彭定强

摘要：波浪能发电是目前我国海洋能资源开发利用的一种主流应用技术。本文介绍一种鹰式波浪能发电装置的压载系统，通过分析及优化设计，使系统在高效率状态下运行。

关键词：波浪能;发电;鹰头;压载系统;优化

中图分类号：U743.2                 文献标识码：A

Abstract： Wave energy power generation is a mainstream and mature application technology in the development and utilization of Marine energy resources in China. This paper introduces the ballast system of an eagle wave energy generator. Through analysis and optimization design， the ballast system can work at high efficiency.

Key words： Wave energy; Power generation; Sharp eagle; Ballast system;Optimization

1 前言

2016年12月30日，国家海洋局发布了《海洋可再生能源发展“十三五”规划》。《规划》指出，我国海洋能资源丰富，岛屿众多，具备规模化开发利用海洋能的条件，到2020年可再生能源在能源结构中的比例争取达到15%。

根据海岛的自然条件特点，水电开发没有水利资源条件，发展太阳能需要占用较多的土地，且一般海岛上都是陡峭的山地，太阳能电池板安装比较困难。而开发波浪能发电具有得天独厚的条件，可以改变海岛能源结构，有利于增加可再生能源的比例;同时，波浪能发电所发出的电力比较稳定，可与风电、柴油机发电互补，从而达到优化能源结构的目的，大幅度减轻环保压力。

本文介绍一种鹰式波浪能发电装置的压载系统，通过分析其原始设计存在的不足，进行优化设计，以提高发电装置的转换效率。

2 波浪能发电装置简介

2.1波浪能发电装置现状

波浪能发电技术发展已有几十年的历史，世界各国涌现了一大批的波浪能发电技术方案。波浪能发电技术，首先要保证其可靠性，在此基础上要提高转换效率，而这两者往往存在矛盾。通常情况是转换效率高的装置可靠性差，而可靠性高的装置转换效率又比较低，因此波浪能发电方案多种多样，出现了各有侧重的不同方案。

目前，波浪能发电装置主要有：（1）振荡水柱装置，优点是安全可靠，维护方便;缺点是能量转换效率较低;（2）收缩波道式波浪能装置，其优点是：可靠性高、转换效率高、造价较低，问题是需提高针对大浪时装置的稳定性;（3）摆式波浪能装置，其机构简單、可靠性高;缺点是：转换效率低、施工成本高;（4）筏式波浪能装置，其优点是可靠性强、发电稳定;缺点是转换效率不高、适用面较窄;（5）点吸收式波浪能装置，该装置制造简单、技术成熟。

2.2鹰式波浪能发电装置的组成及工作原理

随着漂浮式波浪能转换技术已成为国际上发展的主流，目前绝大部分波浪能转换装置都是漂浮式的。我国近几年来已建成一系列鹰式波浪能发电装置，装机规模稳步提高，积累了大量的鹰式波浪能发电装置的设计、建造、运行发电的经验。

本文介绍一种新建的大型鹰式波浪能发电装置（见图1）：主体长50m、宽36m、高16m、作业吃水11m、拖航吃水2.8m;单向4个鹰头吸波体、双向8个鹰头吸波体;半潜式平台结构，四角锚泊。

（1）工作原理

波浪能发电技术的能量转换方式为三级转换：波浪能—液压能—电能。其工作原理：在波浪作用下，鹰头吸波体通过门型支撑臂绕铰链作往复旋转运动，当波浪由波谷转为波峰的过程中，波浪推动鹰头吸波体向上旋转，牵引液压缸挤压液压油进入蓄能器，将波浪能转换为液压能，液压能蓄积后释放，液压马达驱动发电机发电。

（2）装置的组成

鹰式波浪能发电装置的组成，如图2所示：

双出杆液压缸一端安装在鹰头背部，另一端安装在装置中部立式舱室底端;液压蓄能器、马达等设备，安装在装置中部立式浮箱上层舱室内;鹰头吸波体侧面两端连接有两个刚性支撑臂，支撑臂末端连接有转轴，与半潜平台上安装的转轴铰接固定;通过模拟鹰头绕转轴的旋转运动轨迹，考虑到鹰头与半潜平台之间的相对位置，在半潜平台上相应位置安装有限位装置，以限制鹰头吸波体仅在最高转换效率下的迎波范围内旋转运动;同时，为防止极端状况下（如台风）鹰头的旋转运动过于剧烈而无法控制超出限位，可能对半潜平台及自身造成破坏性的结果，设置了一套撞针保护装置;鹰头上安装一套导管，导管两端用玻璃板封闭，导管内部与浮舱联通;依据鹰头旋转轨迹，在半潜平台结构上略微超出上、下限位位置且对应导管处，各安装一套撞针。当鹰头旋转运动超出上、下限位位置时，撞针会捅破鹰头上导管的玻璃板，此时浮舱与外部联通，浮舱内的水自然泄出，随着鹰头重量减少，动能降低，其破坏性得以削弱。

3 鹰式波浪能发电装置的压载系统设计

不同季节、不同气候条件下，同一海域的波高和周期均有变化，其对应波浪功率也是变化的。同一台装置在不同入射波功率下，如果施加同样的负载，其能量输入与输出往往不匹配，转换效率也不能达到最优。因此，波浪能发电装置应根据波浪情况设计不同的负载等级，小波浪时启动小负载，大波浪时启动大负载，使装置始终在高效率状态下工作。因此最优负载研究，对波浪能发电装置能否始终高效运行意义重大。

鹰头作为波浪能装置的吸波体，它的运动状态直接影响着波浪能—液压能的转换效果。根据各种型号鹰式波浪能发电装置在实际海况运行发电的数据，通过对比分析鹰式装置宽度、波高、波浪周期等因素对转换效率和输出功率的影响，并进行水动力计算与分析，设计出一种上、下分舱式的鹰头结构（见图3）：

鹰头舱长10m、宽10m、高6m，其外观侧视酷似鹰的头部，故得其名;分舱隔板水平设置在3.5m高度，上舱是密闭的作为压载舱，下舱是向下敞口的空舱，从分舱隔板到鹰头顶部设有一根透气管（管径3”），当鹰头下潜时下舱与大气联通，保证鹰头能正常下潜;通过对上舱进行压载、排载操作，调节鹰头重量重心，使之在各个工况下均实现最优的运动状态。

3.1 鹰头压载系统原始设计

考虑到鹰头自身构造的特殊性，鹰式波浪能发电装置采用鹰头独立的压载系统（见图4）：

鹰头上舱舱底处设置进水管线（兼作排水用），管线靠近舱底布置在舱内尾部（管径12”），吸口贴紧舱底板，以便最大限度排空舱内水;进排水管口设置在舱底板尾部;控制阀设置在舱内水平管段上。

当半潜平台下潜时，鹰头随之下沉入水中，此时打开控制阀门，外部海水可以自灌进入该舱;当达到所需要的压载水量时，关闭控制阀门，压载操作完毕;当半潜平台上浮时，鹰头随之上浮出水面，此时打开控制阀门，鹰头浮舱内海水可以通过重力自排至舱外。但由于此管线布置高于浮舱底板，因此舱内此管线高度以下部分的水无法通过重力自排至舱外，而且该分析是基于鹰头处于水平位置的静态情况，若考虑到鹰头在发电工况下，将在上、下限位之间旋转运动，此时情况更加复杂。当鹰头旋转至上限位处时，鹰头尾部处在低位，浮舱内的水聚集在鹰头尾部，此时通过该管线较难通过重力自排;当鹰头旋转至下限位处时，鹰头首部处在低位，浮舱内的水聚集在鹰头首部，此时该管线几乎露出水面以上，基本上无法通过重力自排。因此，在鹰头上舱内另设一处排水管线（管径2”）;一台潜水泵（5 m3/h）布置在舱底板靠首处，泵出口设有控制阀，排放口布置在舱底板中部;考虑到鹰头会旋转运动，故设置两个吸水口，一个在舱底首部，一个在舱底中部，分别由吸入管共同汇至泵进口，方便当鹰头旋转至下限位处时排干舱内的水。

鹰头上舱顶部设置透气管线（管径8”），并設有控制阀，可保持舱内外大气相通，使压载、排载时正常进行;由于处在密闭舱室内且难以就地操作，进水、排水、透气管线上的控制阀门均采用液压遥控方式，阀头上安装有执行器，液压动力泵站、电磁阀箱及其控制系统布置在半潜船舱室内。

早期的波浪能发电装置鹰头就是按上述压载系统设计建造，从该装置实际运行的情况来看，出现了一些问题。通过现场勘查及理论分析，主要存在以下缺陷：

（1）由于主排水管设置在浮舱内，仅依靠重力排水始终无法排净，且考虑到压载操作时鹰头可能摆动在上下限位之间不同位置，故排水口并非总是处在最佳设计位置，实际排水效果可能会更差;

（2）对于潜水泵排水管线，在浮舱底板及前部各设置了一个吸口（远离主排水吸口），当鹰头摆动到下限位附近时，压载水位于鹰头首部，此时通过潜水泵将压载水抽出舱外;但由于两条吸水管线共用潜水泵吸入口，且无阀门控制，因此对于泵的运行有一定要求及限制：当鹰头摆动到上限位附近或浮舱内水位低于前部吸口时，若此时开泵会直接吸入空气，将引起泵空转干烧损坏，故需严格控制潜水泵的使用工况;

（3）鹰头作为波浪能装置发电的动力源，在正常发电工况下一直处于往复旋转运动。浮舱内的潜水泵，将保持与鹰头同步旋转运动，这对泵的安装质量提出了较高的要求;且鹰头位置突出于半潜平台外，浮舱内部空间狭隘，这对于泵的检修维护并不容易。

3.2 鹰头压载系统优化设计

通过以上分析，对原鹰头压载系统进行优化设计（见图5）：取消原潜水泵排水管线，将原进水管线布置在浮舱外，短管上管口与上舱底板平齐，下管口连接控制阀门，此管线同时作为排水用，透气管线保持不变。

优化后的压载系统设计具有如下优点：

（1）将排水管及控制阀设置在上舱底板以下，因阀门处在鹰头下舱内部受到保护，安全可行;将排水口布置在底板上尽量理想的位置，且管口与底板平齐，从而在排载操作时，能够最大限度的通过重力排空上舱内的压载水;

按以上鹰头压载系统原始设计和优化设计建成的两种波浪能发电装置，依次投入实际海况运行，装置自身配备的数据测量、传输和实时监控系统，收集统计数据见表1。由表1看出：优化设计后排载时间缩短27%，转换效率提高8%。

（2）在对主排水管线优化布置后，潜水泵的辅助排水功能得以弱化。经综合分析比较，取消潜水泵及其排水管线，既简化了配置，节约了成本，又使得潜水泵安装、运行、维护相关的一系列潜在问题都不复存在;尽管鹰头运行在极限位置附近时上舱内仍会有少量积水无法排尽，但通过水动力分析及最优负载研究，其影响可以忽略不计;

（3）减少了压载系统的建造及维护成本。减少材料如下：8台潜水泵（5 m3/h），8个遥控蝶阀（2”）;100米碳钢管（2”）及附件;600m 316L不锈钢管（φ10）及附件;300m电缆等;降低成本如下：以上材料费合计约36万元;人工费合计约27万元;预估维护保养费约8万元。

4 结束语

鹰头波浪能发电装置的压载系统不同于常规船的压载系统，由于鹰头构造、运动的特殊性，在设计时需充分考虑这些因素对鹰头压载、排载操作的影响。

本文介绍的鹰式波浪能发电装置的压载系统，对其进行优化设计后经实船运行验证，可使建造、运营等综合成本显著降低，压载操作工序简化，排载时间缩短，转换效率提高，对后续该型装置的定型、推广具有重要的示范意义，为我国推进海岛建设、建设海洋强国提供强大技术支持。

参考文献

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