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1、振荡浮子波能装置研究作者:苏永玲 游亚戈 黄忠洲 更新时间:1970-01-01 08:00:00 转贴自:中国能源网随着经济和社会的发展，人类对能源的需求量越来越大，而全球的能源储备量却是有限的，特别是本世纪七十年代出现的原油危机，使人们清醒的认识到能源问题在国民经济和社会发展中的重要作用。为了解决能源供应在社会发展中的瓶颈问题，寻找替代的可再生能源已经成为全球的共识。海洋波浪能作为一种清洁的可再生能源，长期以来，世界各国投入了大量的人力和财力对其进行了研究。在二十世纪七十年代以前，波浪能利用研究的活动主要是波能转换装置的发明。八十年代以后，研究进人了以实用化、商品化为目标的应用示范阶段。较
2、早提出的某些影响很大的装置，如鸭式、海蚌式、筏式装置几乎停止研究；而振荡水柱（OWC）式波能系统成为主攻方向。从1984年以来建成的大部分装置都是振荡水柱式波能装置，如挪威500KW岸式波能装置，英国的75kw岸式波能装置，英国的500KW岸式波能装置，葡萄牙500KW岸式波能装置，欧共体的OSPREY号，日本Mighty Whale号漂浮式波能装置，印度150KW沉箱式波能装置，中国3KW、20KW岸式振荡水柱波力电站以及最近建成的100KW岸式振荡水柱波力电站。振荡水柱式波能装置之所以受到波能界的普遍重视，是因为该类型装置以气室里的空气作为媒介传递波能，避免较脆弱的机电部分直接与波浪接触，
3、减少了波浪的破坏性，使装置的可靠性增加。但该类型装置目前存在的缺点也很明显：（1）建造费用昂贵、施工困难。振荡水柱式波能装置需要建造气室，而建造气室所花的费用占了波能装置总费用的l/3以上。若是岸式振荡水柱式波能装置，还存在着建造难度大、风险大的问题，许多装置在建造过程中都遇到挫折，很少有一年内建成的。（2）转换效率低下。该装置通过压缩空气驱动透于对外做功，往复流中空气透平的效率较低（约为30左右）。振荡水柱式波能装置由于造价昂贵，转换效率较低两大缺点，在价格上用户难以承受，不易形成市场。本文研究的振荡浮子式波能转换装置是一个岸式波能装置，它采用振荡浮子作为波浪能的吸收载体，然后将浮于吸收的能
4、量通过一个机械或液压装置转换出去，用来驱动电机发电。振荡浮子式波能装置由于省去了建造气室的昂贵开支，从而在同等装机容量下的成本低于振荡水柱式波能装置，其施工难度也大大降低。通过对振荡浮子式波能装置一级转换效率（即浮子效率）的实验还可以看出其一级效率与振荡水柱式波能装置一级转换效率（即气室效率）相当，但其二级转换效率（包括水泵、管路、水轮机的总效率，约大于80）远大于振荡水柱式波能装置二级转换效率（即透平效率约为30），从而其总效率较振荡水柱式被能装置总效率有很大的提高。由于振荡浮子式波能装置克服了振荡水柱式波能装置的两个致命弱点，因此对它的研究是为波能装置向实用化发展进行的有益尝试。 实验装置
5、实验在中国科学院广州能源研究所的造波水槽中进行。水槽长40m，宽12m，水深085m，一端装有计算机控制的变频电源伺服电机驱动的推板式造波机，可按给定函数造出规则波或非规则波，实验模型装在水槽中距造波机28m处。本实验在规则正弦波浪下进行。实验装置简图如图1所示。浮于采用厚5mm的有机玻璃制成，几何尺寸为300 X 40X400mm，浮子吃水深度250mm。港长700mm，港宽410mm，港水深400mm，港开口两旁及以下部分均用板封住，使波浪无法通过。实验时浮子在波浪的作用下起伏运动，将其从波浪中吸收的能量通过钢绳传给手动泵，再通过手动泵转化为高位水箱中水的势能。实验方法实验在人射波周期为1
6、秒到3秒之间进行，按照1：10比例放大，原型周期约在3秒到95秒之间，符合实际海域中波周期的情况。1）造波机在计算机控制下造出给定周期的波，波高由距造波机76m的1水位传感器将信号传给计算机采样系统并由计算机输出，得到输入波浪的波形图。（2）浮于输出由安装在绳索中间的拉力传感器和装在浮子上的2水位传感器将信号传给计算机采样系统并由计算机输出，得到浮于拉力和浮子运动位移的变化曲线。（3）改变钢绳在手动泵桶上的位置，从而确定系统输出功率最佳点，每一周期在其对应的最佳点上的实验重复3次。实验数据分析图2为周期T=l887秒时入射波的波形图。图3、图4分别为在其最佳点上拉力传感器的输出和浮于位移输出。
7、考虑到试验装置所产生的反射波及辐射波的影响，实验中入射波、力及浮子位移3数据处理在不同的选定段进行，既避免反射波及辐射波的影响，又使测量数据的有较好的稳定性。入射波商及浮子宽度内波浪输人的功率的计算入射源高由图2中选定的三个周期波的平均波高值来表示，根据实验数据得入射波幅（半波高）A=3.07cm。由式：此处A为入射波幅，B为浮子宽度，H为水槽中水深，k为波数，Nw为浮子宽度域内波浪输入的功率，P为水密度，为角速度，即可算出Nw=3268（W）。浮子平均输出功率的计算浮于输出功率用单位时间内浮子输出的力与浮于位移的乘积来表示。而浮子平均输出功率指一段时间内浮于输出功率的平均值，即上式中F为浮于
8、输出的力，N为选择计算时间段Tc内测点总数，u为浮子瞬间位移，取向下为正，v为浮于瞬间速度，t为相邻测点间的时间间隙，试验中取1/30s。由图3、图4选定区域计算得到的浮于输出功率为 Nc467（W）值得注意的是当浮于向上运动时，由于弹簧力的存在，F并不为零，而V为负的，此时浮子输出功率为负的，其物理意义是弹簧力（此时为F）帮助浮子向上运动做功，释放了弹簧中的弹性势能，而这些弹性势能是浮于向下运动是储存在弹簧中的。因此在浮子先向下、后向上运动一个周期后，弹簧做功为零，体现了弹簧的保守特性。一级转换效率的计算实验中研究的一级转换效率是以浮于吸收的能量与浮于宽度域内波浪的输入能量之比来定义的。所以
9、可得T1887秒时系统的最大一级转换效率34系统总转换效率在试验中，水被提升到高位水箱，提升高度为255m。通过测量水的流量可以得到试验系统（合浮子、手动泵、管路）的总效率。在波周期T1887秒的实验条件下，水的流量q1115mL/周期=5909g/s，可得系统总效率0452。实验结果实验测得在不同人射波周期下，一级转换效率如图5。5讨论关于一级转换效率如果振荡浮子装置和振荡水柱装置有相同的水下几何形状，则两者的水动力学特性在小振幅时必然十分接近。试验也证明了这一点：在相同实验条件下，振荡水柱式波能装置的一级转换效率（气室效率）的最大值为141，与本文所描述的振荡浮子装置的最大一级转换效率差不多。关于总转换效率由本文所设计的试验可以得到，振荡浮于装置在Tl887s财最大的的总转换效率达到452。以下两点值得注意：l）由于实验模型较小，而手摇泵又比较粗糙，系统能量损耗相对较大。如果用较大的模型做试 验，总效率会有较大提高。2）上述试验是在3倍模型宽度的水槽里进行的，如果是在较宽的造波水池里做试验，总效率也有 较大提高。结论本文对振荡浮子式波能装置做了试验，结果表明：l）振荡浮子装置具有与振荡水柱装置相当的一级转换效率。2）振荡浮子装置具有比振荡水柱装置高得多的总转换效率。3）振荡浮子装置是一个有极好前景的波能装置。（编辑：xujl）
