“Petrel”海燕浮力擺式波浪能發(fā)電裝置外觀設(shè)計(jì)

李思揚(yáng)　馬彧

摘 要：本文通過了解以英國“Oyster”（牡蠣）浮力擺式波浪能發(fā)電裝置為主的幾款擺式波浪能發(fā)電裝置，在其原理基礎(chǔ)上對(duì)它的一級(jí)能量收集裝置即擺板進(jìn)行再設(shè)計(jì)，旨在通過對(duì)擺板的外觀設(shè)計(jì)來達(dá)到提高其波浪能收集率，進(jìn)而增加發(fā)電量的目的。懷揣如此的目標(biāo)，“Petrel”（海燕）浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)構(gòu)想應(yīng)運(yùn)而生。

關(guān)鍵詞：擺式波浪能發(fā)電裝置；一級(jí)能量收集裝置；外觀設(shè)計(jì)；波浪能收

擺式波浪能發(fā)電裝置屬于波浪能發(fā)電裝置的一種，是利用設(shè)置在海中的擺板收集波浪能并將其轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)。波浪能是所有可利用海洋能中利用前景較高的能量之一，世界波浪能資源十分豐富，例如在歐洲地區(qū)，年平均波浪功率達(dá)20～40kW/m，中國沿海的年平均波浪功率密度為2～7kW/m。[1]日本學(xué)者渡部富治最早提出并根據(jù)波浪工況設(shè)計(jì)水槽人造立波，并在1983年建造出了世界上第一臺(tái)懸掛擺式波浪能發(fā)電裝置。而后隨著研究步伐的前進(jìn)，世界各地都紛紛設(shè)計(jì)并建造了各式各樣的擺式波浪能發(fā)電設(shè)備，如英國Oyster浮力擺式波浪能發(fā)電裝置、芬蘭WaveRoller近岸海底波浪發(fā)電裝置、澳大利亞BioWAVE波浪發(fā)電裝置、挪威Langlee漂浮雙擺板擺式波浪發(fā)電裝置等。①

然而，浮力擺式波浪能發(fā)電裝置仍然有著很大的開發(fā)空間，如何進(jìn)一步提高波浪能收集效率，如何增加發(fā)電量以及一些亟待解決的問題，始終是研究人員研發(fā)的首要課題。

1 基于浮力擺式波浪能發(fā)電裝置原理上的外觀設(shè)計(jì)

1.1 一級(jí)能量收集裝置的外觀設(shè)計(jì)

一級(jí)能量收集裝置是整個(gè)浮擺式波浪能發(fā)電裝置最重要的部分之一，一級(jí)能量收集裝置即擺板的作用是收集波浪的動(dòng)能，并將此動(dòng)能通過液壓裝置和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。作為整個(gè)發(fā)電設(shè)備初始能量的收集裝置，擺板的造型和外觀會(huì)直接影響到一級(jí)能量的吸收量從而影響整個(gè)發(fā)電裝置的電能輸出量。因此，對(duì)于一級(jí)能量收集裝置即擺板的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

幾種浮擺式波浪能發(fā)電裝置一級(jí)能量收集裝置的外觀：

以英國貝爾法斯特女王大學(xué)的Trevor Whittaker教授研發(fā)并由Aquamarine Power公司進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的“Oyster”（牡蠣）浮力擺式波浪能發(fā)電裝置為例。它的一級(jí)能量收集裝置由5個(gè)直徑為1.8m的鋼管組成，其排列方式是5根鋼管垂直排列。（如圖1）“牡蠣”浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的工作原理是由液壓缸和固定在近岸海床底的振蕩浮力擺組成。波浪使浮力擺動(dòng)并驅(qū)動(dòng)液壓缸，將海底管道的高壓水輸送上岸，在海岸上通過該高壓水驅(qū)動(dòng)水力發(fā)電機(jī)發(fā)電以供用戶或連接到淡水裝置進(jìn)行海水淡化。①（如圖2）

在基于同樣的發(fā)電原理下，類似外觀的浮擺式波浪能發(fā)電裝置還有Oyster 2型浮力擺式波浪能發(fā)電裝置（如圖3），相較1型設(shè)備，2型設(shè)備增加了葉片面積，雖然建造材料比原來多了近50%，但是其發(fā)電效率則是提高了2.5倍，從1型設(shè)備315KW/h增加到800KW/h。①

1.2 一級(jí)能量收集裝置外觀設(shè)計(jì)目的

作為浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的初始能源收集裝置，一級(jí)能源收集裝置即浮力擺板的能量收集量越大、收集率越高，也就意味著在后續(xù)的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)也就是發(fā)電環(huán)節(jié)中發(fā)電量的增加，這也正是對(duì)浮力擺式波浪能發(fā)電裝置不斷設(shè)計(jì)革新的宗旨所在。發(fā)電裝置發(fā)電量的影響因素有很多，諸如波長、浪高、流速等自然因素和擺板材料、規(guī)格、形狀等人為因素。由于海洋自然環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，因此本文對(duì)于浮力擺式波浪能發(fā)電設(shè)備的一級(jí)能量吸收裝置的外觀設(shè)計(jì)是在英國Oyster浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的發(fā)電原理上進(jìn)行的，針對(duì)擺板的外觀進(jìn)行了設(shè)計(jì)，旨在提高擺板的波浪能吸收效率，從而增加發(fā)電量。

2 基于英國Oyster浮力擺式波浪能發(fā)電裝置原理的新外觀設(shè)計(jì)

2.1 Petrel（海燕）浮力擺式波浪能發(fā)電裝置外觀設(shè)計(jì)

Petrel浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)是建立在Oyster浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的，對(duì)其一級(jí)能量收集裝置進(jìn)行了新設(shè)計(jì)并增加了額外的輔助發(fā)電功能（如圖4、圖5）。Petrel浮力擺式波浪能發(fā)電裝置擺高16m，擺寬15m，安裝水深為10～13m。同Oyster浮力擺式波浪能發(fā)電裝置一樣安置在近岸海床，距海岸大約500m。

2.2 Petrel浮力擺式波浪能發(fā)電裝置擺板設(shè)計(jì)

Petrel浮力擺式波浪能發(fā)電裝置與Oyster浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的主要區(qū)別在于擺板的設(shè)計(jì)，Petrel的擺板設(shè)計(jì)造型靈感來自于鳥類海燕的翅膀形狀（如圖6、圖7），不同于Oyster的5根鋼管垂直排列的擺板造型。這樣的設(shè)計(jì)是在擺板的向波面增加了一個(gè)折線結(jié)構(gòu)，首先增加了擺板與波浪的接觸面積，使得擺板一次接觸更大的波浪，從而收集更多的波浪能；其次從側(cè)面可以看出擺板上端較下端更為寬大，由于擺板的中空設(shè)計(jì)，上端加大可以增加擺板上端的浮力。得以輔助擺板隨波浪的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

2.3 Petrel浮力擺式波浪能發(fā)電裝置輔助發(fā)電功能

由于太陽輻射的全球分布不均而造成的氣流運(yùn)動(dòng)便是風(fēng)，而當(dāng)風(fēng)吹過海面引起的表層海水運(yùn)動(dòng)便是波浪，浮力擺式波浪能發(fā)電裝置正是利用波浪所攜帶的能量來進(jìn)行轉(zhuǎn)換發(fā)電。但是，看似平靜的海底也有著海水運(yùn)動(dòng)即“海底波浪現(xiàn)象”。芬蘭WaveRoller波浪發(fā)電裝置正是利用這一海底水流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行發(fā)電的設(shè)備。（如圖8）

Petrel參考芬蘭WaveRoller波浪發(fā)電裝置，在主擺板下方設(shè)置有兩塊小擺板，擺寬3m，擺高2m。利用近海海底水流運(yùn)動(dòng)發(fā)電。Petrel主擺板下端傾斜并從中間開口，這個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的是將流向主擺板并由主擺板吸收的波浪的部分導(dǎo)向下端開口，在海流的作用下從開口流經(jīng)，可以增加海底海流流量，用以彌補(bǔ)近海海底水流所帶有的能量較少的問題。小擺板便設(shè)置在開口處，收集并轉(zhuǎn)化海底海流的能量來輔助發(fā)電。（如圖9）

3 Petrel浮力擺式波浪能發(fā)電裝置實(shí)用性預(yù)測

Petrel浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的一級(jí)能量收集裝置由折線造型的主擺板和兩塊輔助小擺板構(gòu)成，充分利用表層與底層的海水運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行一級(jí)能量收集。另外，Petrel浮力擺式波浪能發(fā)電裝置整體繼承英國Oyster浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的優(yōu)點(diǎn)即工作原理不復(fù)雜、結(jié)構(gòu)簡單、安置于近岸海床海水環(huán)境較遠(yuǎn)海更為穩(wěn)定、方便修理維護(hù)以及充分利用近岸波浪能資源。經(jīng)過主擺板外觀的設(shè)計(jì)和輔助擺板的加設(shè)，在理想狀態(tài)下可以增加一級(jí)能量即波浪能的收集，從而提高發(fā)電量。

但目前Petrel浮力擺式波浪能發(fā)電裝置還停留在設(shè)計(jì)構(gòu)想階段，具體的使用情景模擬與實(shí)地海測還需后續(xù)實(shí)驗(yàn)完成，屆時(shí)便能夠就該設(shè)計(jì)是否能夠有效提高浮力擺式波浪能發(fā)電裝置發(fā)電量的問題給出詳細(xì)解答。

注釋：①摘自《流體傳動(dòng)與控制》。

參考文獻(xiàn)：

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[3] Ellie Zolfagharifard.Aquamarine Power unveils more powerful wave energy device[EB/OL]. http：//www.theengineer.co.uk，2010-05-26.

[4] [EB/OL]http：//www.aquamarinepower.com.

[5] [EB/OL]http：//www.biopowersystems.com/biowave.html.

[6] 李永國，汪振，王世明，呂超.國外波浪能開發(fā)利用技術(shù)進(jìn)展[J].工程研究——跨學(xué)科視野中的工程，2014，6（4）：380-381.

[7] 程友良，黨岳，吳英杰.波力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2009（12）.