四浮子周向均布波浪能供电浮标的设计与试验

吴明东，盛松伟，张亚群，张芙铭

（1.中国科学院广州能源研究所，广东 广州 510640；2.中国科学院可再生能源重点实验室，广东 广州510640；3.南方海洋科学与工程广东省实验室（广州），广东 广州 511458；4.中国科学院大学，北京 100049）

0 引言

海洋观测浮标在全球经济开发、防灾减灾、科学研究、维护主权等方面起到了不可或缺的作用[1]。将波浪能转换为充足、稳定的电力，对解决海洋观测浮标长周期海上作业时需频繁更换电源的问题意义重大[2]。随着波浪能发电技术的快速发展，其技术成熟度越来越高，从而为促进波浪能供电浮标的发展奠定了理论和技术基础[3]。

利用海洋波浪能为海洋浮标供电的设想很早就己经被提出。早在19世纪，日本科学家就将中心管振荡水柱技术应用在了助航浮标上。梁贤光研制了一种为航标供电的振荡水柱式波浪能发电装置，并进行了实海况试验[4]。赵环宇对一种机械传动的波浪能供电浮标进行了数值模拟[5]。马全党设计了一种风能、潮流能、光能耦合供电的海洋浮标供电装置[6]。

本文综合振荡浮子波浪能发电技术和振荡水柱波浪能发电技术，研发了一种四浮子周向均布的、多维的、双俘获方式的波浪能供电浮标[7]～[12]；通过开展三维水池水动力学试验，对浮标结构进行了优化，并根据工作海域的海洋环境资源进行了样机的整体结构及能量转换系统设计，以期为实型样机的建造提供指导。

1 浮标设计

1.1 波浪能供电浮标的结构

本文研发的波浪能供电浮标由波浪能俘获系统、液压式能量转换系统和锚泊系统组成。图1波浪能供电浮标的示意图。该波浪能供电浮标能够在波浪周期为2～3 s，波高约为0.5 m的小浪海域工作[13]。

图1 波浪能供电浮标示意图Fig.1 Schematic diagram of wave energy buoy model

波浪能俘获系统可分为波浪能吸波浮子和主体结构两部分，他们的连接如图2所示。前者主要功能是俘获波浪能，后者的主要功能是辅助波浪能吸波浮子做功及搭载所有系统和仪器设备。为了能够吸收多个方向的波浪能，获得更高的俘获宽度比，该浮标的波浪能俘获系统同时采用振荡浮子（简称俘获方式A）和振荡水柱（OWC）（简称俘获方式B）两种俘获方式。振荡浮子式波浪能俘获系统主要由4个周向均布于主体结构外侧的鹰式吸波浮子组成，该浮子具有质量轻、惯性小、随波性好、正面入射波频响宽度大以及背面造波小的优点[7]。振荡水柱式波浪能俘获系统设置在主体结构中心管内，发电单元采用空气透平。液压式能量转换系统包含液压缸、蓄能系统、液压自治控制器等。每个吸波浮子上设置了液压缸。锚泊系统由锚链和沉块组成，系泊方式为悬链线式。电气控制系统将两种俘获方式获得的波浪能转换为电能后储存在蓄电池中，再供给浮标上的仪器设备使用。

图2 波浪能吸波浮子和主体结构的连接Fig.2 The connection between the wave absorbing buoy and the main structure

1.2 波浪能供电浮标的工作原理

俘获方式A：在波浪的作用下，吸波浮体往复运动推动液压缸挤压液压油，将波浪能转换为液压能并存储在蓄能系统中；当蓄能系统中的液压能不断上升时，液压自治控制系统自动释放高压液压油，将液压能转换为马达和发电机的动能，最终转换为电能。

俘获方式B：在波浪的作用下，主体结构中心管内气室内的水柱往复上下振荡，将波浪能转换为气体的动能；气体推动空气透平进行旋转运动，气体动能转换为空气透平的动能；透平带动发电机旋转，最终将透平的动能转换为电能。

2 模型试验及结果

2.1 模型试验参数

按照波浪能供电浮标的设计方案，模型最大直径为1.9 m，总高为2.3 m，各系统参数如下。

①波浪能俘获系统：4个方向均布4个吸波浮子，单个浮子的迎波宽度为1.2 m；主体结构的中心管内设置54.4 L的容积气室，最下端设置3层盘状结构（增加稳定性），其直径分别为1.2，1.2 ，2.0 m。

②液压式能量装换系统：每个吸波浮体上安装两个液压缸，采用举起重块的方式代替蓄能系统。

③锚泊系统：如图3所示，系泊链采用3条直径为5 mm锚链；主浪方向为两根锚链，两者之间呈60°，分布于模型两侧，模型背波面沿主浪传播方向为一根6 m长的锚链。

图3 锚泊系统分布图Fig.3 Mooring system distribution diagram

为测试波浪能供电浮标模型的水动力学性能及俘获宽度比，在国家海洋技术中心的三维造波水池开展浮标模型水池试验。该水池长130 m，宽18 m，试验段水深4.5 m，可造多种规则波和不规则波，最大造波波高为0.6 m，最大造波周期为5 s。

根据波浪能供电浮标工作海域的波况，设置模型试验的工况如表1，2所示。单组试验采集时间大于20个波浪周期且重复3次，采集数据取均值。其中，不规则波采用Jonswap谱。

表1 规则波试验工况Table 1 Regular wave test conditions

表2 不规则波试验工况Table 2 Irregular wave test conditions

2.2 试验结果

在规则波和不规则波波况下，规则波的入射功率Pw和不规则波的入射功率P′w的计算式分别为[14]

通过试验数据计算得到俘获方式A在不同波况下的俘获宽度比，结果如图4所示。

图4 规则波和不规则波下的俘获宽度比Fig.4 Oscillating floats capture width ratio under regular waves and irregular waves

从图4可以看出：

①在规则波的不同波况下，随着负载的逐渐增加，俘获方式A的俘获宽度比呈抛物线形式变化；在波况4，5下，俘获方式A获得了良好的水动力学响应，最高俘获宽度比在波况4中获得，为40%，此时负载为60 kg；在波况5中获得的最高俘获宽度比为34%，此时负载为50 kg；

②在波高不同、周期相同的规则波下（波况1，2），当负载小于70 kg时，俘获方式A在波高较小的波况下的俘获宽度比较大；当负载大于70 kg时，俘获方式A的俘获宽度比均小于10%，波高的变化对俘获宽度比几乎无影响；

③在周期不同、波高相同的规则波下（波况2，3，4），俘获方式A的最高俘获宽度比随着周期的增大而增大，最高俘获宽度比对应的负载也随之增大；当负载大于160 kg时，所有波况的俘获宽度比均小于10%；

④在不规则波作用下，随着负载的增加，俘获方式A的俘获宽度比大体呈抛物线形式变化；在不同波况下，俘获宽度比均出现了双峰的趋势，在波况7中获得的最高俘获宽度比为26%，此时负载为50 kg。

俘获方式A和俘获方式B在不同波况下的最大俘获宽度比如图5所示。从图5可以看出，俘获方式A的最佳俘获宽度比为20%～40%，俘获方式B的最佳俘获宽度比为2%～7%，且俘获方式B的最高俘获宽度比出现在波况2中。

图5 不同俘获方式下的俘获宽度比Fig.5 The ratio of capture width under different capture modes

3 样机设计

3.1 结构优化设计

通过对浮标模型的三维水池试验结果进行总结分析，对波浪能供电浮标的设计方案进行了以下几个方面的优化：①综合考虑模型试验中俘获宽度比最高时的波况（规则波：T=1.4 s，H=120 mm；不规则波：Tp=1.5 s，Hs=187 mm）以及波浪能供电浮标预期工作海域的海况（Tp=2～3 s，Hs=0.5 m），由重力相似准则，确定波浪能供电浮标的样机与模型的几何尺度比为3；②俘获方式B的俘获宽度比较低，且对浮标整体结构的安全性存在一定影响，因此，在样机设计中，建议将俘获方式B取消，改为设备舱；③试验过程中，模型主体结构下端的盘状结构的数量对于浮体整体的稳定性无影响，因此，在样机设计中，建议只设置单层盘装结构。

根据样机与模型的尺度比，结合以上优化方案对样机进行结构优化设计，结果如图6所示。

图6 波浪能供电浮标样机设计图Fig.6 Prototype design drawing of wave energy buoy

浮标样机的总高为10 m，直径为6.0 m，顶部设可安装用电设备的上层建筑，下端设单层底盘。浮标内设容积约为6 000 L的设备舱和容积约为2 800 L的电池仓。锚泊系统仍采用3条锚链，其中两根以来波方向为中线呈45°分布，第三根沿主浪向设置于装置后方，单根锚链的上部锚链长10 m。

3.2 能量转换系统设计

由于浮标内空间比较窄小，液压能量转换系统经集成优化后如图7所示。系统采用0-1模式精确控制发电流程。液压能量转换系统适合在多种波况下运行发电。小浪况下，系统将俘获波浪能输入蓄能器内集中输出，统一发电，保证了能量转换的高效性；中等浪况下，液压油经过蓄能器稳压后，控制器处于长期开启状态，发电机持续发电，稳定输出；大浪况下，超过系统装机容量的高压液压油经溢流阀自动溢流，释放多余能量以确保系统的运行安全。

图7 液压能量转换系统设计图Fig.7 Design drawing of hydraulic energy conversion system

4 结论

本文设计了一种新型四浮子周向均布波浪能供电浮标，并在三维水池内进行了模型试验，获得了模型的俘获宽度比，最后根据模型试验结果对波浪能供电浮标样机进行优化设计，得到以下结论。

①四浮子周向均布的设计方案的俘获宽度比较高，具有实际推广的价值。

②波浪能供电浮标的综合两种俘获方式的方案不可取，振荡浮子式俘获系统将来波吸收后，振荡水柱式俘获系统仅可俘获少量的波浪能。

③四浮子周向均布波浪能供电浮标在垂荡方向的运动幅度较小，稳定性高，利于搭载海洋仪器，为其提供平稳的基础平台。

④根据不同的海域海况，可设置不同的几何尺度比，设计不同尺寸的样机以满足不同的用电需求。