面隨波浪起伏運(yùn)動(dòng),整個(gè)系統(tǒng)也可以繼續(xù)傳遞波浪能;再如當(dāng)退潮時(shí),儲(chǔ)鏈的絕大部分接觸著海底,這時(shí)錨泊纜依靠張緊錘的作用,仍然處于比較懸直的狀態(tài)。可以看出,儲(chǔ)鏈起到了在需要的時(shí)候間接增長(zhǎng)或縮短錨泊纜系垂直長(zhǎng)度的目的,從而使海面浮標(biāo)始終漂浮在海表面吸收傳遞波浪能。

2 系統(tǒng)組成部件的設(shè)計(jì)與制作

2.1 海面浮標(biāo)

海面浮標(biāo)包括錨燈、不銹鋼球殼和鏈接機(jī)構(gòu)等,具體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。所設(shè)計(jì)的海面浮標(biāo)主要是由兩個(gè)不銹鋼半球拼焊而成的球殼,球殼厚度要在保證構(gòu)成浮標(biāo)一定剛性的前提下,盡可能地薄,這樣可以減輕質(zhì)量,增強(qiáng)其隨波性。為了便于鏈接錨泊纜和固定錨燈以及增加不銹鋼球殼的剛性,過球心從上到下穿有主拉鋼管;為了便于運(yùn)輸,對(duì)稱地焊接著四個(gè)拉環(huán);為了防止浮標(biāo)變形,球殼內(nèi)外的吃力部位都焊接著加強(qiáng)筋。海面浮標(biāo)制作裝配完成后,在實(shí)際應(yīng)用前,要進(jìn)行密封性能和壓力性能測(cè)試。由于海面浮標(biāo)體積一般較大,進(jìn)行外壓試驗(yàn)需要較大的壓力試驗(yàn)容器,受此條件限制,可以從內(nèi)部進(jìn)行加壓試驗(yàn)[2-3]。在制作的時(shí)候可以在浮球上留出尺寸合適的兩個(gè)圓孔(如孔的直徑為 2cm),從外部加壓試驗(yàn)。確定密封和耐壓性能良好后,將圓孔密封。

圖2 海面浮標(biāo)結(jié)構(gòu)組成Fig.2 The formation of surface float

2.2 輔助錨件

2.2.1 錨泊纜

錨泊纜的設(shè)計(jì)制作是基于三方面的考慮：(1)錨泊纜的承載力：由于海面浮標(biāo)體積較小,排水量有限,錨泊纜上的張力有限,但考慮到內(nèi)波和臺(tái)風(fēng)經(jīng)過等惡劣海況的影響,應(yīng)該選取較大的保險(xiǎn)系數(shù)。(2)錨泊纜自身質(zhì)量和水中質(zhì)量：由浮標(biāo)帶動(dòng)錨泊纜隨波浪起伏運(yùn)動(dòng),鋼纜不能過重,尤其水中質(zhì)量要嚴(yán)格控制。(3)錨泊纜防腐蝕性能：由于錨泊纜長(zhǎng)時(shí)間在海水中浸泡,外表面要進(jìn)行防腐蝕處理[4]。

綜合以上要求,圖3是所設(shè)計(jì)的一種用作錨泊纜的注塑鋼纜的截面,其內(nèi)芯為優(yōu)質(zhì)鋼絲繩,外面進(jìn)行注塑封裝處理。通過合適的尺寸和比例選擇,使其剛性、水中浮力和韌性恰到好處。

圖3 錨泊纜斷面圖Fig.3 Sketch of line’s section

2.2.2 張緊錘

錨泊裝置中的張緊錘綴于錨泊纜下部,起到繃直錨泊纜的作用,它采用流線型設(shè)計(jì),主要由中軸處有孔的圓柱形和圓臺(tái)形鉛磚串套在中心軸桿上構(gòu)成,它在水中質(zhì)量數(shù)十公斤(根據(jù)水深和海況進(jìn)行調(diào)節(jié)),可以有效地使錨泊鋼纜處于可上下振動(dòng)的懸直狀態(tài)。具體結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 張緊錘設(shè)計(jì)圖Fig.4 Design of pendulum

2.2.3 儲(chǔ)鏈和錨塊

張緊錘和錨塊之間連接一20 m左右的儲(chǔ)鏈,儲(chǔ)鏈可以購(gòu)置現(xiàn)成的不銹鋼鏈條。

錨泊重物起到定位的作用,為了方便運(yùn)輸和海上投放,錨泊重物采用分體組裝的方法,組裝塊采用鑄鐵材料,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 錨泊重物設(shè)計(jì)圖Fig.5 Sketch of gravity anchor

3 應(yīng)用舉例

本錨泊裝置能夠隨著波浪的起伏而上下運(yùn)動(dòng),從而將波浪能轉(zhuǎn)化成錨泊纜系的動(dòng)能,在錨泊纜周圍放置永磁鐵,可以用其來發(fā)電[5-6]。另外也可以用其來作單向驅(qū)動(dòng),配以適當(dāng)?shù)膯蜗虿竭M(jìn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和測(cè)量平臺(tái),可以構(gòu)成海洋要素垂直剖面循環(huán)測(cè)量系統(tǒng)[7]。

由圖6可以看出,搭載傳感器的測(cè)量平臺(tái)借助棘爪機(jī)構(gòu)攀附在引導(dǎo)纜上,棘爪機(jī)構(gòu)的主要部分是兩個(gè)夾槽,一個(gè)固定在底板上(固定底板又緊固在測(cè)量平臺(tái)的一側(cè)),另一個(gè)可以隨轉(zhuǎn)動(dòng)臂在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),引導(dǎo)纜穿過兩個(gè)夾槽相對(duì)的部分。整套垂直剖面測(cè)量系統(tǒng)的工作原理是：海面浮標(biāo)隨波浪起伏,帶動(dòng)一定長(zhǎng)度的引導(dǎo)纜在海水中上下振動(dòng)。當(dāng)引導(dǎo)纜向下運(yùn)動(dòng)時(shí),依靠摩擦力帶動(dòng)棘爪的可動(dòng)夾槽下行,從而使兩夾槽擠緊引導(dǎo)纜,隨纜下滑,而測(cè)量平臺(tái)與傳動(dòng)棘爪是連在一起的,所以測(cè)量平臺(tái)也被引導(dǎo)纜帶著下滑;當(dāng)纜向上運(yùn)動(dòng)時(shí),它帶動(dòng)可動(dòng)轉(zhuǎn)臂斜向上轉(zhuǎn)動(dòng),兩夾槽松開引導(dǎo)纜,因此棘爪和測(cè)量平臺(tái)依靠慣性滯留原位。當(dāng)纜繩被波浪帶動(dòng)反復(fù)上下振動(dòng)時(shí),不斷重復(fù)上面的過程,這樣測(cè)量平臺(tái)就被一步步帶到海底,此時(shí),由電機(jī)帶動(dòng)凸輪推動(dòng)傳動(dòng)棘爪上的可動(dòng)夾槽轉(zhuǎn)離引導(dǎo)纜,使棘爪徹底松開,測(cè)量平臺(tái)就在自身正浮力的作用下上浮到海面,此后,電機(jī)松開棘爪上的可動(dòng)夾槽,傳動(dòng)棘爪又起作用,依靠波浪能又使測(cè)量平臺(tái)步進(jìn)下潛,如此反復(fù),就可以使測(cè)量平臺(tái)不斷地沿著引導(dǎo)纜反復(fù)上下循環(huán),實(shí)現(xiàn)海洋要素的長(zhǎng)期、連續(xù)、循環(huán)測(cè)量。

圖6 波浪驅(qū)動(dòng)垂直剖面測(cè)量系統(tǒng)工作原理Fig.6 The working principle of a vertical profiler

4 小結(jié)

有效吸收和傳遞波浪能的錨定裝置已經(jīng)在近海試驗(yàn)中取得了成功,從中可以看出該裝置的特征為：(1)球形的海面浮標(biāo)隨波浪上下起伏性能較好,同時(shí),海面浮標(biāo)采用加內(nèi)、外加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu),增加了抗拉伸性能,確保浮球不變形。(2) 錨泊纜是經(jīng)過特殊制作的注塑鋼纜,具有一定的抗拉伸性能,同時(shí)又具有較高的防腐蝕能力。(3)張緊錘綴于錨泊纜下部,起到繃直錨泊纜的作用,使其處于可上下振動(dòng)的懸直狀態(tài)。(4)二十多米長(zhǎng)的儲(chǔ)鏈可以保證整個(gè)系統(tǒng)在海上潮起潮落以及較大風(fēng)浪的情況下,有效地吸收并傳遞海表面波浪能。(5)錨燈可以在夜間使過往船只等海上交通工具注意到浮標(biāo)的存在,從而避免整個(gè)裝置被船只撞壞。

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