彭定強(qiáng)

摘要：波浪能發(fā)電是目前我國(guó)海洋能資源開(kāi)發(fā)利用的一種主流應(yīng)用技術(shù)。本文介紹一種鷹式波浪能發(fā)電裝置的壓載系統(tǒng)，通過(guò)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)在高效率狀態(tài)下運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：波浪能;發(fā)電;鷹頭;壓載系統(tǒng);優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U743.2? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Wave energy power generation is a mainstream and mature application technology in the development and utilization of Marine energy resources in China. This paper introduces the ballast system of an eagle wave energy generator. Through analysis and optimization design， the ballast system can work at high efficiency.

Key words： Wave energy; Power generation; Sharp eagle; Ballast system;Optimization

1 前言

2016年12月30日，國(guó)家海洋局發(fā)布了《海洋可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》?！兑?guī)劃》指出，我國(guó)海洋能資源豐富，島嶼眾多，具備規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用海洋能的條件，到2020年可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例爭(zhēng)取達(dá)到15%。

根據(jù)海島的自然條件特點(diǎn)，水電開(kāi)發(fā)沒(méi)有水利資源條件，發(fā)展太陽(yáng)能需要占用較多的土地，且一般海島上都是陡峭的山地，太陽(yáng)能電池板安裝比較困難。而開(kāi)發(fā)波浪能發(fā)電具有得天獨(dú)厚的條件，可以改變海島能源結(jié)構(gòu)，有利于增加可再生能源的比例;同時(shí)，波浪能發(fā)電所發(fā)出的電力比較穩(wěn)定，可與風(fēng)電、柴油機(jī)發(fā)電互補(bǔ)，從而達(dá)到優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的目的，大幅度減輕環(huán)保壓力。

本文介紹一種鷹式波浪能發(fā)電裝置的壓載系統(tǒng)，通過(guò)分析其原始設(shè)計(jì)存在的不足，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率。

2 波浪能發(fā)電裝置簡(jiǎn)介

2.1波浪能發(fā)電裝置現(xiàn)狀

波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展已有幾十年的歷史，世界各國(guó)涌現(xiàn)了一大批的波浪能發(fā)電技術(shù)方案。波浪能發(fā)電技術(shù)，首先要保證其可靠性，在此基礎(chǔ)上要提高轉(zhuǎn)換效率，而這兩者往往存在矛盾。通常情況是轉(zhuǎn)換效率高的裝置可靠性差，而可靠性高的裝置轉(zhuǎn)換效率又比較低，因此波浪能發(fā)電方案多種多樣，出現(xiàn)了各有側(cè)重的不同方案。

目前，波浪能發(fā)電裝置主要有：（1）振蕩水柱裝置，優(yōu)點(diǎn)是安全可靠，維護(hù)方便;缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率較低;（2）收縮波道式波浪能裝置，其優(yōu)點(diǎn)是：可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、造價(jià)較低，問(wèn)題是需提高針對(duì)大浪時(shí)裝置的穩(wěn)定性;（3）擺式波浪能裝置，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高;缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換效率低、施工成本高;（4）筏式波浪能裝置，其優(yōu)點(diǎn)是可靠性強(qiáng)、發(fā)電穩(wěn)定;缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率不高、適用面較窄;（5）點(diǎn)吸收式波浪能裝置，該裝置制造簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟。

2.2鷹式波浪能發(fā)電裝置的組成及工作原理

隨著漂浮式波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)已成為國(guó)際上發(fā)展的主流，目前絕大部分波浪能轉(zhuǎn)換裝置都是漂浮式的。我國(guó)近幾年來(lái)已建成一系列鷹式波浪能發(fā)電裝置，裝機(jī)規(guī)模穩(wěn)步提高，積累了大量的鷹式波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行發(fā)電的經(jīng)驗(yàn)。

本文介紹一種新建的大型鷹式波浪能發(fā)電裝置（見(jiàn)圖1）：主體長(zhǎng)50m、寬36m、高16m、作業(yè)吃水11m、拖航吃水2.8m;單向4個(gè)鷹頭吸波體、雙向8個(gè)鷹頭吸波體;半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)，四角錨泊。

（1）工作原理

波浪能發(fā)電技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換方式為三級(jí)轉(zhuǎn)換：波浪能—液壓能—電能。其工作原理：在波浪作用下，鷹頭吸波體通過(guò)門(mén)型支撐臂繞鉸鏈作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)波浪由波谷轉(zhuǎn)為波峰的過(guò)程中，波浪推動(dòng)鷹頭吸波體向上旋轉(zhuǎn)，牽引液壓缸擠壓液壓油進(jìn)入蓄能器，將波浪能轉(zhuǎn)換為液壓能，液壓能蓄積后釋放，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

（2）裝置的組成

鷹式波浪能發(fā)電裝置的組成，如圖2所示：

雙出桿液壓缸一端安裝在鷹頭背部，另一端安裝在裝置中部立式艙室底端;液壓蓄能器、馬達(dá)等設(shè)備，安裝在裝置中部立式浮箱上層艙室內(nèi);鷹頭吸波體側(cè)面兩端連接有兩個(gè)剛性支撐臂，支撐臂末端連接有轉(zhuǎn)軸，與半潛平臺(tái)上安裝的轉(zhuǎn)軸鉸接固定;通過(guò)模擬鷹頭繞轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，考慮到鷹頭與半潛平臺(tái)之間的相對(duì)位置，在半潛平臺(tái)上相應(yīng)位置安裝有限位裝置，以限制鷹頭吸波體僅在最高轉(zhuǎn)換效率下的迎波范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);同時(shí)，為防止極端狀況下（如臺(tái)風(fēng)）鷹頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)于劇烈而無(wú)法控制超出限位，可能對(duì)半潛平臺(tái)及自身造成破壞性的結(jié)果，設(shè)置了一套撞針保護(hù)裝置;鷹頭上安裝一套導(dǎo)管，導(dǎo)管兩端用玻璃板封閉，導(dǎo)管內(nèi)部與浮艙聯(lián)通;依據(jù)鷹頭旋轉(zhuǎn)軌跡，在半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)上略微超出上、下限位位置且對(duì)應(yīng)導(dǎo)管處，各安裝一套撞針。當(dāng)鷹頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)超出上、下限位位置時(shí)，撞針會(huì)捅破鷹頭上導(dǎo)管的玻璃板，此時(shí)浮艙與外部聯(lián)通，浮艙內(nèi)的水自然泄出，隨著鷹頭重量減少，動(dòng)能降低，其破壞性得以削弱。

3 鷹式波浪能發(fā)電裝置的壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

不同季節(jié)、不同氣候條件下，同一海域的波高和周期均有變化，其對(duì)應(yīng)波浪功率也是變化的。同一臺(tái)裝置在不同入射波功率下，如果施加同樣的負(fù)載，其能量輸入與輸出往往不匹配，轉(zhuǎn)換效率也不能達(dá)到最優(yōu)。因此，波浪能發(fā)電裝置應(yīng)根據(jù)波浪情況設(shè)計(jì)不同的負(fù)載等級(jí)，小波浪時(shí)啟動(dòng)小負(fù)載，大波浪時(shí)啟動(dòng)大負(fù)載，使裝置始終在高效率狀態(tài)下工作。因此最優(yōu)負(fù)載研究，對(duì)波浪能發(fā)電裝置能否始終高效運(yùn)行意義重大。

鷹頭作為波浪能裝置的吸波體，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接影響著波浪能—液壓能的轉(zhuǎn)換效果。根據(jù)各種型號(hào)鷹式波浪能發(fā)電裝置在實(shí)際海況運(yùn)行發(fā)電的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比分析鷹式裝置寬度、波高、波浪周期等因素對(duì)轉(zhuǎn)換效率和輸出功率的影響，并進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算與分析，設(shè)計(jì)出一種上、下分艙式的鷹頭結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3）：

鷹頭艙長(zhǎng)10m、寬10m、高6m，其外觀側(cè)視酷似鷹的頭部，故得其名;分艙隔板水平設(shè)置在3.5m高度，上艙是密閉的作為壓載艙，下艙是向下敞口的空艙，從分艙隔板到鷹頭頂部設(shè)有一根透氣管（管徑3”），當(dāng)鷹頭下潛時(shí)下艙與大氣聯(lián)通，保證鷹頭能正常下潛;通過(guò)對(duì)上艙進(jìn)行壓載、排載操作，調(diào)節(jié)鷹頭重量重心，使之在各個(gè)工況下均實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.1 鷹頭壓載系統(tǒng)原始設(shè)計(jì)

考慮到鷹頭自身構(gòu)造的特殊性，鷹式波浪能發(fā)電裝置采用鷹頭獨(dú)立的壓載系統(tǒng)（見(jiàn)圖4）：

鷹頭上艙艙底處設(shè)置進(jìn)水管線(xiàn)（兼作排水用），管線(xiàn)靠近艙底布置在艙內(nèi)尾部（管徑12”），吸口貼緊艙底板，以便最大限度排空艙內(nèi)水;進(jìn)排水管口設(shè)置在艙底板尾部;控制閥設(shè)置在艙內(nèi)水平管段上。

當(dāng)半潛平臺(tái)下潛時(shí)，鷹頭隨之下沉入水中，此時(shí)打開(kāi)控制閥門(mén)，外部海水可以自灌進(jìn)入該艙;當(dāng)達(dá)到所需要的壓載水量時(shí)，關(guān)閉控制閥門(mén)，壓載操作完畢;當(dāng)半潛平臺(tái)上浮時(shí)，鷹頭隨之上浮出水面，此時(shí)打開(kāi)控制閥門(mén)，鷹頭浮艙內(nèi)海水可以通過(guò)重力自排至艙外。但由于此管線(xiàn)布置高于浮艙底板，因此艙內(nèi)此管線(xiàn)高度以下部分的水無(wú)法通過(guò)重力自排至艙外，而且該分析是基于鷹頭處于水平位置的靜態(tài)情況，若考慮到鷹頭在發(fā)電工況下，將在上、下限位之間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)情況更加復(fù)雜。當(dāng)鷹頭旋轉(zhuǎn)至上限位處時(shí)，鷹頭尾部處在低位，浮艙內(nèi)的水聚集在鷹頭尾部，此時(shí)通過(guò)該管線(xiàn)較難通過(guò)重力自排;當(dāng)鷹頭旋轉(zhuǎn)至下限位處時(shí)，鷹頭首部處在低位，浮艙內(nèi)的水聚集在鷹頭首部，此時(shí)該管線(xiàn)幾乎露出水面以上，基本上無(wú)法通過(guò)重力自排。因此，在鷹頭上艙內(nèi)另設(shè)一處排水管線(xiàn)（管徑2”）;一臺(tái)潛水泵（5 m3/h）布置在艙底板靠首處，泵出口設(shè)有控制閥，排放口布置在艙底板中部;考慮到鷹頭會(huì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故設(shè)置兩個(gè)吸水口，一個(gè)在艙底首部，一個(gè)在艙底中部，分別由吸入管共同匯至泵進(jìn)口，方便當(dāng)鷹頭旋轉(zhuǎn)至下限位處時(shí)排干艙內(nèi)的水。

鷹頭上艙頂部設(shè)置透氣管線(xiàn)（管徑8”），并設(shè)有控制閥，可保持艙內(nèi)外大氣相通，使壓載、排載時(shí)正常進(jìn)行;由于處在密閉艙室內(nèi)且難以就地操作，進(jìn)水、排水、透氣管線(xiàn)上的控制閥門(mén)均采用液壓遙控方式，閥頭上安裝有執(zhí)行器，液壓動(dòng)力泵站、電磁閥箱及其控制系統(tǒng)布置在半潛船艙室內(nèi)。

早期的波浪能發(fā)電裝置鷹頭就是按上述壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)建造，從該裝置實(shí)際運(yùn)行的情況來(lái)看，出現(xiàn)了一些問(wèn)題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查及理論分析，主要存在以下缺陷：

（1）由于主排水管設(shè)置在浮艙內(nèi)，僅依靠重力排水始終無(wú)法排凈，且考慮到壓載操作時(shí)鷹頭可能擺動(dòng)在上下限位之間不同位置，故排水口并非總是處在最佳設(shè)計(jì)位置，實(shí)際排水效果可能會(huì)更差;

（2）對(duì)于潛水泵排水管線(xiàn)，在浮艙底板及前部各設(shè)置了一個(gè)吸口（遠(yuǎn)離主排水吸口），當(dāng)鷹頭擺動(dòng)到下限位附近時(shí)，壓載水位于鷹頭首部，此時(shí)通過(guò)潛水泵將壓載水抽出艙外;但由于兩條吸水管線(xiàn)共用潛水泵吸入口，且無(wú)閥門(mén)控制，因此對(duì)于泵的運(yùn)行有一定要求及限制：當(dāng)鷹頭擺動(dòng)到上限位附近或浮艙內(nèi)水位低于前部吸口時(shí)，若此時(shí)開(kāi)泵會(huì)直接吸入空氣，將引起泵空轉(zhuǎn)干燒損壞，故需嚴(yán)格控制潛水泵的使用工況;

（3）鷹頭作為波浪能裝置發(fā)電的動(dòng)力源，在正常發(fā)電工況下一直處于往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。浮艙內(nèi)的潛水泵，將保持與鷹頭同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這對(duì)泵的安裝質(zhì)量提出了較高的要求;且鷹頭位置突出于半潛平臺(tái)外，浮艙內(nèi)部空間狹隘，這對(duì)于泵的檢修維護(hù)并不容易。

3.2 鷹頭壓載系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)以上分析，對(duì)原鷹頭壓載系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖5）：取消原潛水泵排水管線(xiàn)，將原進(jìn)水管線(xiàn)布置在浮艙外，短管上管口與上艙底板平齊，下管口連接控制閥門(mén)，此管線(xiàn)同時(shí)作為排水用，透氣管線(xiàn)保持不變。

優(yōu)化后的壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）將排水管及控制閥設(shè)置在上艙底板以下，因閥門(mén)處在鷹頭下艙內(nèi)部受到保護(hù)，安全可行;將排水口布置在底板上盡量理想的位置，且管口與底板平齊，從而在排載操作時(shí)，能夠最大限度的通過(guò)重力排空上艙內(nèi)的壓載水;

按以上鷹頭壓載系統(tǒng)原始設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)建成的兩種波浪能發(fā)電裝置，依次投入實(shí)際海況運(yùn)行，裝置自身配備的數(shù)據(jù)測(cè)量、傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，收集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1看出：優(yōu)化設(shè)計(jì)后排載時(shí)間縮短27%，轉(zhuǎn)換效率提高8%。

（2）在對(duì)主排水管線(xiàn)優(yōu)化布置后，潛水泵的輔助排水功能得以弱化。經(jīng)綜合分析比較，取消潛水泵及其排水管線(xiàn)，既簡(jiǎn)化了配置，節(jié)約了成本，又使得潛水泵安裝、運(yùn)行、維護(hù)相關(guān)的一系列潛在問(wèn)題都不復(fù)存在;盡管鷹頭運(yùn)行在極限位置附近時(shí)上艙內(nèi)仍會(huì)有少量積水無(wú)法排盡，但通過(guò)水動(dòng)力分析及最優(yōu)負(fù)載研究，其影響可以忽略不計(jì);

（3）減少了壓載系統(tǒng)的建造及維護(hù)成本。減少材料如下：8臺(tái)潛水泵（5 m3/h），8個(gè)遙控蝶閥（2”）;100米碳鋼管（2”）及附件;600m 316L不銹鋼管（φ10）及附件;300m電纜等;降低成本如下：以上材料費(fèi)合計(jì)約36萬(wàn)元;人工費(fèi)合計(jì)約27萬(wàn)元;預(yù)估維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)約8萬(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

鷹頭波浪能發(fā)電裝置的壓載系統(tǒng)不同于常規(guī)船的壓載系統(tǒng)，由于鷹頭構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)的特殊性，在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮這些因素對(duì)鷹頭壓載、排載操作的影響。

本文介紹的鷹式波浪能發(fā)電裝置的壓載系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后經(jīng)實(shí)船運(yùn)行驗(yàn)證，可使建造、運(yùn)營(yíng)等綜合成本顯著降低，壓載操作工序簡(jiǎn)化，排載時(shí)間縮短，轉(zhuǎn)換效率提高，對(duì)后續(xù)該型裝置的定型、推廣具有重要的示范意義，為我國(guó)推進(jìn)海島建設(shè)、建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)提供強(qiáng)大技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]姚琦，王世明，胡海鵬. 波浪能發(fā)電裝置的發(fā)展與展望[J].海洋開(kāi)發(fā)與管理.2016（01）：87-89.

[2]胡聰，毛海英，尤再進(jìn). 中國(guó)海域波浪能資源分布及波浪能發(fā)電裝置適用性研究[J]. 海洋科學(xué).2018（03）：143-145.

[3] 盛松偉，張亞群，王坤林，葉寅，游亞戈. 鷹式波浪能發(fā)電裝置發(fā)電系統(tǒng)研究[J]. 可再生能源.2015（09）：1422-1423.