鄭松根，何宏舟，3

（1．集美大學(xué)福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術(shù)研究中心 廈門 361021；2．集美大學(xué)福建省能源清潔利用與開發(fā)重點實驗室 廈門 361021；3．集美大學(xué)機械與能源工程學(xué)院 廈門 361021）

波浪發(fā)電平臺定位系統(tǒng)研究綜述*

鄭松根1，2，何宏舟1，2，3

（1．集美大學(xué)福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術(shù)研究中心 廈門 361021；2．集美大學(xué)福建省能源清潔利用與開發(fā)重點實驗室 廈門 361021；3．集美大學(xué)機械與能源工程學(xué)院 廈門 361021）

圍繞波浪發(fā)電裝置的定位需求，以現(xiàn)有海洋平臺的定位技術(shù)為參考，介紹波浪發(fā)電平臺的3種主要定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式及其應(yīng)用實例，并針對各種定位系統(tǒng)的特點提出波浪發(fā)電平臺定位系統(tǒng)選擇的一些建議。

波浪發(fā)電；定位系統(tǒng)；垂直導(dǎo)樁；懸鏈線；張緊索

海洋波浪能是一種儲量大、分布范圍廣的可再生能源，其開發(fā)利用適應(yīng)了國家海洋發(fā)展戰(zhàn)略的需求。波浪發(fā)電是波浪能利用的主要方式之一，具有為遠離電網(wǎng)的海上裝置和孤島提供電力的特殊作用［1］。波浪發(fā)電裝置一般要求安裝在離岸式浮體平臺上，波浪發(fā)電浮體平臺的定位系統(tǒng)對于維持平臺的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用，而平臺的穩(wěn)定則有利于保障裝置的正常運行和人員與設(shè)備的安全。

當前的波浪發(fā)電平臺定位系統(tǒng)主要參考3種海洋平臺定位系統(tǒng)：垂直導(dǎo)樁系統(tǒng)、懸鏈線系泊系統(tǒng)和張緊索系泊系統(tǒng)。本研究將分別闡述這3種定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式及其在波浪能發(fā)電中的應(yīng)用案例，同時結(jié)合波浪發(fā)電平臺的采能方式和穩(wěn)定性需求，總結(jié)波浪發(fā)電平臺系泊系統(tǒng)的主要特點，并給出波浪發(fā)電平臺定位系統(tǒng)選擇的一些建議。

1 垂直導(dǎo)樁系統(tǒng)

垂直導(dǎo)樁系統(tǒng)是將浮體安裝在垂直導(dǎo)樁上，用樁固定于海底的一種平臺定位系統(tǒng)。如圖1所示為具有8根樁柱的平臺垂直導(dǎo)樁系統(tǒng)［2］俯視圖。垂直導(dǎo)樁系統(tǒng)要求樁柱能承受較大的水平力，能很好地限制浮體的水平運動和轉(zhuǎn)動；但為了保證樁柱有足夠的水平強度，需要將樁柱打得很深，所以垂直導(dǎo)樁系統(tǒng)一般只適用于淺水海域，而且對于海底地質(zhì)條件要求較高。

圖1 垂直導(dǎo)樁系統(tǒng)

垂直導(dǎo)樁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式包括有：單樁式結(jié)構(gòu)、重力式結(jié)構(gòu)、吸力桶式結(jié)構(gòu)、三角架結(jié)構(gòu)和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)（圖2）［3］。

1.1 單樁式結(jié)構(gòu)

如圖2（a）所示，單樁式結(jié)構(gòu)是利用單根鋼樁連接平臺與海底的結(jié)構(gòu)。鋼樁的安裝一般采用打樁或鉆孔的方式，安裝的深度依據(jù)海底地質(zhì)條件而定，一般適用于水深30 m以內(nèi)的海域，不適應(yīng)有巨大巖石的海底。這種形式結(jié)構(gòu)簡單，對水深變化和海水活動區(qū)域適應(yīng)性好，但是對震動敏感，需采用較大的直徑（6 m左右），對設(shè)計和施工的要求較高。

1.2 重力式結(jié)構(gòu)

如圖2（b）所示，重力式結(jié)構(gòu)是將樁柱下端固定在混凝土基礎(chǔ)上，上端與發(fā)電平臺連接，依靠自身鋼筋混凝土基礎(chǔ)的重量錨定于海底，從而實現(xiàn)對平臺的定位。這種結(jié)構(gòu)建造簡單，成本低，但是體積龐大，只適用于10 m以內(nèi)的水深。而且該結(jié)構(gòu)不適用于軟基海底，在安裝前需要對海底進行處理，容易受到?jīng)_刷和破壞。

圖2 垂直導(dǎo)樁系統(tǒng)的5種結(jié)構(gòu)形式

1.3 吸力桶式結(jié)構(gòu)

如圖2（c）所示，吸力桶式結(jié)構(gòu)上部是鋼柱，下部是一個負壓桶，負壓桶通過帶有加強筋的剪切板連接到中心鋼柱上，剪切板將鋼柱的載荷平均分配到桶壁上并傳入基礎(chǔ)［4］。負壓桶類似于一個倒扣的水桶，桶頂部與鋼柱連接處有一個抽水口。安裝時，桶口朝下，先在抽水口處接一根管子用泵將桶內(nèi)的水和泥漿抽出，使桶內(nèi)形成負壓，再利用結(jié)構(gòu)自重和海水的壓力將桶壓入海床中，直至桶的頂部接觸海底時停止抽水，關(guān)閉抽水口，完成安裝。這種結(jié)構(gòu)適用于25 m以內(nèi)水深，要求海底為砂性土或者軟黏土，安裝施工費用較高，應(yīng)用較少。

1.4 三腳架結(jié)構(gòu)

如圖2（d）所示，三腳架結(jié)構(gòu)采用3根樁柱通過兩組三角形鋼架和中心立柱相連接，中心立柱上端便可安裝發(fā)電平臺。三腳架結(jié)構(gòu)由于采用穩(wěn)定的三角形架構(gòu)，其剛度要大于單樁結(jié)構(gòu)，使用水深均在20 m以上，而且中心立柱可以通過調(diào)整3根樁柱之間的位置保持垂直，樁柱的直徑只需0．8～2．5 m［5］，遠小于單樁直徑，施工安裝更為容易。當三腳架樁柱的強度不夠時，可以采用增加樁柱的方法來提高強度，保證系統(tǒng)的安全。

1.5 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)

如圖2（e）所示，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)采用4個樁基，樁基以上部分為0．5～1．5 m直徑的導(dǎo)管搭接而成，整個形式類似于石油鉆井平臺。導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性更好，樁基直徑為0．8～2．5 m，其適用的水深范圍為20～50 m，是所有垂直導(dǎo)樁系統(tǒng)中適用水深最大的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的缺點是構(gòu)造復(fù)雜，需要耗費大量的鋼材，建造成本也是所有系統(tǒng)中最高的。

1.6 垂直導(dǎo)樁系統(tǒng)在波浪發(fā)電平臺中的應(yīng)用

如圖3所示，垂直導(dǎo)樁系統(tǒng)在波浪發(fā)電平臺中的一個應(yīng)用案例便是麥克卡伯水波泵裝置（McCabe Wave Pump）［6］。該裝置由愛爾蘭的皮特·麥克卡伯開發(fā)研制，浮體部分由3個鋼質(zhì)浮橋鉸接在一起，中間的浮橋上安放泵式結(jié)構(gòu)并保持固定，兩側(cè)浮橋在波浪作用下做俯仰運動，運動產(chǎn)生的動力通過液壓泵裝置驅(qū)動水輪機工作發(fā)電。

目前，該裝置已經(jīng)在愛爾蘭香農(nóng)灣安裝運行。其定位便是依靠連接在中間浮橋下的4根單樁固定于海底來實現(xiàn)的，其中單樁底端預(yù)先設(shè)置了一個阻尼板以減輕樁柱的震動。

2 系泊系統(tǒng)

系泊系統(tǒng)是指通過索鏈將海洋平臺或浮體與固定于海底的錨固裝置相連接，以實現(xiàn)平臺（浮體）定位并維持其穩(wěn)定性的系統(tǒng)。系泊系統(tǒng)一般由3部分組成：系泊纜索、連接器和錨固裝置［7］。系泊纜索上端連接到平臺主體，另一端通過連接器與錨固裝置相連。調(diào)節(jié)系泊纜索預(yù)張力使其呈現(xiàn)不同的幾何形態(tài)，據(jù)此可以把系泊系統(tǒng)分成懸鏈線系泊系統(tǒng)和張緊索系泊系統(tǒng)。

2.1 懸鏈線系泊系統(tǒng)

圖3 麥克卡伯水波泵（McCabe Wave Pump）裝置及其樁固系統(tǒng)

懸鏈線系泊系統(tǒng)是傳統(tǒng)的展開式系泊系統(tǒng)，其系泊纜索呈懸鏈狀，平臺（浮體）通過懸垂的纜索與海底的錨固裝置相連，纜索的底端有一段水平臥底段以保證錨抓力。懸鏈的重力和錨抓力為平臺提供回復(fù)力，限制平臺的移動范圍以實現(xiàn)其定位。該系統(tǒng)通常只適用于1 km內(nèi)水深［8］，當水深超過1 km時，懸鏈太長使得系統(tǒng)的系泊半徑過大，懸鏈的重力也增加了平臺的負載，導(dǎo)致設(shè)計施工變得復(fù)雜，成本劇增。

懸鏈線系泊系統(tǒng)根據(jù)波浪發(fā)電平臺系泊點數(shù)的不同，可以分成單點系泊和多點系泊。

2.1.1 懸鏈線單點系泊系統(tǒng)

單點系泊，指平臺（浮體）通過纜索與單個系泊點聯(lián)結(jié)，從而隨著風(fēng)浪與水流等的變化，可以圍繞單個系泊點自由回轉(zhuǎn)，不斷處于風(fēng)、浪、流的合成阻力最小位置的系泊方式。懸鏈線單點系泊使得平臺具有很高的運動自由度，但是平臺的漂泊半徑相應(yīng)變大，時常會隨著風(fēng)、浪、流的作用而改變位置。同時單個錨固裝置受力集中，容易發(fā)生走錨或纜索斷裂的風(fēng)險。

單點系泊包括單鏈單點系泊、單鏈浮筒系泊和多鏈浮筒系泊。

單鏈單點系泊是將固定于海底的錨爪（或錨塊）通過一根系索直接系住浮體平臺［9］。單鏈浮筒系泊原理如圖4所示，是將浮體通過系索與浮筒聯(lián)結(jié)，再將浮筒用單錨鏈錨固于海底。多鏈浮筒系泊則是浮筒采用多鏈錨固于海底的形式（圖5）。

圖4 單鏈浮筒系泊

圖5 多鏈浮筒系泊

2.1.2 懸鏈線多點系泊系統(tǒng)

多點系泊是指平臺（浮體）不同位置通過纜索同時與多個系泊點連接（圖6）。采用多點系泊會使得平臺的漂移、偏蕩幅度較?。?0］，平臺的運動自由度受到一定程度的限制。多點系泊使得平臺穩(wěn)定性更好，但是抗大風(fēng)浪能力較弱，一般用于風(fēng)浪較小的海域［11］。

多點系泊系統(tǒng)系泊點數(shù)在兩個以上，多的可以達到十幾個。其系泊點的布置方式如圖7所示。對于兩點系泊有一字系泊法和八字系泊法，兩點以上的系泊點一般采取對稱布置，也可多個纜索系于平臺的同一個系纜點。

圖6 懸鏈線多點系泊系統(tǒng)

懸鏈線多點系泊的水下鏈形（圖8）包括交叉型和非交叉型，懸鏈線上可以附加重塊以增大平臺回復(fù)力，也可以通過增加浮塊來減輕鏈重以減少平臺的載荷。一般根據(jù)波浪發(fā)電平臺的穩(wěn)定性需求和發(fā)電裝置的采能方式來選擇具體的鏈形或組合。

圖7 多點系泊形式

圖8 懸鏈線多點系泊水下鏈形

2.1.3 懸鏈線系泊系統(tǒng)在波浪發(fā)電中的應(yīng)用

日本巨鯨號（Mighty Whale）［12］波能發(fā)電裝置是懸鏈線系泊系統(tǒng)在波浪發(fā)電中應(yīng)用的一個案例。該裝置由日本海洋科技中心開發(fā)研制，其發(fā)電原理是利用振蕩水柱抽排氣室內(nèi)空氣，通過空氣流動驅(qū)動渦輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。該平臺的系泊系統(tǒng)采用多點系泊（圖9），右側(cè)有3個系泊鏈，按照穩(wěn)定性需求，左側(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)與右側(cè)對稱，則該平臺共采用6個系泊纜索，每根懸鏈上附加兩個重塊以增大平臺回復(fù)力和穩(wěn)定性。

圖9 “巨鯨”號波能發(fā)電裝置及其系泊系統(tǒng)

懸鏈線系泊系統(tǒng)在波浪發(fā)電的另一個應(yīng)用案例便是“海蛇”波能裝置（Pelamis）［13］。如圖10所示，該裝置由多節(jié)鋼制圓柱浮筒鉸接而成，單節(jié)浮筒隨波浪上下左右各自運動，驅(qū)動液壓裝置進行蓄能。該系統(tǒng)采用兩點一字系泊，錨系點分別位于發(fā)電裝置的第一節(jié)和第三節(jié)浮筒處，水下鏈形為非交叉懸鏈形。該裝置由英國人率先開發(fā)，目前已經(jīng)通過測試，并在美國和葡萄牙等國家投入商業(yè)化運行。

圖10 海蛇波浪發(fā)電裝置及其系泊系統(tǒng)

2.2 張緊索系泊系統(tǒng)

張緊索系泊系統(tǒng)的系泊纜索呈張緊狀態(tài)。該系統(tǒng)利用張緊的纜索與海底錨固裝置聯(lián)結(jié)，平臺在纜索作用下吃水增大使得平臺所受的浮力大于自重，多余的浮力便由纜索的張力進行平衡，纜索張力同時也為平臺提供回復(fù)力［14］。張緊索系泊系統(tǒng)的垂直方向為剛性，水平方向雖為柔性，但是其運動范圍受到一定的限制。張緊索系統(tǒng)的錨固裝置往往要承受極大的向上拉力［15］，因此需要采用特殊的錨固裝置。此類系泊系統(tǒng)在深海平臺上應(yīng)用居多，大多用于1 000～3 000 m深的海域，其典型的結(jié)構(gòu)型式便是張力腿平臺和spar平臺（圖11）。

圖11 張緊索系泊系統(tǒng)

目前，張緊索系泊系統(tǒng)在波浪發(fā)電平臺上的應(yīng)用案例主要有中國海洋大學(xué)研究的蝶形越浪式波能發(fā)電裝置［2］和英國的復(fù)合振蕩水柱裝置［16］等。蝶形越浪式波能發(fā)電裝置的系泊系統(tǒng)共有6個系泊點，分置于正六邊形的6個頂點，其錨固裝置采用重力式混凝土塊（圖12）。復(fù)合振蕩水柱裝置的系泊系統(tǒng)類似于spar平臺，采用兩根張力纜索進行定位（圖13）。綜合以上兩類裝置可以發(fā)現(xiàn)，采用張緊索系泊的發(fā)電平臺，平臺水線以下需有比較大的浮體排水體積以平衡系索張力，防止發(fā)生系索松弛的現(xiàn)象。

圖12 蝶形越浪式波能發(fā)電裝置系泊系統(tǒng)

圖13 復(fù)合振蕩水柱裝置

2.3 系泊纜索

典型的系泊纜索有鋼鏈、鋼索和合成纖維繩3種。

鋼鏈是由許多鋼制鏈環(huán)連接而成，鏈環(huán)分有擋鏈環(huán)與無擋鏈環(huán)兩種。根據(jù)鋼材公稱抗拉強度不同，鋼鏈分成5個等級，常用的為二級和三級鋼錨鏈。鋼鏈具有質(zhì)量大、強度高、耐磨損、延伸率低等特點［8］。

鋼索是由鋼絲組成，它先由若干根鋼絲捻成股，再由若干股圍繞芯（鋼索的中心構(gòu)件叫做芯，它可以是一股鋼絲芯或一股纖維芯）捻成繩。鋼索的特點是制造成本高、同等強度下質(zhì)量小、易磨損等。

合成纖維繩的材料通常有聚酯纖維、高強聚乙烯、芳香族尼龍等，其中以聚酯纖維應(yīng)用最廣，其結(jié)構(gòu)形式有股絞式、打辮式、編織式和平行紗式。合成纖維繩耐磨損、耐腐蝕、質(zhì)量輕，但強度比等徑鋼索小。

在傳統(tǒng)的懸鏈線系泊系統(tǒng)上鋼鏈應(yīng)用最多，在水深較大的系泊系統(tǒng)中則采用鋼索或者纖維繩替代部分懸垂鋼鏈的混合方式。對于張緊索系泊系統(tǒng)，大多采用鋼索或合成纖維繩作為主要系泊纜索，且合成纖維繩在大水深系泊系統(tǒng)上的應(yīng)用越來越廣泛。

2.4 錨固裝置

錨固裝置的種類較多，按其結(jié)構(gòu)和用途不同，可將錨設(shè)備分為有桿錨、無桿錨、大抓力錨、特種錨、法向承力錨、樁錨、負壓錨和重力錨等［17－18］。

有桿錨、無桿錨一般為船用錨；大抓力錨在大型平臺或者大型船舶的懸鏈線定位系統(tǒng)上應(yīng)用較多；特種錨多用于浮筒、浮標、船塢等永久性系泊系統(tǒng)；法向承力錨、負壓錨、重力錨則主要作為海洋平臺張緊式系泊系統(tǒng)的錨固裝置；樁錨適用于海底較為堅固、水深較淺的系泊系統(tǒng)。

在波浪發(fā)電平臺設(shè)計選型的過程中，應(yīng)根據(jù)系泊系統(tǒng)的要求和海底土壤的具體情況選擇合適的錨固裝置。

3 各種波浪發(fā)電平臺定位系統(tǒng)的特點

垂直導(dǎo)樁系統(tǒng)的特點是穩(wěn)定性好，能較好限制平臺水平方向的移動和轉(zhuǎn)動，浮體運動以垂蕩為主，能防止斷鏈和走錨的事故發(fā)生；但是其設(shè)計安裝成本高，隨著水深增加成本大幅增加，故只適用水深較淺的海域。該類系統(tǒng)一般設(shè)備巨大、對海底地質(zhì)有較高要求，運輸和施工困難；另一方面由于系統(tǒng)大大限制了浮體的運動自由度，使得導(dǎo)樁的水平力很大，容易破壞?；诖怪睂?dǎo)樁系統(tǒng)的特點，固定式波浪發(fā)電平臺或者需要高穩(wěn)定性的波能裝置大多采用該方式，但是成本是限制該類定位系統(tǒng)發(fā)展的主要因素。

懸鏈式系泊系統(tǒng)適用海洋深度范圍廣，可以達到1 000 m，浮體自由度好，對于需要大自由度的波能裝置有較好的應(yīng)用前景，此外該系統(tǒng)還有受海底地質(zhì)條件限制小、施工簡單、成本低、可重復(fù)使用等優(yōu)點。但該類系統(tǒng)也存有一些缺點，包括：浮體存在6個運動自由度，較不穩(wěn)定；當水深1 000 m以上時，錨鏈的延長使得浮體漂蕩范圍變大，懸鏈線與浮體夾角變大，回復(fù)力不能滿足要求，不能起到很好的定位作用；同時由于錨鏈的重量增加，還相應(yīng)地減少了浮體可變載荷；有斷鏈和走錨的風(fēng)險；隨著水深增加，該種系泊方式造價亦增加明顯。

張緊式系泊系統(tǒng)在水平方向是柔性的，在豎直方向是剛性的。與懸鏈式系泊系統(tǒng)相比，浮體具有波浪中穩(wěn)定性高、抗惡劣環(huán)境作用能力強、平臺回復(fù)力大、可變載荷大、節(jié)約材料、系泊半徑小、造價不隨水深顯著增加等優(yōu)點。但是缺點亦是顯而易見：①對重量變化敏感，有效載荷的調(diào)節(jié)有限制，在大波高的狀況下，平臺載荷過大容易產(chǎn)生系泊索松弛現(xiàn)象。②自由度沒有懸鏈式好，對于某些波能裝置有限制。③受潮汐影響，該類系統(tǒng)在較淺海域不適用。

4 結(jié)論

在波浪能開發(fā)的過程中，結(jié)合成本因素考慮，不同的波浪發(fā)電方式要采用不同的平臺定位系統(tǒng)。以成本為首要條件，一般不采用垂直導(dǎo)樁方式。只有當發(fā)電平臺需要極高穩(wěn)定性而自身的穩(wěn)定能力不足，或者發(fā)電裝置只是利用平臺的附屬設(shè)備進行采能，且在淺海應(yīng)用時，才宜于采用垂直導(dǎo)樁定位系統(tǒng)。

對于平臺本身需要多自由度運動，并且能夠多個方位采集波浪能量的發(fā)電裝置采用懸鏈線系泊系統(tǒng)比較合理；對于浮體自身穩(wěn)定性好，且應(yīng)用海域深度不是很大的情況，由于設(shè)計施工簡單一般也可以采用懸鏈線系泊系統(tǒng)。

對于應(yīng)用于大水深環(huán)境且需要浮體具有較高的穩(wěn)定性，特別是需要一定的垂直方向剛度的發(fā)電平臺，采用張緊索系泊方案最佳。

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