波浪能发电系统浮板的优化设计

波浪能发电系统浮板的优化设计

向健平，凌永志，沈尧

（长沙理工大学能源与动力工程学院，长沙410114）

摘要：针对波浪能发电系统设计中浮板能量转换效率低的问题，基于海南省某地现有波浪能发电实验站的波浪能采集装置，采用Fluent软件进行建模仿真的方法对其进行优化设计，提出一种优化摆式浮板的设计方案。比较原浮板和优化浮板在吸收波浪水平方向动能的能力、能量损耗、浮板积水问题等方面的差异，结果表明这种优化的摆式浮板能成功实现浮板在收集波浪水平动能能力上的提升，并且解决浮板积水问题，减小能量损耗，从而提高浮板能量转换效率。

关键词：波浪能；浮板；能量转换；水动力分析

中图分类号：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2017.07.037

Study on Optimal Design of Floating Plate for Wave Energy

Generation System

XIANG Jianping, LING Y ongzhi, SHEN Y ao

(School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)

Abstract:This paper proposes a design method 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 horizontal 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; floating plate; energy conversion; hydrodynamic analysis

0 引言

人类的生存发展离不开能源，为了解决能源困境，越来越多的新能源被开发利用。波浪能作为近年新兴的清洁能源，在国内外都受到了广泛关注[1-3]。波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比，是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。

我国海域辽阔，蕴藏着丰富的海洋能。调查统计表明，我国沿海波浪能理论装机容量约1 285万千瓦。但是我国海洋能源的能量密度普遍较低，大部分沿海地区的年平均波浪功率密度仅为2 kW/m～7 kW/m。因此，从波浪能开发利用技术的角度而言，提高能量转换效率是衡量发电系统优劣的关键性指标之一[4]。

波浪能的发电装置多种多样，有点头鸭式、波面筏式、摆式、振荡水柱式、收缩水道式等十余种[5]。然而，波浪能发电的能量转换效率过低，成为限制其发展和推广的关键因素。其中，浮板的设计优劣会直接影响到波浪能发电系统的发电效率和生产成本。浮板的主体是一个大型的基本上密封的中空箱型装置，制造材料为轻薄钢材，可以随波浪起伏而浮动。目前，浮板能量转换效率低是亟待解决的一个问题。

本文主要分析波浪能发电系统使用的摆式浮板，找出其能量转换效率较低的原因，结合计算机仿真技术和现场考察，设计出可以提高浮板能量转换效率的新型浮板。该研究将为波浪能资源的利用提供理论依据和技术支持。

1 摆式浮板发电技术

波浪能开发利用的设想可以追溯到一个多世纪之前，但是真正有应用价值的研究是从上世纪60年代才开始的。摆式波浪能发电技术最早由渡部富治教授提出；而日本室兰工业大学在其基础上进行了进一步的深入研究，并于1983年在北海道的一处港湾建造了一座5 kW小型摆式波浪能发电站。该电站的发电装置通过摆式结构从波

浪中获取能量，然后通过用一台单向作用的液压泵将能量转换为液压能并驱动发电机发电，但是电站在一次暴风雨中被毁；在此基础上，日本又于1987年建造了一座20 kW 摆式波浪能发电站，该电站在投入运行后3个月又被摧毁。摆式结构的波浪能发电装置很适合波浪低频率的特性，总体效率可以达到20%～30%。我国也早已着力开发波浪能，并取得了一定的研究成果[6]。

2 浮板能量转换效率分析

波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。浮板能量转换效率与自然环境、浮板设计等因素相关。 2.1 自然环境方面

波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的，其实质是吸收风能而形成。能量传递速率与风速有关，也与风、水相互作用的距离有关。波浪能可以用波高、波长和波周期等特征来描述。单位波前宽度上的波浪功率计算公式为

2220.564π

g P H T H T ρ=≈ （1）

式中：P 为单位波前宽度上的波浪功率，kW/m ；H 为波高，m ；T 为波浪周期，s ；ρ为海水密度，取1.025×103 kg/m 3；g 为重力加速度，取10 m/s 2。

由式（1）可知，每米海岸线生产电能的大小，与波浪波高的平方成正比，与波浪周期成正比。

以摆式浮板为例，建立简化的数学模型进行采集效率估算，如图1所示。波浪能按正弦波区域的势能近似可得：

()()()1

1111

sin 2100

sin 220

2

2

120

211

d d d 2

sin d 28

T H wt T H wt T P gy y t

g

y t

gH wt t

g H T ρρρρ===

=⎰⎰

⎰⎰ （2）

式中：P 1为单位波前宽度上浮板采集的波浪功率，kW/m ；H 1为正弦波波高，m ；T 1为正弦波波浪周期，s ；ω为角频率，rad/s ；t 为时间，s ；y 为位移，m 。

图1 浮板的采集效率

未能利用的能量按矩形区域的势能近似可得：

2

2

22200

2200

2

20

22

d d d 2

d 24

T h T h T P gy y t

g

y t gh t g h T ρρρρ===

=⎰⎰⎰⎰ （3）

式中：P 2为单位波前宽度上未能利用的波浪功率，kW/m ；h 为矩形区域波高，m ；T 2为矩形区域波浪周期（与T 1相等），s 。