（机械制造及其自动化专业论文）振荡浮子式波浪发电装置研究.pdf

摘要 能源问题日趋严峻的现状，促使各国都在向着浩瀚的海洋进军，寻找新的替 代能源。作为海洋能重要组成的波浪能，也越来越受到人们重视，出现了各种各 样的利用波浪能的装置，振荡浮子式波浪发电装置就是近年来提出的一种新型波 能利用装置。 要想更好的利用振荡浮子式波能装置，必须了解它的性能。浮子在波浪中的 受力是首先面对问题。针对数值计算方法繁琐困难的特点，本论文运用弗汝德一 克雷洛夫假定法求波浪力的解析解，具有方便快捷的优点。并对四种形状的浮子， 包括长方体、球体、垂直圆柱体和水平圆柱体浮子，给出了波浪力的计算公式。 为了评价振荡浮子式波浪发电装置吸收波浪能的能力强弱，本论文在计算出 的波浪力的基础上，对四种形状的浮子，推导出了评价装置性能的俘获宽度比的 计算公式。 然后验证了本文中方法的可行性。并对不同形状的浮子的相应的参数，如长 度、宽度、半径、水深、吃水等对俘获宽度比和振幅的影响进行了研究，给出了 影响规律。并在此基础上比较了尺度相近的不同形状的浮子工作能力优劣。 最后，运用遗传算法针对长方体浮子进行了优化设计，可以获得更理想的俘 获宽度比、波浪力和成本。 通过本论文的工作，可以为实际设计振荡浮子式波浪发电装置提供有益的参 考。 关键词：波浪能，浮子，波浪力，俘获宽度比，遗传算法 a b s t r a ct t h eg r a d u a l l yr i g o r o u sp r e s e n tc o n d i t i o no ft h ee n e r g yp r o b l e m ，m a k e sm a n yc o u n t r i e st ol o o k f o rn e ws u b s t i t u t eo f e n e r g yt ot h ee x t e n s i v eo c e a n t h ew a v ee n e r g yb e i n gi m p o r t a n tc o n s t i t u eo f o c e a ne n e r g y ，i sm o r ea n dm o r er e g a r d e d ，a n da p p e a rv a r i o u sk i n d so fd e v i c e su s i n gw a v ee n e r g e o s c i l l a t i n gb u o yw a v ee n e r g yd e v i c ei san e ww a v ee n e r g yd e v i c e i fw ew a n tt om a k eb e t t e ro s c i l l a t i n gb u o yw a v ee n e r g yd e v i c e ，w em u s tu n d e r s t a n di t s p e r f o r m a n c e t h ef o r c eo fb u o yi nt h ew a v ei st h ef i r s tq u e s t i o n i na l l u s i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，w em a k et h es o l u t i o n so fw a v ef o r c eb yf r o u d e k r y l o vp r e s u p p o s i t i o n m e t h o di nt h ep a p e r , w h i c hi sv e r ys i m p l e a n dw eg e tt h ef o r m u l a so fw a v ef o r c eo ff o u rs h a p e b o u y s ，i n c l u d i n gc u b e ，v e r t i c a lc y l i n d e r , h o f i z o n m lc y l i n d e r ，s p h e r e b a s e do nt h ew a v ef o r c ec a l c u l a t i o n s ，w eg e tt h ef o r m u l a so fc a p t u r ew i d t hr a t i ow h i c ha r e u s e dt oa p p r a i s et h ed e v i c ep e r f o r m a n c et of o u rs h a p eb o u y s ，t h e nt h ea b i l i t yo fo s c i l l a t i n gb u o y w a v ee n e r g yd e v i c ea b s o r b i n gt h ew a v ee n e r g yi sc l e a r t h e nt h em e t h o do ft h i sp a p e rp r o v e se f f e c t i v e a n dt h i sp a p e rr e s e a r c hh o wt h ep a r a m e t e r s i n c l u d i n gl e n 酉h ，w i d t h ，r a d i u s ，d e p t ho ft h eo c e a n ，d e p t ho fs e ag a u g eo f d i f f e r e n ts h a p eb o u y s i n f l u e n c et h ec a p t u r ew i d t hr a t i oa n ds w i n g ，a n dg e tt h ei n f l u e n c ec u r v e b a s e do nt h er e s u l t s ，t h i s p a p e rc o m p a r e st h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n ts h a p eb u o y sw h i c hh a v ec l o s e rs c a l e f i n a l l y ，t h i sp a p e rm a k e st h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rc u b eb o u yw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m s ，a n d g e tt h eb i g g e rc a p t u r ew i d t hr a t i o ，w a v ef o r c ea n d c o s t t h i sp a p e rc o u l dp r o v i d eu s e f u lr e f e r e n c ef o ra c t u a ld e s i g no fo s c i l l a t i n gb u o yw a v ee n e r g y d e v i c e k e yw o r d s ：o c e a nw a v ee n e r g y ； b u o y ；o c e a nw a v ef o r c e ； c a p t u r ew i d t hr a t i o ； g e n e t i ca l g o r i t h m s 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：苏如j 上海大学硕士研究生学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来自于上海大学和上海科学院合作的项目，项目名称为“波浪能发电 的研究”，拟就波浪能用于发电的技术进行探索性的研究。本论文作为其中的一 部分，首先来做一些前瞻性的工作，为以后深入的研究和走向实用打下基础。 1 2 研究背景 人类社会和经济的加速发展，带来了一个全世界普遍面临的严峻问题，那就 是能源的需求高速增加和常规能源储量有限的巨大矛盾。能源问题越来越成为制 约发展的瓶颈问题，尤其是上世纪七十年代发生原油危机以来，人们更加认清能 源在社会和经济发展中的重要作用。预计作为全球主要能源的石油和天然气在 5 0 一7 0 年内会被人类消耗殆尽，煤炭资源由于无节制的开采浪费严重，亦消耗 甚巨。因此，寻找新的可再生的代替能源来缓解能源危机，已经成为全世界绝大 部分国家的共识。 对于中国这个全球人口最多的发展中国家，在改革开放以来获得经济高度增 长的同时，更应该意识到存在的能源开发和利用的无序性问题，坚决不能以牺牲 后代的利益为代价获得短视的虚荣经济繁荣。前国家主席江泽民说的好：“一个 能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会经济发展的需要，而又不危及后代 人前途的社会。走一条可持续发展的能源道路，节约能源，寻求清洁、可重复 利用的新能源可以说势在必行 1 】 2 】。 在寻找新能源的道路上，占据地球表面绝大部分的海洋逐渐被人们寄予厚 望。从数据来看，人类理当重新评估这片曾经孕育生命的广袤富饶的神秘之地： 地球表面积约为5 1 1 0 8k m 2 ，其中陆地表面积为1 4 9 1 0 8 o n 2 ，海洋面积3 6 l 1 0 8 o n 2 ，占7 1 ；以海平面计，全部陆地的平均海拔约为8 4 0 m ，而海洋的平 均深度却为3 8 0 m ，整个海水的容积多达1 3 7 1 0 9 o n 3 3 】。一望无际的汪洋大 海，不仅为人类提供航运、水产和丰富的矿藏，而且还蕴藏着巨大的能量。 海洋能指的是依附在海水中的可再生能源。海洋通过各种物理过程接收、储 存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于 海洋之中。潮汐与潮流能来源于月球、太阳引力，其他海洋能均来源于太阳辐射。 上海大学硕士研究生学位论文 太阳到达地球的能量，大部分落在海洋上空和海水中，部分转化为各种形式的海 洋能。海水温差能是热能，低纬度的海面水温较高，与深层冷水存在温度差，而 储存着温差热能，其能量与温差的大小和水量成正比；潮汐、潮流，海流、波浪 能都是机械能，潮汐能是地球旋转所产生的能量通过太阳和月亮的引力作用而传 递给海洋的，并由长周期波储存的能量，潮汐的能量与潮差大小和潮量成正比； 潮流、海流的能量与流速平方和通流量成正比；波浪能是一种在风的作用下产生 的，并以位能和动能的形式由短周期波储存的机械能，波浪的能量与波高的平方 和波动水域面积成正比；河口水域的海水盐度差能是化学能，入海径流的淡水与 海洋盐水间有盐度差，若隔以半透膜，淡水向海水一侧渗透可产生渗透压力，其 能量与压力差和渗透流量成正比 4 5 。 根据联合国教科文组织1 9 8 1 年出版物的估计数字，全世界理论上可再生的 海洋能总量为7 6 6 亿千瓦。其中温差能为4 0 0 亿千瓦，盐差能为3 0 0 亿千瓦，潮 汐和波浪能各为3 0 亿千瓦，海流能为6 亿千瓦。估计技术上允许利用功率为6 4 亿千瓦，约为目前全世界发电机容量的一倍。其中盐差能3 0 亿千瓦，温差能2 0 亿千瓦，波浪能1 0 亿千瓦，海流能3 亿千瓦，潮汐能1 亿千瓦 6 8 。可见其蕴 藏量和开发潜力是惊人的。 以波浪能为例，据国际能源组织( i e a ) 1 9 9 4 公布的报告预测：波浪能如果 充分开发，最终可提供目前全球电力需要的1 0 左右。即使和比较容易利用且 已有许多商业化产品的太阳能和风能相比，波浪能也有其特殊的优势，即不但能 源的分布广大，而且平均能密度远远大于太阳能和风能。太阳能的平均密度为 1 0 0 - - 2 0 0 w m 2 ，风能为4 0 0 - - 6 0 0 w m 2 ，而波浪能可以达到2 0 0 0 - - 4 0 0 0 w m 2 ，几乎 是太阳能的2 0 0 倍，风能的5 0 倍，其潜力是巨大的 9 。图1 1 1 0 为全球波浪 能密度分布图。 我国拥有漫长的海岸线，沿海的波浪能资源也是十分可观的。据估计大约有 1 5 亿千瓦，开发潜力与潮汐能相近，约有3 0 0 0 - - 3 5 0 0 万千瓦 7 ( 三峡水电 站装机容量1 8 2 0 万千瓦) 。因此，探讨波浪能的利用，尤其是作为主要利用方式 的波浪发电技术，具有非常重大的现实意义。 1 3 波浪发电历史及现状 1 3 1 波浪发电的发展历程 波浪能可以用于发电、抽水、供热、海水淡化以及制氢等等，其中波浪发电 上海大学硕士研究生学位论文 是波浪能利用的主要方式。波浪发电装置的种类繁多，各国先后提出过3 4 0 多种 不同设计方案的科学设想，相关的发明专利亦愈千项，出现了许多精妙而有趣的 装置，因此这个领域被称为“发明家的乐团”。不妨来简单回顾一下它的发展历 程。 ，0 胄l d 圈1 1 全球波浪能密度分布图 1 7 9 9 年法国的吉拉德父子获得了利用波浪能的首项专利。1 9 1 0 年，法国 的波契克斯一普莱西克建造了一套气动式波浪能发电装置供应他自己的住宅t k w 的电力。1 9 6 g 年开本的益田善雄发明了导航灯浮标用气轮机波浪能发电装置 获得推广成为首次商品化的波浪能发电装置。受1 9 7 3 年石油危机的刺激，从 2 0 世纪7 0 年代中期起，英国、日本、挪威等波浪能资源丰富的国家把波浪能 发电作为解决未来能源的重要一环大力研究开发。在英国，索尔特发明了点头 鸭装置，辩克里尔发明了波面筏装置，国家工程试验室发明了报荡水柱装置考 文垂理工学院艘明了海蚌装置。1 9 7 8 年，日本建造了一艘长8 0 m 、宽1 2 m ，高5 5 m 称为“海明号”的波浪能发电船。该船有2 2 个底部敞开的气室每两个气室可 装设一台额定功率为1 2 5 k w 的气轮机发电机组。1 9 7 8 - - 1 9 8 6 年同本，美国、 一3 上海大学硕士研究生学位论文 英国、加拿大、爱尔兰五国合作，先后三次在日本海由良海域对“海明号”进行 了波浪能发电史上最大规模的实海原型试验。但因发电成本高，未获商业实用。 1 9 8 5 年，英国、中国各自研制成功采用对称翼气轮机的新一代导航灯浮标用的 波浪能发电装置，挪威在卑尔根附近的奥伊加登岛建成了座装机容量为2 5 0 k w 的收缩斜坡聚焦波道式波浪能发电站和一座装机容量为5 0 0 k w 的振荡水柱气动 式波浪能发电站，标志着波浪能发电姑实用化的开始。 波浪能发电技术虽然已有许多年的历史，但其进程十分缓慢。由于技术上的 不成熟、海洋环境的恶劣、缺乏自信心等诸多原因，导致许多国家在1 9 8 9 年一 1 9 9 9 年间，投入很少的资金来研究波浪能发电装置。然而在近几年，情况有了 很大的改变。许多国家，特别是英国和挪威，国家和私有企业均投入了大量的资 金来研究和发展波浪能发电装置。英国已预计到2 0 1 0 年，1 0 的电力将由波浪 能来代替。欧共体也提出了到2 0 1 0 年，1 2 的电力由波浪能来替代。这几年内 产生如此之大的变化主要是全球气候的变化、石油天然气价格剧增、政府更加重 视可再生能源的研究等因素所致。 我国也在波浪能发电研究领域做了很多工作。中国科学院广州能源研究所于 1 9 8 9 年在位于南海的珠海市大万山岛建成一座岸式振荡水柱型示范波力电站。 装机容量3k w 。这是中国第一座试验波力电站。1 9 9 6 年2 月完成了2 0 k w 波力电 站的建造，展示了波浪能的实际应用能力 1 9 。2 0 0 1 年2 月在广东省汕尾市遮 浪镇最东部建成1 0 0k w 岸式振荡水柱波力电站，标志着波能装置在实用化道路 上迈出了坚实的一步。除此之外，由中国国家海洋局海洋技术研究所研制的坐落 于山东省即墨市大管岛的国家“九五”科技攻关项目一- - 3 0k w 摆式波力电站于 1 9 9 9 年6 月开始实海况试验。电站所发的电首先对蓄电池充电，然后再供给用 户使用。在入射波高为1 6i l l 时电站出力约为1 - - 3 0k w 。该电站按照抵抗2 0 年一遇台风的标准建造，目前运行状况良好。 1 3 2 典型的波浪发电装置 波浪发电装置虽然种类极为繁多，但其工作原理不外乎以下几种：利用物体 在波浪作用下的振荡和摇摆运动；利用波浪压力的变化：利用波浪的沿岸爬升将 波浪能转换成水的势能等。 经过上世纪7 0 年代对多种装置进行的实验室研究和8 0 年代进行的实海况试 验及应用示范研究，波浪发电技术己逐步接近实用化水平，研究的重点也集中于 上海大学硕士研究生学位论文 几种被认为是有商品化价值的典型装置，包括收缩波道式装置、振荡水柱式装置、 摆式装置和振荡浮子式装置等等。 下面就分别看一看它们的工作原理。 1 3 2 1 收缩波道式装置 收缩波道式波能装置是基于聚波理论的一种波能转换装置。聚波理论最早由 挪威特隆姆大学的f a l n e s 和b u d a l 提出。收缩波道式波能装置如图1 - 2 所示， 具有一个比海平面高的高位水库和一个渐收的波道( 收缩波道) 。聚波水库装置利 用喇叭型的收缩波道，波道与海连通的一面开口宽，然后逐渐收缩通至贮水库。 波浪在逐渐变窄的波道中，波高不断地被放大，直至波峰溢过边墙，将波浪能转 换成势能贮存在贮水库中。水库与外海间的水头落差可达3 8 m ，利用水轮发电 机组可以发电。前面提到，挪威波能公司在1 9 8 6 年建造了一座装机容量为3 5 0 k w 的聚波水库电站。该种电站的技术关键是它的开口约6 0 m 的喇叭形聚波器和长约 3 0 m 的逐渐变窄的楔形导槽。 收缩波道式装置的优点是吸收波浪能的能量转换装置没有活动部件，可靠性 好，维护费用低，系统出力稳定，几乎不受波高和周期的影响，效率较高。不足 之处是电站建造对地形有非常严格的要求，地势落差较大，很难推广。 收络渡道 图l 一2 收缩波道式波浪发电装置 1 3 2 2 振荡水柱式装置 振荡水柱式波能转换系统自提出以来，就受到各国波能界研究人员的重视， 上海大学硕士研究生学位论文 是目前世界上最流行的波能装置。气室内的水柱由于波浪的作用做上下往复运 动，水柱的作用如同一活塞，并导致水柱自由表面上部的空气柱产生振荡运动， 空气在气室上方的出气孔处流经过往复透平，从而将高速空气动能转换为电能。 振荡水柱式装置的关键在于气室的设计，外形尺寸、开口宽度、吃水深度很 有讲究。其中挪威提出的多共振振荡水柱模型令人振奋。其特点是在气室前面增 加了一个前港，利用港口效应，使得入射波与前港和气室内水柱产生共振起到聚 波作用，效率得到提高。挪威k v a e r n e r 公司于1 9 8 4 年在卑尔根市附近的岛上建 造了一座装机容量为5 0 0 k w 的波力电站，总投资约1 2 0 万美元。 振荡水柱式装置的最大优点就是：透平机组等相对脆弱的机械部分只与往复 流动的空气接触，不与波浪接触，因而比与波浪直接接触的直接式波能装置的抗 恶劣气候性能好，故障率低。但其缺点也很明显：一是建造费用昂贵，气室多为 钢筋混凝土结构，水下施工困难；二是转换效率低，在波浪能密度偏低的情况下 尤其如此，主要因为往复流中空气透平的效率较低，导致装置将波浪能转换为电 能的总效率约为1 0 3 0 。 i 机 图1 3 振荡水柱式波浪发电装置 1 3 2 3 摆式装置 摆式波能转换装置是利用摆板，在波浪的推动下，将其从波浪中吸收的能量 转换成机械能或势能，从而直接对外做功或转换为电能的装置。摆体的运动很适 合波浪大推力和低频的特性。相对于振荡水柱式波能装置来说，摆式装置的成本 应该略低些，但转换效率则不如振荡水柱式装置稳定，受摆板后去流段长度的影 上海大学硕士研究生学位论文 响较大。而且，在恶劣的海洋环境下，摆式波能装置的可靠性较差，且易损坏。 世界上许多国家对这种装置进行了研究，典型的如日本。日本室兰工业大学 于1 9 8 3 年在北海道室兰附近的内浦湾建造了一座装机容量为5k w 的推摆式波力 电站。装置简图如图1 4 所示。该电站通过一个能在水槽中前后摇摆的摆板从 波浪中吸取能量，然后通过一台单向作用的液压泵将能量转换出去，用来驱动发 电机发电。摆板的运行很适合波浪低频特性，它的阻尼主要来源于液压装置。该 试验电站的摆宽为2 m ，最大摆角为士3 0 度，波高1 5m ，周期4 秒时的正常输 出约为5 k w ，总效率约为4 0 ，是日本电站中效率较高的一座。但是不幸的是该 电站在建成不到两年的时间内，便在一次暴风雨中被毁。 赢压曩 - 一a 抛 沉籍 图1 4 摆式波浪发电装置 1 3 2 4 振荡浮子式装置 振荡浮子式装置是在振荡水柱式装置的基础上发展起来的波能发电装置。通 常的岸式装置是用一个放在港中的浮子作为波浪能的吸收载体，然后将浮子吸收 的能量通过一个放在岸上的机械或液压装置转换出去，用来驱动电机发电。 日本已研制并试验了两种型式的样机。这两种型式均是将机械部分装在终端 构件中，连接运动的浮子或浮片的连杆以巨大的压力通过泵吸作用使油流经一个 液压发动机，发动机再带动水轮机工作。 美国也研究了与日本类似的装置。此外美国还有机械式的装置，在浮子上连 接齿条，用齿轮、棘轮、链轮等保证放电机单向转动。如图1 5 和图l 一6 所示。 在图l 一5 中，浮子通过绳轮连接到转动式发电机上，绳索末端有一配重使 上海大学硕士研究生学位论文 绳索张紧。当浮体上升时，绳轮按顺时针方向转动，当浮体下落时，绳轮的方向 相反。可用棘轮装置保证发电机只按一个方向转动。 图1 5 棘轮一绳轮浮子式波浪发电装置 在图l 一6 中，垂荡圆形缸体与右边有齿的垂直轴连在一起，齿条与链条相 配，而链条连于发电机轴，从而将垂荡圆形缸体从波浪中吸收的能量转化为电能。 z 图1 6 齿条一链轮浮子式波浪发电装置 中国也提出了一种波浪能发电系统一一振荡浮子岸式波能转换装置，它采用 振荡浮子作为波浪能的吸收载体，然后将浮子吸收的能量通过一个机械或液压装 置转换出去，用来驱动电机发电。振荡浮子式波能装置由于省去了建造气室的昂 上海大学硕士研究生学位论文 贵开支，从而在同等装机容量下的成本低于振荡水柱式波能装置，其施工难度也 大大降低。 现在已经研制成功了一套实验装置，实验在中国科学院广州能源研究所的造 波水槽中进行的，实验装置和原理如图1 7 所示。水槽长4 0 m ，宽1 2 m ，水深 1 2 m ，一端装有计算机控制的变频电源伺服电机动的推板式造波机，可按给定函 数造出规则波，实验模型装在水槽中距造波机2 8 m 处。本实验在规则正弦波浪下 进行。波高由距造波机7 6 m 的1 # 水位传感器测得；2 # 水位传感器安装在浮子上， 用来测量浮子的运动位移；浮子输出的力由安装在绳索中间的拉力传感器测得。 各传感器将测得信号输入计算机中进行数据处理。 浮子采用厚5 哪的有机玻璃板制成。几何尺寸为o 3 m 0 4 m x0 4 m 。浮 子吃水深度0 2 5r n ，港长0 7m ，港宽0 4 1m ，港内水深o 4 m 。港放在造波机 的对面，浮子放在港的后端，港开口两旁及以卜部分均用板封死，使波浪无法通 过。实验时浮子在波浪的作用下做起伏运动。浮子从波浪中吸收的能量通过钢绳 传到手动试压泵的泵柄上，手动泵将泵水箱中的水压到高位水箱中。 图l 一7 振荡浮子式波浪发电装置实验原理图 振荡水柱式波浪发电装置由于效率不高，水下施工异常困难，限制了它的推 广应用。与振荡水柱式波浪发电装置相比，振荡浮子装置的优点是非常明显的， 不仅转换效率比较高，而且减少了水下施工，建造容易，成本低廉。正是基于这 些优点，使得振荡浮子式波浪发电装置有望成为真正实用化的波能发电装置。 上海大学硕士研究生学位论文 1 4 本论文研究的主要内容和意义 本文拟针对振荡浮子式波浪发电装置进行研究。主要章节内容如下： 第1 章绪论，介绍课题来源、历史背景，提出研究对象，即振荡浮子式波浪 发电装置。第2 章给出振荡浮子式波浪发电装置的组成及其工作原理，指出装置 的关键技术在于浮子的设计，为后面的研究指明方向。第3 章浮子波浪力的计算， 使用弗汝德一克雷洛夫假定法分析四种不同形状浮子的波浪力的计算方法，给出 计算公式。第4 章浮子俘获宽度比的计算，讨论了四种不同形状浮子的俘获宽度 比的计算方法，以此为依据可以判断浮子吸收波浪能能力的强弱。第5 章首先验 证了3 、4 章中的方法的可行性，然后讨论了浮子和水域的参数对浮子工作性能 的影响，给出了影响曲线。第6 章比较了不同形状的浮子，在尺度相近的情况下， 吸收波浪能能力的优劣。第7 章根据上一章分析比较的结果，利用遗传算法对长 方体浮子各有关参数进行了优化。第8 章对整个论文进行了总结并对下一步研究 工作提出设想和建议。 通过本论文的研究，可以为振荡浮子式波浪发电装置中浮子的设计提供参 考，即选择什么形状、多大尺寸的浮子可以使得它的工作效率更高，对实际设计 制造振荡浮子式波浪发电装置不失为有益的探索。 上海大学硕士研究生学位论文 第2 章振荡浮子式波浪发电装置组成、原理及关键技术 2 1 振荡浮子式波浪发电装置组成 2 1 1 波浪发电装置的一般组成 波浪发电装置大都可看作为一个包括三级能量转换的系统。 一般说来，一级能量转换机构直接与波浪相互作用，将波浪能转换成装置的 动能、或水的位能或中间介质( 如空气) 的动能与压能等；二级能量转换机构将 一级能量转换所得到的能量转换成旋转机械的动能，如水力透平、空气透平、液 压马达等；三级能量转换将旋转机械的动能通过发电机转换成电能。 比如振荡水柱装置中，气室是一级能量转换机构，海水在气室中的水柱上下 振荡，使得气室中的空气获得能量，传递给二级能量机构的空气透平，由空气透 平来带动三级能量机构发电机来发电。 2 1 2 振荡浮子式波浪发电装置的组成 振荡浮子式波浪发电装置和一般的波浪发电装置类似，也是一个包括三级能 量转换装置的系统。如图2 一l 所示，即为振荡浮子式波浪发电装置组成简图。 海底 图2 1 振荡浮子式波浪发电装置组成简图 可以看出，振荡浮子式波浪发电装置中，一级能量机构是浮子，泵系统和蓄 能系统可视为二级能量机构，和其他波浪发电装置一样，三级能量机构是发电机 系统。这就是振荡浮子式波浪装置的组成。下面就装置中各组成要素分别介绍如 下。 上海大学硕士研究生学位论文 2 1 2 1 浮子 在振荡浮子式波浪发电装置中，浮子直接与海水接触。大海中的波浪运动给 与浮子一定的作用力，使得浮子随着波浪作起伏运动。这样，浮子就从波浪中吸 收了能量，海水中的波浪能转换为浮子的动能。 2 1 2 2 泵系统 我们这里选择泵系统构成了振荡浮子式波浪发电装置的二级能量机构，当 然，也可以选择一些机械装置来充任，比如图1 5 和图1 6 所示的装置。 在广州能源研究所的实验装置中，如图1 7 所示，泵系统是由一些手动液 压泵来构成的。也就是说，浮子的运动带动手动液压泵的手柄上下运动，使得液 压泵中的水压到高位水箱里。这里的手动液压泵，可以看作是一个单缸的活塞式 液压泵，如图2 2 所示。 图2 - - 2 液压泵示意图 图中，l 、2 为单向阀，3 为缸体，4 为活塞杆，与浮子相连。 当活塞向上运动时，下部缸体内气压降低，使得单向阀2 压紧关闭，单向阀 1 开启，向缸体内吸取液体：当活塞向下运动时，缸体内气压增加，使得单向阀 1 压紧关闭，单向阀2 开启，缸体内的液体被压出。浮子与活塞杆相连，因此浮 1 2 上海大学硕士研究生学位论文 子的起伏运动将带动活塞杆运动，完成吸取液体和压出液体的过程。 2 1 2 3 蓄能系统 为了保证振荡浮子式波浪发电装置工作时的稳定性，便于给发电机提供持续 的和稳定的动力，一般要有一个蓄能系统来暂时存储泵系统输送过来的液压能 量。当然，如果二级能量转换机构由机械式装置充当，那么蓄能系统也应当是机 械式的，比如可以选用飞轮来存储二级能量转换机构传送过来的旋转机械能。 在广州能源研究所的实验装置中，高位水箱起着蓄能的作用。手动液压泵压 出的液体，全部输送到高位水箱里，能量由液体的势能形式得以存储，然后再释 放水箱中的液体输送到发电系统中发电。也可以由蓄能器来存储能量，泵系统输 送过来的液体先送到蓄能器中，以压力能的形式存储，然后由蓄能器作为能源释 放恒定的高压液体射流驱动发电系统发电。 蓄能器是按力平衡原理，使工作液体的体积发生变化，从而达到贮存和释放 液压能的一种装置。蓄能器基本上有四部分，如图2 3 所示。其中1 为壳体， 2 为隔层上的可压缩气体，3 为隔层，一般由橡胶材料制成，4 为隔层下部与系 统相连的工作液体。其工作可分为充液、排液两个阶段。 l l 1 ( c ) 图2 3 蓄能器工作原理图 图( a ) 为蓄能器排液后的状态，这时隔层上下工作的液体和气体处于平衡状 态。当泵系统输送过来液体，使得压力增高时，工作液的压力也随之增高，破坏 了原来的平衡状态，在力的作用下隔层向上移动，液体进入蓄能器，直至达到平 衡状态如图( b ) 所示，此阶段称为充液阶段。当泵系统压力小于蓄能器内的工作 液压力时，在气体的压力的作用下，隔层下移，工作液向发电系统排放，直至平 衡状态如图( c ) 所示，此阶段称排液阶段。如此反复充液、排液，便达到了储存 上海大学硕士研究生学位论文 和释放液压能的目的。 2 1 2 4 发电系统 发电系统可以只由发电机构成。比如在二级能量转换机构是机械式的发电装 置中，可以直接由旋转机构带动发电机发电，当然，一般来说，还需要一套变速 装置，以得到适合发电机工作的转速。 当二级能量转换机构是泵系统时，发电系统一般水轮发电机组组成。水轮发 电机组由水轮机和发电机组成。水轮机把水的动能或势能转换成旋转机械能，一 般和发电机同轴连接，驱动发电机运转发电。 比如在广州能源研究所的实验装置中，见图l 一7 所示，高位水箱存储的液 体势能，需要首先释放到水轮机，然后由水轮机带动发电机发电。这就类似于在 河流上建立的水电站，利用拦河坝蓄水得到水的势能，然后开坝放水进入水力发 电机组发电。如图2 4 所示，即为水电站的运转形式。从图中可以看出，水轮 机和发电机的安装方式是同轴的。如果采用蓄能器蓄能，蓄能器中的高压液体同 样首先应该连接水轮机，推动水轮机旋转，以进一步驱动发电机发电。 目前，由于水电站在全国各地普遍建设，水力发电技术日趋成熟，水轮发电 机组的效率高达9 0 以上，一般国产水轮发电机组效率在9 5 左右。 图2 4 水电站运转示意图 2 2 振荡浮子式波浪发电装置工作原理 由上所述，可得振荡浮子式波浪发电装置的组成，如图2 5 所示。图中，1 为单缸活塞泵，2 、3 为单向阀，4 为蓄能器，5 为截止阀。 1 4 上海大学硕士研究生学位论文 装置的工作过程是这样的：浮子由于波浪的作用上下起伏，带动泵中活塞上 图2 5 振荡浮子式波浪发电装置工作原理示意图 下运动。当浮子下降时，单向阀3 关闭，单向阀2 打开，单缸活塞泵吸取液体； 当浮子下降时，单向阀2 关闭，单向阀3 打开，高压液体被压入蓄能器中。当蓄 能器中的压力达到工作压力，释放蓄能器中的液体进入液压马达，进而驱动发电 机组发电。周而复始，浮子的不断运动，使得发电过程得以持续。截止阀为了能 够使得工作过程停下来，进行设备修理维护。这就是振荡浮子式发电装置的工作 原理。 2 3 振荡浮子式波浪发电装置的关键技术 在使用振荡浮子式波浪发电装置时，最终的结果当然是为了尽可能多的获取 电能，也就是使得装置的效率尽可能的高。分析装置的组成可以知道，泵系统、 蓄能系统、发电系统中的部件参数一旦选定，它们的效率对于整个装置的贡献基 本上是稳定的了。比如发电系统如果选择水轮发电机的话，通常来说发电系统的 上海大学硕士研究生学位论文 效率维持在9 0 以上，最后的效率计算只需要计入该效率就可以了。泵、马达、 蓄能器、发电机都是我们常用的部件，对它们的了解比较深入，具有丰富的使用 经验，处理起来比较轻车熟路。 对于整个振荡浮子式波浪发电装置来说，很显然作为一级能量转换装置的浮 子，从波浪中吸收能量的多少、效率的大小，将对装置产生至关重要的影响。因 为无论是泵系统还是发电系统所需要的正常运转的动力和能量，都来自于浮子。 浮子可以说是装置的能量源泉，浮子吸收波浪能的效率问题必然是振荡浮子式波 浪装置的关键。什么因素会对浮子吸收波浪能的能力造成影响呢? 这正是我们要 探讨的问题，即：不同的浮子参数对其吸收波浪能能力有何具体的影响。 浮子的参数包括浮子的形状和对应于不同形状的尺寸，因此分析不同形状和 尺寸的浮子吸收波浪能的效率的大小，比较其优劣，可以视为整个装置的最关键 的技术、研究的中心所在。下面几章就来研究这个问题。 2 4 本章小结 本章介绍了波浪能发电装置的组成，并具体分析了振荡浮子式波浪发电装置 的组成和工作原理，申明了由形状和尺寸确定的浮子，它们的吸收波浪能能力的 大小在整个装置中的关键性地位，为后面的研究指明了方向。 上海大学硕士研究生学位论文 第3 章浮子波浪力的计算及力与浮子形状的关系 3 1 引言 对于波能装置的受力计算，前人已经做过许多工作，产生了多种方法，包括 特征函数展开法、格林函数法、切片理论法、压力积分法以及能量动量守恒法等。 比如，文献 3 4 】用特征函数展开法对岸式装置作二维水动力分析，文献 3 6 ，4 0 1 用 特征函数展开法和格林函数法联解离岸装置或岸式装置的三维计算问题等。这些 文献绝大部分是针对振荡水柱式波浪发电装置的计算，原因在于振荡水柱式装置 发展较早，在西方波能密度较大的国家尤其如此。 在振荡浮子波能装置中，浮子在波浪中的运动近似于船舶在波浪中的运动， 所以主要的计算理论采用船在波浪中的运动理论，其中求得浮子所受到的波浪力 的大小是进一步分析的基础。由于振荡浮子式波浪发电装置和振荡水柱式波浪发 电装置之间的相似性，即振荡水柱式装置中的水柱振荡与振荡浮子式装置的浮子 振荡是类似的，因此前面提到的格林函数法等方法同样适用于浮子式波浪发电装 置，可以用来计算浮子在波浪中的受力。但是采用上段提到的方法来计算浮子所 受波浪力时，由于格林函数的表达式非常复杂，还要在浮子表面作积分运算，用 解析的方法难以完成，通常要将浮子表面分成非常小的块，以很多小平面相互连 接近似代替浮子表面，进行多次积分迭加得到最终的结果，因此这种数值计算方 法是非常复杂的，计算工作量相当的大，在实际中运用起来很不方便。 本论文利用弗汝德一克雷洛夫假定法计算大尺度潜体上的波浪力的思想理 论来计算作用在漂浮体上的波浪力。这种方法曾经被用于计算船舶在波浪中的受 力，可以认为浮子在波浪中的受力和船舶是近似的。相比于上述数值算法，这种 解析式的计算方法较为简单，从下面的分析和后面的验证中可以看出，把这种方 法引入到浮子波浪力的计算，可以得到一定精度的计算结果。 为了计算波浪力，首先要对浮子附近的水域进行描述。但是实际水域的情况 非常复杂，非线性程度非常高，现有的理论尚不能有效的描述和计算，因此必须 对复杂的水域条件进行简化，引入一些基本假设以方便计算，具体如下： a 流体是不可压缩的，无粘性的，运动是无旋的； b 考虑微小振幅波浪，即波长远大于波高： c 入射波是规则谐波； 上海大学硕士研究生学位论文 d 只考虑浮子在z 方向，即垂直海平面方向上的运动； e 考虑离岸式振荡浮子，海平面是无限大的，海底是均匀等深的； 3 2 弗汝德一克雷洛夫假定法 所谓弗汝德一克雷洛夫( f r o u d e - k r y l o v ，简称f k ) 假定法，就是假定入射 波动场原来的波压强分布不因浮体的存在而改变。先计算出未受扰动的入射波压 强对浮体的作用力( 称f k 力) ，再乘以反映附加质量效应的绕射系数c 进行修正 ( 绕射系数需要通过模型试验给予确定) 4 4 。 采用f k 假定法，作用在浮子上的波浪力表示为： = c f x ( 3 一1 ) 式中的足可以用疋= p 巧( 掣) 表示。其中( 掣) 是指当浮体不存在时，在排 a ta t 水体积v o 内未扰动水体的平均全加速度。因为排水体积内各未扰动入射波水 质点的加速度是不同的，所以一般是直接通过在浮子表面上任一点的未扰动入射 波波压强在整个浮子表面上的积分而得到。所以作用在整个浮子上的水平波力和 垂直分力可分别表示为： 乃= q j j 以豳 ( 3 2 ) e = g 见d s ( 3 3 ) s 式中的p x 为浮子表面任一点上未扰动入射波的波压强在水平面x 轴方向的 分量；p ：为浮子表面任一点未扰动入射波的波压强在垂直方向上的分量；d s 为 浮子基元表面积；s 为浮子浸没在海水中的总表面积；q 为水平绕射系数；o 为 垂直绕射系数。 在不可压缩、无粘性、无旋的理想流体中，可以用拉格朗日积分方程来确定 流场中的压力分布。拉格朗日方程的形式为： 警+ 导+ 号+ g z o 由于假设波浪是小振幅的，对于微幅波，流体质点速度的平方为二阶小量， 可以忽略。所以上述公式变为： 上海大学硕士研究生学位论文 挈+ 旦+ g z ：0 ( 3 4 ) o t p 其中矽为流场中的速度势。流体的速度与速度势之间有关系： 1 ，= v c p 即速度可表示为速度势的梯度，v 为哈密顿算子。 这里必须注意，速度势是在对流体进行简化的情形下才存在的，即是对于均 匀不可压缩的无旋且忽略粘性的理想流体来说的。 从式( 3 4 ) 可以看出，只要知道流场中的速度势分布，代入拉格朗日积分 方程就可以求出流场中的压力分布，从而求出波浪力来。 由于假设入射波是规则谐波，为了计算的方便，可以将时间因素e x p ( 一i t ) 提出来，使问题变为频域分析问题。即： 缈( x ，y ，z ，t ) = r e c p ( x ，y ，z ) e x p ( 一i c o t ) ) 根据k - f 假设法，这里的速度势只考虑入射波速度势，线性势流理论中的绕 射势由绕射系数来修正。 设入射波方向与x 轴方向平行，由斯托克斯的推导知 4 6 ，线性入射波的入 射势可以表示为： ：一塑c o s h k ( z + h ) e x p ( 溉) 2 c o c o s h ( k h l 、7 假设浮子作简谐运动，则浮子上所有相关的物理量如位置( 及其坐标) 、速度、 压力等均可表示为其平均值加简谐变化值。 如浮子湿表面上任一点的垂向坐标可表示为： z ( t ) = z o + 缸1 耐 压力：p ( f ) = p o + p e 一耐 其中昂为z o 处的静压。 速度势：矽= e 一泐 注意此时各物理量已经拓展为复数。 将各量带入拉格朗日积分方程可得： - i a 曲e 吨t + p o p + p e 。蛐i p + g z o + g f 协= 0 由静压关系知： p o i p + g z o = 0 上海大学硕士研究生学位论文 代入可得： p = i p 国一p g 毛 所以波浪引起的压力p 的表示式为： p = i p o 神e x p ( 一i c o t ) ：p g he o s h k ( z + h ) c o s ( 缸一国f ) + f s i n ( k x 一缈f ) 】 2 e o s h ( k h ) 。 将上式右边取实部即为物理压力： p ：p g h c o s h k ( z + h ) c o s ( k r 一缈n ( 3 5 ) 2 c o s h ( k h ) 所涉及的物理量意义分别为： p 一一任一点的波压强( n m 3 ) p 一一海水质量密度( 1 0 2 5 1 0 3 姆m 3 ) g 一一重力加速度( 9 8 m s 2 ) h 一一波高( m ) h 一一海水深度( m ) k 一一波数，满足七：孥 以 旯一一波长( m ) z 一一浮体的起伏位移( m ) c o s h 0 一一双曲余弦 ( ) 一一波浪圆频率( r a d 。1 ) i 一一虚数单位，f 2 = 一1 利用弗汝德一克雷洛夫假定法计算大尺度潜体上的波浪力的思想理论，将上 式代入式( 3 2 ) 和式( 3 3 ) 进行面积分，再选定一适度的绕射系数c ，便可 得到作用在浮体上的波浪力。 下面分别对几种不同形状浮子，例如长方体、垂直圆柱体、水平圆柱体、球 体上的波浪力进行计算。由于振荡浮子式波浪发电装置是一种新兴的波浪能转换 装置，浮子形状对波浪力的影响状况尚不明了，在一项科学研究的初期，从规则 的简单的形状入手，是符合科学研究规律的。从中得到的结果，一方面可以明晰 弗汝德一克雷洛夫对于不同形状浮子的波浪力的计算过程，另一方面，也可以为 复合形状和更复杂形状的浮子计算提供参考。 2 0 上海大学硕士研究生学位论文 由于大部分振荡浮子式波浪发电装置中浮子的有效运动为垂直运动，且其他 方向的运动的计算方法和垂直方向完全相同，因此在此只进行垂直波浪力的计 算。 3 3 不同形状浮子的波浪力的计算 3 3 1 长方体浮子的波浪力 设有一尺度为l 1 ，l 2 ，和l 3 长方浮子( l 1 为浮子沿波浪传播方向的长度，l 2 为浮子的宽度，l 3 为浮体的高度) 漂浮在水深为h 的海面上，其吃水深度为d 。 如图3 2 所示。波高为h 、波长为五的入射波沿着x 方向传播，其波峰线与x 轴正交，若在以波速运动的坐标系中观察，波形应该是不变的。浮子几何中心轴 图3 2 长方体浮子示意图 线与海面的交点为直角坐标系统的原点，x 轴沿波浪传播方向为正，z 轴向上为 正。 此时作用在长方体