[科普中国]-浮力摆式波浪能发电装置

浮力摆式波浪能发电装置构成

海洋波浪能发电装置大部分有3~4级能量转换过程，如图所示。在具有三级能量转换部分的装置中，一级能量转换装置与波浪直接接触，捕获波浪能并转换成为装置的机械能，或泵送海水将水位升高转换为水的势能；一级能量转换所得到的能量在二级能量转换装置中通过水力透平、空气透平或液压马达等转换为旋转的动能；最后，旋转动能在三级能量转换装置中通过发电机转换成电能，系统最终完成波浪能转换为电能的发电过程。在四级能量转换过程中，和上述三级系统相比，在二级与三级能量转换过程中增加了一级能量转换过程，始端和末端的能量转换过程基本相同，而中间能量转换过程中，一级能量转换所得到的能量在二级能量转换时，通过液压或气压系统转换为液压能或气压能；二级能量转换装置中所获得的液压能或气压能，在三级能量转换装置中通过液压/气压马达被转换为旋转动能。具有四级能量转换部分的波浪能发电装置的主要优点是，增加了中间环节的液压或气压能的过渡过程。利用液压或气压系统良好的可控性和平稳性。1

如图可以看出，在一级能量转换装置中，海洋波浪力直接作用在浮力摆上，将波浪能转换为摆的机械能。在二级能量转换装置中，液压/气压系统将浮力摆捕获的能量转换成为液压/气压能。液压/气压马达是液压/气压系统的一部分，作为其与发电机系统的衔接部分，是三级能量转换部分，将液压/气压能转换为旋转机械能。在四级能量转换系统中，发电机系统将旋转机械能转换成为电能，从而系统完成整个发电过程。从总体结构来看，浮力摆式波浪能发电装置主要由机械部分与电气部分组成。1

浮力摆式波浪能发电关键技术波浪力计算波浪是取之不尽、用之不竭的可再生能源。由于波浪力具有随机性，利用波浪时很难从理论上取得波浪对于浮力摆的力作用形式及其随时间变化的规律，这就给浮力摆式波浪能发电装置的设计带来了困难。无论是浮力摆翼型的设计，还是液压系统中各液压元件的选型，以及发电机的选型，都与波浪力的作用形式有着密切的关系，所以波浪力的计算与仿真在浮力摆式波浪能发电装置的设计是一个至关重要的问题。除此之外，如果可以解决波浪力作用在浮力摆上的作用形式，就可以在实验室完成对于浮力摆式发电装置真实海况下发电的模拟，从而减少发电装置在实地实验时出现意外情况的概率，在实验室进行部分深海实验的模拟以及装置的改进，增加海试实验的成功率。

海水波浪起制约作用的物理因素是重力，黏性力一般可略而不计，因此波浪力分析时多采用理想流体的势流理论。即便如此，确定波浪作用在浮力摆上的力也是一项很复杂的工作。即使对于长方体薄板，计算其波浪力的作用也十分复杂，那么对于具有复杂翼型的浮力摆就更难得到波浪力的数值。而且，浮力摆在波浪力的作用下作往复运动的同时，周围的流场也会随着变化，从而导致波浪力也会发生变化。所以，浮力摆与波浪之间是一个相互耦合的作用问题。 1

功率稳定性由于波浪本身的随机波动性，不可避免地造成了波浪能发电装置输出功率的不稳定，所以这自然成为浮力摆式波浪能发电装置设计过程中的关键问题之一。解决功率稳定性的问题实际上就是要稳定系统中的能量波动，现在的浮力摆式装置中通常采用飞轮和蓄能器这两种元件作为储能元件来减缓系统中的能量波动。当波速大时，液压马间通过飞轮连接。当波速大时，液压马达转速高，飞轮储存能量；反之，当波速小时，液压马达转速低，飞轮释放能量。这样，缓和了系统中的能量波动，稳定发电机转速。

但由于飞轮本身会消耗一定的能量，而且飞轮的安装和维修均不方便，所以现有的波浪能发电装置中的液压系统很少使用飞轮作为储能元件。相较于飞轮，蓄能器具有安装方便、使用寿命长、噪声小、作为补给装置、保持系统安全压力、波动小等诸多优点，蓄能器在波浪能发电液压系统中广泛应用。浪速大时，液压系统油压增大，此时蓄能器储能；浪速小时，液压系统中的油压随之降低，蓄能器释放储存的能量。在这样一个周期限性的过程中，系统中的压力和流量得到稳定，从而稳定了系统的输出功率。常规液压系统蓄能器蓄能稳压基本都针对某一确定范围的工作压力而设定，而波浪能发电装置液压系统的压力在零到极限压力之间波动，因此蓄能器的设计及计算并不能照搬常规方法。1

应用实例中国国家海洋技术中心浮力摆式波浪能发电装置

中国国家海洋技术中心于2012年研发100kW浮力摆式波浪能发电装置，目前该电站在山东省即墨市大管岛进行海试运行。波浪能发电系统采用离岸浮力摆形式，由摆板、液压传动系统和电控系统三部分组成。摆板的摆轴位于摆板底部，摆板在波浪的作用下偏离平衡位置，此时摆板在浮力作用下向平衡位置恢复，同时摆板还受到重力和水的阻力作用，从而使摆板绕摆轴前后摆动。2