波浪能發(fā)電系統(tǒng)浮板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、1波浪能發(fā)電系統(tǒng)浮板的優(yōu)化設(shè)計(jì)波浪能發(fā)電系統(tǒng)浮板的優(yōu)化設(shè)計(jì)向健平，凌永志，沈堯（長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410114）摘要：針對(duì)波浪能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中浮板能量轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題，基于海南省某地現(xiàn)有波浪能發(fā)電實(shí)驗(yàn)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(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出一種優(yōu)化擺式浮板的設(shè)計(jì)方案。比較原浮板和優(yōu)化浮板在吸收波浪水平方向動(dòng)能的能力、能量損耗、浮板積水問(wèn)題等方面的差異，結(jié)果表明這種優(yōu)化的擺式浮板能

2、成功實(shí)現(xiàn)浮板在收集波浪水平動(dòng)能能力上的提升，并且解決浮板積水問(wèn)題，減小能量損耗，從而提高浮板能量轉(zhuǎn)換效率。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：波浪能；浮板；能量轉(zhuǎn)換；水動(dòng)力分析中圖分類號(hào)：中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A【DOI】10.13788ki.cbgc.2017.07.037StudyonOptimalDesignofFloatingPlatefWaveEnergyGenerationSystemXIANGJianpingLINGYongzh

3、iSHENYao(SchoolofEnergyPowerEngineeringChangshaUniversityofScienceTechnologyChangsha410114China)Abstract:Thispaperproposesadesignmethodofoptimizinganexistingtiltedfloatingplatetoraiseitsefficiencyingeneratingpower.Modeli

4、ngofbothiginalfloatingplateoptimizedfloatingplatehasbeendevelopedtocomparethedifferencesintheaspectsofenergydissipationwaveenergyabsptioncapacityinthehizontaldirection.Theresultsofsimulationshowthatthedesignmethodhasimpr

5、ovedtheabilityofcollectingwavehizontalkiicenergyraisedtheconversionefficiencyofthefloatingplatereducedenergylossthusimprovedthewaveenergyconversionefficiency.Keywds:waveenergyfloatingplateenergyconversionhydrodynamicanal

6、ysis0引言引言人類的生存發(fā)展離不開(kāi)能源，為了解決能源困境，越來(lái)越多的新能源被開(kāi)發(fā)利用。波浪能作為近年新興的清潔能源，在國(guó)內(nèi)外都受到了廣泛關(guān)注[13]。波浪能是指海洋表面波浪所具有的動(dòng)能和勢(shì)能，與波高的平方、波浪的運(yùn)動(dòng)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(guó)海域遼闊，蘊(yùn)藏著豐富的海洋能。調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)沿海波浪能理論裝機(jī)容量約1285萬(wàn)千瓦。但是我國(guó)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

7、率密度僅為2kWm～7kWm。因此，從波浪能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)的角度而言，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(diǎn)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(guò)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(jì)優(yōu)劣會(huì)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(gè)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

8、動(dòng)。目前，浮板能量轉(zhuǎn)換效率低是亟待解決的一個(gè)問(wèn)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)考察，設(shè)計(jì)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論依據(jù)和技術(shù)支持。1擺式浮板發(fā)電技術(shù)擺式浮板發(fā)電技術(shù)波浪能開(kāi)發(fā)利用的設(shè)想可以追溯到一個(gè)多世紀(jì)之前，但是真正有應(yīng)用價(jià)值的研究是從上世紀(jì)60年代才開(kāi)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

9、基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的深Comment[yang3]:這兩句中h與H1的有點(diǎn)混亂，請(qǐng)結(jié)合上文含義修改正確Comment[1l4]:已對(duì)照修改3（與T1相等），s。因此，采集效率η估算為（4）11221221100%100%2PPPHHh???????????????????由以上分析可知：浮板的采集效率與浮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(shí)，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(shí)，若浮板前矩形區(qū)域波

10、高h(yuǎn)越小，則浮板采集效率越高。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(jì)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(jì)高度將會(huì)在后續(xù)內(nèi)容中進(jìn)行說(shuō)明。2.2浮板設(shè)計(jì)方面浮板設(shè)計(jì)方面圖2為系統(tǒng)能量流程圖，由圖可以看出，由于機(jī)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(jī)械損耗和水力損失有關(guān)，若能通過(guò)設(shè)計(jì)浮板結(jié)構(gòu)減少水流在

11、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(guò)設(shè)計(jì)浮板結(jié)構(gòu)增強(qiáng)浮板吸收波浪水平方向動(dòng)能的能力，以及對(duì)正面來(lái)波的攔截和吸收能力，也將會(huì)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(tái)樣機(jī)。其浮板設(shè)計(jì)厚度約為0.6m，實(shí)際吃水深度為0.118m。若考慮到內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)及液壓桿對(duì)浮板的作用力，則浮板吃水深度約為0.16m

12、～0.18m，原浮板質(zhì)量為1174.9kg。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3.8m，長(zhǎng)度為4.0m，厚度約為0.6m。根據(jù)國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)資料和實(shí)地記錄數(shù)據(jù)可知：南海海域發(fā)電站處平均浪高為1.2m，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(guò)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