波浪能發(fā)電系統(tǒng)浮板的優(yōu)化設(shè)計

1、 波浪能發(fā)電系統(tǒng)浮板的優(yōu)化設(shè)計向健平，凌永志，沈 堯（長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，長沙 410114）摘 要：針對波浪能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計中浮板能量轉(zhuǎn)換效率低的問題，基于海南省某地現(xiàn)有波浪能發(fā)電實驗站的波浪能采集裝置，采用Fluent軟件進(jìn)行建模仿真的方法對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提出一種優(yōu)化擺式浮板的設(shè)計方案。比較原浮板和優(yōu)化浮板在吸收波浪水平方向動能的能力、能量損耗、浮板積水問題等方面的差異，結(jié)果表明這種優(yōu)化的擺式浮板能成功實現(xiàn)浮板在收集波浪水平動能能力上的提升，并且解決浮板積水問題，減小能量損耗，從而提高浮板能量轉(zhuǎn)換效率。關(guān)鍵詞：波浪能；浮板；能量轉(zhuǎn)換；水動力分析中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 【

2、DOI】10.13788/ki.cbgc.2017.07.037Study on Optimal Design of Floating Plate for Wave Energy Generation SystemXIANG Jianping, LING Yongzhi, SHEN Yao(School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)Abstract: This paper proposes a design metho

3、d of optimizing an existing tilted floating plate to raise its efficiency in generating power. Modeling of both original floating plate and optimized floating plate has been developed to compare the differences in the aspects of energy dissipation and wave energy absorption capacity in the horizonta

4、l direction. The results of simulation show that the design method has improved the ability of collecting wave horizontal kinetic energy and raised the conversion efficiency of the floating plate and reduced energy loss, thus improved the wave energy conversion efficiency.Key words: wave energy; flo

5、ating plate; energy conversion; hydrodynamic analysis0 引言人類的生存發(fā)展離不開能源，為了解決能源困境，越來越多的新能源被開發(fā)利用。波浪能作為近年新興的清潔能源，在國內(nèi)外都受到了廣泛關(guān)注1-3。波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能，與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面的寬度成正比，是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源。我國海域遼闊，蘊藏著豐富的海洋能。調(diào)查統(tǒng)計表明，我國沿海波浪能理論裝機容量約1 285萬千瓦。但是我國海洋能源的能量密度普遍較低，大部分沿海地區(qū)的年平均波浪功率密度僅為2 kW/m7 kW/m。因此，從波浪能開發(fā)利用技術(shù)的

6、角度而言，提高能量轉(zhuǎn)換效率是衡量發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵性指標(biāo)之一4。波浪能的發(fā)電裝置多種多樣，有點頭鴨式、波面筏式、擺式、振蕩水柱式、收縮水道式等十余種5。然而，波浪能發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率過低，成為限制其發(fā)展和推廣的關(guān)鍵因素。其中，浮板的設(shè)計優(yōu)劣會直接影響到波浪能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和生產(chǎn)成本。浮板的主體是一個大型的基本上密封的中空箱型裝置，制造材料為輕薄鋼材，可以隨波浪起伏而浮動。目前，浮板能量轉(zhuǎn)換效率低是亟待解決的一個問題。本文主要分析波浪能發(fā)電系統(tǒng)使用的擺式浮板，找出其能量轉(zhuǎn)換效率較低的原因，結(jié)合計算機仿真技術(shù)和現(xiàn)場考察，設(shè)計出可以提高浮板能量轉(zhuǎn)換效率的新型浮板。該研究將為波浪能資源的利用提供理

7、論依據(jù)和技術(shù)支持。1 擺式浮板發(fā)電技術(shù)波浪能開發(fā)利用的設(shè)想可以追溯到一個多世紀(jì)之前，但是真正有應(yīng)用價值的研究是從上世紀(jì)60年代才開始的。擺式波浪能發(fā)電技術(shù)最早由渡部富治教授提出；而日本室蘭工業(yè)大學(xué)在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的深入研究，并于1983年在北海道的一處港灣建造了一座5 kW小型擺式波浪能發(fā)電站。該電站的發(fā)電裝置通過擺式結(jié)構(gòu)從波浪中獲取能量，然后通過用一臺單向作用的液壓泵將能量轉(zhuǎn)換為液壓能并驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，但是電站在一次暴風(fēng)雨中被毀；在此基礎(chǔ)上，日本又于1987年建造了一座20 kW擺式波浪能發(fā)電站，該電站在投入運行后3個月又被摧毀。擺式結(jié)構(gòu)的波浪能發(fā)電裝置很適合波浪低頻率的特性，總體效率

8、可以達(dá)到20%30%。我國也早已著力開發(fā)波浪能，并取得了一定的研究成果6。2 浮板能量轉(zhuǎn)換效率分析波浪能是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源。浮板能量轉(zhuǎn)換效率與自然環(huán)境、浮板設(shè)計等因素相關(guān)。2.1 自然環(huán)境方面波浪能是由風(fēng)把能量傳遞給海洋而產(chǎn)生的，其實質(zhì)是吸收風(fēng)能而形成。能量傳遞速率與風(fēng)速有關(guān)，也與風(fēng)、水相互作用的距離有關(guān)。波浪能可以用波高、波長和波周期等特征來描述。單位波前寬度上的波浪功率計算公式為 （1）式中：P為單位波前寬度上的波浪功率，kW/m；H為波高，m；T為波浪周期，s；為海水密度，取1.025103 kg/m3；g為重力加速度，取10 m/s2。由式（1）可知，每米海岸線生產(chǎn)電能

9、的大小，與波浪波高的平方成正比，與波浪周期成正比。以擺式浮板為例，建立簡化的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行采集效率估算，如圖1所示。波浪能按正弦波區(qū)域的勢能近似可得： （2）式中：式中所有首次出現(xiàn)的變量均要說明含義已修改P1為單位波前寬度上浮板采集的波浪功率，kW/m；H1為正弦波波高，m；T1為正弦波波浪周期，s；為角頻率，rad/s；t為時間，s；y為位移，m。圖1 浮板的采集效率未能利用的能量按矩形區(qū)域的勢能近似可得： （3）式中：P2為單位波前寬度上未能利用的波浪功率，kW/m；h為矩形區(qū)域波高，m；T2為矩形區(qū)域波浪周期（與T1相等），s。因此，采集效率估算為 （4）由以上分析可知：浮板的采集效率與浮

10、板前后的波浪波高有關(guān)。當(dāng)矩形區(qū)域波高h(yuǎn)不變時，若浮板后正弦波高H1越大，則浮板采集效率越高；當(dāng)正弦波波高H1不變時，若浮板前矩形區(qū)域波高h(yuǎn)越小，則浮板采集效率越高。這兩句中h與H1的有點混亂，請結(jié)合上文含義修改正確已對照修改因此，提高浮板采集效率不僅需要選擇合適的裝置安裝位置，還需要設(shè)計合理的浮板高度。本文所選波浪能發(fā)電裝置安裝在海南省，該處海域波浪能資源豐富，可以提高浮板采集效率。浮板的設(shè)計高度將會在后續(xù)內(nèi)容中進(jìn)行說明。2.2 浮板設(shè)計方面圖2為系統(tǒng)能量流程圖，由圖可以看出，由于機械損耗和水力損失的影響，浮板能量轉(zhuǎn)換功率從P0降為P1。因此，浮板的能量轉(zhuǎn)換效率與機械損耗和水力損失有關(guān)，若能通

11、過設(shè)計浮板結(jié)構(gòu)減少水流在浮板上產(chǎn)生摩擦、撞擊和漩渦等損失，則可以提高浮板的能量轉(zhuǎn)換效率。此外，通過設(shè)計浮板結(jié)構(gòu)增強浮板吸收波浪水平方向動能的能力，以及對正面來波的攔截和吸收能力，也將會提高浮板的能量轉(zhuǎn)換效率。圖2 系統(tǒng)能量流程圖3 浮板性能分析與優(yōu)化圖3所示的波浪能發(fā)電系統(tǒng)位于海南省，是2013年從以色列引進(jìn)的一臺樣機。其浮板設(shè)計厚度約為0.6 m，實際吃水深度為0.118 m。若考慮到內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)及液壓桿對浮板的作用力，則浮板吃水深度約為0.16 m0.18 m，原浮板質(zhì)量為1 174.9 kg。圖3 波浪能采集子系統(tǒng)左視圖圖4為原浮板CAD三視圖，由圖可知，原浮板整體為水平狀，其寬度約為3

12、.8 m，長度為4.0 m，厚度約為0.6 m。根據(jù)國家海洋監(jiān)測資料和實地記錄數(shù)據(jù)可知：南海海域發(fā)電站處平均浪高為1.2 m，遠(yuǎn)高于浮板厚度；原浮板整體為水平狀，一旦較大的浪涌通過浮板，大量海水將積聚在浮板上并抑制浮板向上的浮力，從而產(chǎn)生很大的能量損耗此外，浮板末端鉸鏈結(jié)構(gòu)與堤岸基礎(chǔ)相連接，連結(jié)位置因考慮到浮板回收等問題而設(shè)置在較高位置。當(dāng)海面處于低潮時，浮板會向下傾斜，則鉸鏈位置懸空，此時浮板只有部分受到浮力作用，而且鉸鏈位置應(yīng)力會發(fā)生變化，從而加重波浪能損耗；當(dāng)海面處于高潮位時，波浪通過時容易淹沒浮板，造成巨大的波浪能損耗圖4 原浮板CAD三視圖考慮以上分析，在原有浮板的基礎(chǔ)上，提出一種優(yōu)

13、化的浮板模型，如圖5所示。該浮板模型不僅使用浮板底部作為吸收波浪能的載體，而且在前部增加了收集海水動能的集浪板。在保證浮板質(zhì)量變化不大的基礎(chǔ)上，同時增加浮板的厚度和吃水深度從圖中可看出，浮板吸收水平方向動能的能力將會得到提升，同時也可以解決波浪越過浮板的問題圖5 優(yōu)化后浮板示意圖根據(jù)前期構(gòu)想，建立圖6所示的優(yōu)化后浮板CAD三視圖。從圖中可看出，浮板長度由3.8 m縮短為3.5 m左右，寬度仍保持為4 m，而厚度提高至1 m左右的斜面主視圖中三角形部分為集浪板，加上集浪板后浮板前端高度接近2 m，與密封的浮板連接。制作時可選用質(zhì)輕、高強度的合成材料，作為浪高較高且超過浮板高度時收集能量的載體若集

14、浪板仍為Q235b鋼板，計算時不考慮焊接質(zhì)量及內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，可以得出浮板質(zhì)量約為1 597.2 kg，其吃水深度為0.16 m；若考慮內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)及液壓桿對浮板的作用力，則浮板吃水深度估值約為0.22 m0.24 m，比原浮板吃水深度0.16 m0.18 m有一定提高。通過對比可知，優(yōu)化后的浮板質(zhì)量比原浮板增加約400 kg（34%），而吃水深度增加了0.06 m（38%）。雖然優(yōu)化后浮板質(zhì)量有所增加，但是吃水深度增加的比例更大，因此優(yōu)化后的浮板有一定的應(yīng)用價值。圖6 優(yōu)化后浮板CAD三視圖4 浮板建模與仿真隨著計算 HYPERLINK /s?wd=%E6%B5%81%E4%BD%93%E5%

15、8A%A8%E5%8A%9B%E5%AD%A6&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1Y3rjuBnjDsPWuhmvfkuyw90ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3En1c1PjfvP10s t /question/_blank 流體動力學(xué)（CFD）軟件計算能力的提高，計算機仿真在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。計算機仿真在一定程度上可代替試驗，縮短研究周期，減少耗費。其中，F(xiàn)luent作為

16、通用的CFD軟件，可模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動，采用多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而Fluent能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度7。所以本文選用Fluent軟件進(jìn)行建模仿真。首先進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分的工作。將建好的三維模型導(dǎo)入ICEM CFD中進(jìn)行計算域建立、邊界設(shè)定及非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分等工作，并導(dǎo)入相關(guān)參數(shù)。具體如圖7和圖8所示。圖7 計算域正視圖圖8 網(wǎng)格劃分后模型圖然后將生成的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行計算分析。將Fluent計算結(jié)果進(jìn)行后處理，得出優(yōu)化后浮板的受力情況和流場情況，并與原浮板相應(yīng)參數(shù)作對比分析，如圖9所示。a) 優(yōu)化前 b) 優(yōu)化后圖9 浮板壓力云圖

17、對比優(yōu)化前后的壓力云圖可以得出：原浮板波浪來流方向受壓強約為7.8104 Pa（圖9a)左側(cè)壓強），優(yōu)化后的浮板來流方向受壓強約為2.7106Pa（圖9b)右側(cè)壓強）。由圖4和圖6確認(rèn)是否正確已確認(rèn)無誤可計算出：原浮板波浪來流方向受力面積為2.4 m2，優(yōu)化后的浮板來流方向受力面積約為7.5 m2。因此，優(yōu)化后浮板來流方向受壓強增加了3 362%，來流方向受力面積增加了213%，這表明優(yōu)化后浮板吸收波浪水平方向動能的能力顯著提升。對比優(yōu)化前后的縱向壓力圖（圖10）可以看出：原浮板因湍流產(chǎn)生的摩擦、撞擊和漩渦等原因，在5105 Pa0 Pa之間存在較大負(fù)壓；而優(yōu)化后的浮板在縱向方向受力的負(fù)壓明顯

18、減小，即0 Pa以下負(fù)壓的面積明顯減小，這表明水流的摩擦、撞擊和漩渦等能量損耗減小。a) 優(yōu)化前 b) 優(yōu)化后圖10 浮板縱向壓力圖中英文譯成中文已翻譯對比優(yōu)化前后湍流能量圖（圖11）可以看出：原浮板湍流能量主要集中在浮板的后部（圖11a)右側(cè)處），而優(yōu)化后浮板的湍流能量集中的浮板前端迎波處（圖11b)右側(cè)處），這表明優(yōu)化后浮板對正面來波的攔截和吸收能力增強。a) 優(yōu)化前 b) 優(yōu)化后圖11 浮板湍流能量5 結(jié)論本文以海南某地的波浪能發(fā)電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過實地調(diào)查、資料查閱和計算機軟件建模分析等方法，找出現(xiàn)有擺式浮板設(shè)計存在的問題，提出了一種優(yōu)化擺式浮板模型。分析表明：優(yōu)化后的浮板設(shè)計切實地解決

19、了浮板在運行過程中存在的問題，設(shè)計后浮板相較于設(shè)計前浮板在收集波浪水平動能的能力上有明顯提升，并且解決了浮板積水問題，還減小了水流的漩渦等能量損耗。相較于原浮板，優(yōu)化設(shè)計后的浮板有如下改進(jìn)：1）浮板總質(zhì)量變化不大，吃水深度增加38%，同時厚度增加，面對正面來波的受力面積增加213%，正面壓強增加了3 362%；浮板形狀的改進(jìn)，使得浮板的湍流能量從后部集中到浮板前端迎波處，表明浮板吸收波浪水平方向動能的能力顯著提升。2）浮板前端厚度由0.6 m增至1.9 m，去掉吃水深度，水上部分仍有1.7 m左右，高于南海海域1.2 m的平均浪高，有效防止波浪越過浮板，浮板上表面為斜面設(shè)計，有利于浮板排水。3

20、）由于浮板吃水深度及厚度加大，對潮位變化的適應(yīng)能力提升，即當(dāng)海面潮位較低時，由于浮板吃水深度較深，可有效防止浮板向下傾斜，同時浮板的厚度也可保證在有較大浪涌過時浮板不被海水淹沒；當(dāng)遇到潮位較高時，較大的厚度及集浪板也可起到保護(hù)作用。綜上所述，這種優(yōu)化設(shè)計的擺式浮板模型能夠提高波浪能的能量轉(zhuǎn)換效率。本文未對優(yōu)化后浮板的能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行精確計算，這將會在后續(xù)研究中繼續(xù)探索。參考文獻(xiàn)：1STALLARD T, ROTHSCHILD R, AGGIDIS G A, et al. A Comparative Approach to the Economic Modelling of a Large-scale Wave Power SchemeJ. European Journal of Operational Research, 2008, 185(3): 884-898.2AGAMLOH E B, WALLACE A