波浪能是海洋能中最主要的能源之一,是一种易于直接利用、取之不竭的可再生清洁能源。
海水由无数的质点组成,在外力作用下,海水质点在其平衡点位置附近作周期性运动,这就形成了波浪。
潮汐运动或者风的作用都会使海水质点相对海平面发生位移,使波浪具有势能,而海水质点的运动,又会使波浪具有动能。
故波浪能是海洋表面所具有的动能和势能的总和。
另外,波浪能的大小还与风速、风的持续时间、流速等因素有关。
波浪能发电分为能量采集和能量转换两部分。
采集系统的作用是捕获波浪能。
能量转换系统的作用是把获得的波浪能转换为某种形式的机械能或电能。
能量转换系统主要由空气叶轮、低水头水轮机、液压系统、机械系统、发电机等组成。
目前世界上已经研究开发了多种波浪能转换装置,用于波浪能的转换。
波浪能技术主要分为三种,即振荡水柱技术、振荡浮子(点吸收)技术、越浪技术。
振荡水柱技术是利用一个水下开口的气室吸收波能的技术。
波浪驱动气室内水柱往复运动,再通过水柱驱动气室内的空气,进而由空气驱动叶轮,得到旋转机械能,或进一步驱动发电装置,得到电能;振荡浮子技术包括鸭式、筏式、浮子式、摆式、蛙式等诸多技术。
振荡浮子技术是利用波浪的运动推动装置的活动部分-鸭体、筏体、浮子等产生往复运动,驱动机械系统或油、水等中间介质的液压系统,再推动发电装置发电;越浪技术是利用水道将波浪引入高位水库形成水位差,利用水位差直接驱动水轮发电机组发电。
Wave for EnergyWave for Energy是一家致力于波浪能和海上风能技术应用的公司,该公司成立于2010年,总部位于都灵。
该公司在机电一体化、海洋建筑和近海作业方面拥有强大的技术实力。
(一)技术简介从意大利都灵理工大学(Politecnico di Torino)衍生出来的Wave for Energy公司开发出了意大利首个利用海浪发电的1:1比例装置,该装置于2015年8月8日停泊在距离潘泰莱里亚岛(Pantelleria Island,位于意大利南部)海岸850米的地方。
在第一操作阶段,系统不会连接到岛上的电网,但会通过一系列电阻消散。
在9至10月,Wave for Energy将铺设电缆管道,随后将其连接到电网,为地中海内外不直接与大陆电网连接的较小岛屿提供能源的部分补充。
这些研究活动始于2006年,由都灵理工大学机械和航空航天工程系的Giuliana Mattiazzo和Ermanno Giorcelli领导的小组进行,带动了Wave for Energy工业化技术的发展,推进了第一台商用前机器的建造。
图1 由飞轮、陀螺和发电机组成的陀螺系统波浪能转换器是波浪发电的核心技术。
在过去的十年里,Wave for Energy将波浪能转换器ISWEC(惯性波浪能转换装置)从概念发展到一个100kW的设备。
ISWEC属于振荡浮子技术中鸭式的延伸。
如图所示,ISWEC主要由一个松弛系泊于海床的浮体构成,浮体内的核心装置是陀螺系统,陀螺系统的主要组件有飞轮(红色)、陀螺(蓝色)和取力器(PTO,绿色)。
其中PTO固定在船体上,陀螺固定在陀螺系统上,飞轮、陀螺和PTO三者的重心一致。
海浪作用到浮体上使其产生摇摆运动,摇摆运动被传递到浮体内部的陀螺系统,诱导飞轮以角速度ε旋转,飞轮的运动在x轴周围产生陀螺力矩,PTO利用这种扭矩来产生电能。
如果ISWEC的陀螺速度在不同波浪状态下是恒定的,陀螺转速为600r/min的情况下,最大的年均产能为207.1MWh。
如果优化陀螺速度,年均产能可增加19.3%,年均产能有可达到244MWh。
Wave for Energy在ISWEC转换装置方面申请了相关的专利。
下表为专利的详细信息。
表1 Wave for Energy波能转换装置专利信息题目专利权人专利发明人摘要从海浪中产生电能的系统Wave for EnergyOrlando Vincenzo本发明涉及一种利用海浪产生电能的系统,主要包括浮体和设置在浮体上的陀螺仪结构利用海浪发电的系统Wave for EnergyOrlando Vincenzo本发明涉及一种利用海浪产生电能的系统,主要包括一个漂浮体和一个陀螺仪结构从海浪中产生电能的系统Wave for EnergyVincenzo Orlando本发明涉及一种利用海浪产生电能的系统,该系统包括一个浮体和其上的陀螺仪结构从海洋的波浪运动中产生电能的系统都灵理工大学、麻省理工学院、Wave for EnergyMattiazzo GiulianaVissio GiacomoPassione BiagioPozzi NicolaBracco GiovanniBrizzolara StefanoGulisano Andrea本发明涉及一种利用海洋的波浪运动产生电能的系统,该系统利用海洋的波浪运动来产生电能。
系统特点是在浮体上装有调节系统谐振峰频率的装置(二)研究进展步骤一:该项目于2009年开始小规模开发(1:45),并在爱丁堡(爱丁堡大学)、那不勒斯(Universita Federico II)和罗马(罗马大学)的波浪水槽中进行了测试。
小规模测试证明了该系统的强大功能,并验证了用于开发下一个更大原型的单色线性数值模型。
步骤二:2012年研制了比例为1:8的中等模型。
中等规模的测试可以评估ISWEC在规则和不规则波下的工作状况,并使用非线性陀螺仪对康明斯模型进行微调。
步骤三:得益于前两个阶段获得的知识,Wave for Energy凭借最先进的模型和实际的操作知识设计了最后阶段的设备。
在Pantelleria岛上全面运行了额定功率100kW的全尺寸演示原型。
该演示器已获得RINA(意大利船级社)的认证。
(三)ISWEC特性1.密封船体ISWEC没有活动部件暴露在海洋环境中。
由于所有技术部件都被封闭在受保护的环境中,因此提高了设备的可靠性。
这个特性在WEC(波能转换器)中几乎是唯一的。
2.对海浪气候变化的适应性ISWEC具有两种适应波浪气候的方法,即飞轮速度和PTO控制律。
飞轮速度由天气波预报算法控制,以适应长期海洋变化的条件。
PTO在一个短期回路上进行控制,以适应下一个输入波(该公司制定的规则,工业机密)。
3.对环境影响小该设备在外部看起来像是密封的船体,与环境没有任何相互作用。
ISWEC松弛系泊于海床,无需在海床上安装刚性连接装置或地基,以减少对环境的影响并降低系泊成本。
ISWEC运行平稳,不会产生任何可能干扰海洋动植物的噪音或振动。
4.减少维护该设备的所有组件均在受保护的清洁环境中工作,因此从本质上实现了更高的可靠性。
该设备增加了MTBF(平均故障间隔时间)并降低了MTTR(平均修复时间),普通维护之间的最小间隔为十年。
(四)ISWEC技术评价同传统WEC相比,ISWEC将机械构件(PTO系统)放置在了浮子内部,机械系统完全与海水隔离,因此耐久性高;装置构造简单,维护容易;浮体部分的设计自由度高。
但是ISWEC也存在一些问题,如成本高、效率低;飞轮作为ISWEC的核心部件需要经常转动,故对飞轮的构造强度要求高;大型化以后难以保证较高的能量转化率、耐久性等。
目前ISWEC只进行到了全尺寸演示阶段,在实际海况中的工作情况未知,故是否具备推广价值还有待观察。
都灵理工大学ISWEC相关研究都灵理工大学作为Wave for Energy公司的技术