海上能源发电拓扑结构的优化方案

海上应用系统远离海岸，它们普遍使用一个浮体作为波浪能吸能器，而另一个固定体则固定在海底。带有气动涡轮机的索尔特凸轮和浮标的海上应用，是惟一的包含旋转发电机的应用。一般来说，海上应用系统使用的是带有浮标的直线发电机。直线发电机直接由海上的浮体运动来驱动。在对海上应用系统进行分类之前，本节首先来讨论固定体和浮体动力学特性。

4.3.1.1 水下固定体动力学特性

当波浪击打固定在海洋底部的物体时，如码头或海上平台，波浪将根据波浪和物体的几何形状发散在该物体周围，它将决定物体对入射波的反射^[4]。

如果物体没有连续延伸至自由表面之下的底部，一些波浪能就可能会通过该结构的下面泄漏掉了。波浪能从海水表面到底部呈指数分布，而不仅仅是分布在海水表面之上。在海水深度约等于波长的一半处，波浪效应就可以忽略不计^[4]。

图4.6所示为一个固定旋转圆柱体的二维（2D）例子。入射波的高度H_I部分经固定旋转圆柱体反射，而波中其余的能量则通过该旋转圆柱体传送到另一边，在那里可以再次形成一个波浪，继续传播。在没有功率损耗的理想情况下，入射波的能量必须等于透射波和反射波能量的总和：

式中 H_T——透射波的高度；

H_R——反射波的高度；

H_I——入射波的高度。

波浪的这种相互作用会对物体本身产生相当大的作用力，虽然这是在假设波浪没有“破碎”的情况下得到的结论。由于波浪在岸边“破碎”，随之而来的湍流会损耗大量的能量^[4]。如果我们将该旋转圆柱体更换为一个球体，波浪的行为也与此类似，只是两侧的波浪反射会有一些差异。绕射波就会作为一种复杂的干扰波出现。与旋转圆柱体相比，球体这种情况会泄漏更多的波浪能^[4]。

图4.6显示入射波、反射波和透射波的固定体侧视图 （改编自W.J.Jones and M.Ruane，“Alternative electrical energy sources for Maine，Appendix I，Wave Energy Conversion by J.Mays，”Report No.MIT-E177-010，MIT Energy Laboratory，1977年7月）

4.3.1.2 水中浮体动力学特性

在浮体的情况下，假定同样的旋转圆柱体在海面上自由浮动。根据造船学术语，一个浮体的运动可以被定义为：上升下潜、横荡和横摇，分别对应着垂直、水平以及旋转运动，如图4.7所示。

图4.7 浮体的运动方向 （改编自W.J.Jones and M.Ruane，“Alternative electrical energy sources for Maine，Appendix I，Wave Energy Conversion by J.Mays，”Report No.MIT-E177-010，MIT Energy Laboratory，1977年7月）

如果该旋转圆柱体被上下推动，就会产生波浪，并从各个方向蔓延开来。如果将它从一侧推到另一侧产生横荡后，预期就可以产生类似的行为。如果它是完美的光滑圆柱体，转动起来就不会产生水的扰动。如果它的形状可以归结为一个箱体，就会在扰动的时候产生波浪^[4]。

因此，波浪的组合就有可能导致物体朝不同的方向运动。三种附加运动的类型为纵移、平摆和纵摇^[4]，如图4.7所示。浮动物体的摆动可以使得浮动装置产生电力。该物体可以安装在浮筏或者海底平面的固定装置上。这类装置可以用于照明和浮标鸣笛。

4.3.1.3 气动涡轮机

WEC通常由多级组成。在近岸和海上应用的气动涡轮机系统中，初级转换是将波浪能转换成高压空气。第二级是提取高压空气的机械能，推动水轮机轴旋转。最后一级是通过发电机将机械横摇转换成电能。

图4.8所示为海上应用的工作原理，该应用包括一个带有气室的浮标和气动涡轮机。在这个系统中，当波浪击打物体时，浮标内通道的水位上升。这种水位上升将会对气室内的空气产生一个压力。当空气被增压时，它会对通风涡轮产生一个压力，并推动其横摇。该涡轮驱动水轮机，在其输出端产生电能。当波浪回落到海面上时，气室内的空气也随着浮标通道内的水位下降而被吸回。由于喷射效应，涡轮机轴将向相反方向横摇，同样可以产生电能。

图4.8 利用波浪能横摇气动涡轮机 （改编自“Ocean Energy，”Report of the U.S.Department of Interior Minerals Management Service）

为了实现喷射效应的效率最大化，气室和通风发电机应该进行严格的机械隔离。不过，这将会增加了系统的设计复杂性，导致成本进一步提高。

4.3.1.4 基于固定定子和直接驱动永磁直线发电机的浮标应用

这种想法基于波浪从顶部到底部的高度差。当浮标在海面漂浮时，它随着波浪运动。浮标可沿着一个支柱垂直移动，这根支柱连接到一个船体上。PM安装在船体表面，绕组安装在船体外。支柱和定子被连接在海底的一个基座上。安装有磁铁的船体被称为转子或发电机的活塞，它们是发电机的运动部件。由于它的运动是直线方式，因此这种发电机被称为直线发电机。与浮标和固定支柱一起使用的直线发电机原理如图4.9所示。

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图4.9 基于直线发电机的浮标式波浪能发电方法

由于海洋波浪的幅值和周期在变化，因此发电机输出电压的振幅和频率也随之变化。因此需要一个后接DC-AC变换器的AC-DC整流器，以供并网之需。

直线发电机的缺点之一可能是：由于速度较低，使得相关的大型贵重电磁变换器产生的磁通变化过于缓慢。不过，直线发电机研发的最新进展使得人们对在波浪能应用中使用直线发电机的兴趣大增。

浮标几何形状最好为圆柱形，因为它可以作为一个吸收点，拦截来自不同方向的波浪。当波浪上升时，浮标系绳拉动发电机活塞。当波浪减弱时，发电机被储存有第一阶段机械能的弹簧弹回。因此，在向上和向下运动时，都可以进行发电。

当浮标处于最低点时，交流发电机的电压为零，然后该电压随着浮标上升而升高，直到浮标到达其在波峰的最高位置。随着浮标停止运动，电压又降回零值。

4.3.1.5 索尔特凸轮法

索尔特凸轮（Salter Cam）如图4.10和图4.11所示。索尔特凸轮，也被称为“点头鸭（the nodding duck）”，它具有一个围绕固定内筒转动的外壳，这个外壳是由入射波推动的，通过内筒和凸轮之间的旋转差异来获得能量。在这种应用中，凸轮运动将波浪能转换成液压油的能量，然后使用液压马达将液压油的压力转换为转动机械能。随后，利用发电机将转动机械能转换为电能。可以使用飞轮或压力流体作为中间步骤，以减少电能转换过程中波浪能的间歇。

内筒通过锚缆固定在海底，如图4.11所示。

图4.10 索尔特凸轮侧视图

图4.11 索尔特凸轮WEC装置固定示意图

索尔特凸轮的外形使其可以与入射波实现高度的交互作用。由于其背面为圆柱形，因此在转动时其外形不会在背面产生波浪^[4]。

WEC索尔特凸轮通过该装置的自由部件围绕固定内筒的谐波运动产生电能。外部组件随着波浪运动而升降。这种运动泵出液压流体来驱动液压马达。该液压马达与产生电能的发电机轴相耦合。索尔特凸轮的工作原理框图如图4.12所示。索尔特凸轮在发电方面效率极高，近来已经获得了大量应用。

图4.12 索尔特凸轮工作原理

凸轮用作一个阻尼谐振子，因为它在特定波长处表现出了谐振行为。这种阻尼摆系统包括位于杆尾或者是沿杆分布的质量块（凸轮机构）、因重力而产生的恢复力（作用在凸轮上的流体静力）以及由于介质黏度引起的反向运动的阻尼力（凸轮的内部能量吸收器），如图4.13所示。

图4.13 索尔特凸轮上的各种作用力

当从当前死区位置移开时，预期该摆（凸轮）在其运动被彻底抑制之前，要经过若干个周期的振荡。不过，如果对其施加周期性作用力，那么摆（凸轮）预期将在其驱动周期振荡。该运动的幅度不仅取决于它受到的推动力，也取决于装置的自然周期，该周期是由重力、凸轮的几何形状以及波浪作用力来决定的。这个周期可能会是数秒^[4]。

在索尔特凸轮中^{[6，15，16]}，有一个“串”或者叫共同脊柱，它为整个辊轴提供了稳定的参照系。凸轮在辊轴上运行，它们是转子泵的泵体。

高压油将会驱动与发电机相耦合的斜盘式液压马达。电力传输由海底电缆来完成。

在深水中，波能空间通量（波前峰面，kW/m）由波浪高（H_S，m）和峰波周期（T_p，s）来决定。基于这两个参数，假设波浪能水轮发电机的效率为84%，那么与海况纪录相互关联的入射波功率（每波浪峰长度的瓦特数，或kW/m），可以由以下公式估算：

应该指出的是，波浪能随着波浪高度的平方变化，换句话说，如果波浪高出一倍，产生的电能将会增大4倍^[2]。