日前，“南海兆瓦級波浪能示范工程建設(shè)”500kW鷹式波浪能發(fā)電裝置“舟山號”正式交付。鷹式波浪能發(fā)電裝置是由中國科學院廣州能源研究所的科學家研發(fā)的，用于捕獲海洋波浪能并將其轉(zhuǎn)換為電能的裝置。
為什么取名為鷹式呢？原因在于裝置上用以吸收波浪的浮體形狀酷似老鷹的嘴巴，科學家們將這些吸波浮體稱為“鷹頭”，鷹式波浪能發(fā)電裝置的名稱也由此而來。
圖1 鷹式波浪能發(fā)電裝置中的“鷹頭”
“舟山號”其實并不是國內(nèi)首臺鷹式波浪能發(fā)電裝置，在它之前有裝機100kW的“萬山號”、260kW的“先導一號”發(fā)電平臺，還有120kW的波浪能發(fā)電-養(yǎng)殖-旅游平臺。已經(jīng)交付的“舟山號”擁有中、美、英、澳四國發(fā)明專利，設(shè)計圖紙獲法國船級社認證。它是目前國內(nèi)單體最大的波浪能發(fā)電裝置，500kW的裝機容量意味著它滿功率運行時，每小時可發(fā)500度電。
圖2 鷹式裝置“先導一號 ”
圖3 鷹式裝置“澎湖號 ”波浪能發(fā)電-養(yǎng)殖-旅游一體化平臺
圖4 鷹式裝置“舟山號”
“舟山號”的結(jié)構(gòu)從功能上可以分為俘獲系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)。
俘獲系統(tǒng)包括鷹頭吸波浮體和半潛船體。鷹頭吸波浮體通過支撐臂鉸接在半潛駁上，除了允許吸波浮體通過支撐臂繞鉸鏈往復旋轉(zhuǎn)運動做功外，其他降低波浪能俘獲量的運動都得到了有效抑制。吸波浮體的設(shè)計目標與半潛船體相反，要求其質(zhì)量輕、慣性小、反應敏捷、隨浪性好。為了實現(xiàn)對波浪的敏捷反應，提高波浪能的俘獲效率，鷹頭吸波浮體采用特殊的外形結(jié)構(gòu)，以達到正面吸收波浪，背面不造波的效果。半潛船體是鷹式波浪能裝置的主體結(jié)構(gòu)，可搭載鷹頭吸波浮體與設(shè)備。非工作狀態(tài)時，半潛船體有足夠的浮力，漂浮于水面上，可在江中或海中航行。工作時，半潛船體潛入水中，作為阻尼基座，可有效防止裝置基體隨波浪高頻垂蕩、縱蕩和縱搖。
能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括二級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和三級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。鷹式波浪能裝置的二級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)（主要由液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、蓄能穩(wěn)壓系統(tǒng)、液壓自治控制系統(tǒng)組成），將浮子的往復機械能轉(zhuǎn)換為液壓能，再轉(zhuǎn)換為發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)機械能。三級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（即發(fā)電系統(tǒng)）由馬達、發(fā)電機、變換電路、負載組成。液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心元件通常采用液壓缸，鷹式“舟山號”波浪能裝置采用雙出桿的液壓缸，安裝在吸波浮體與半潛船體之間。
“舟山號”的能量傳遞采用液壓轉(zhuǎn)換，起起伏伏的波浪推動裝置的鷹頭部分上下開合，連接到鷹頭部分的液壓缸就會產(chǎn)生往復運動。類似于打氣筒原理一樣，鷹頭通過吸收波浪的能量，從而帶動液壓缸運動。液壓缸不停的液壓系統(tǒng)內(nèi)部的蓄能裝置打油，波浪能在此就轉(zhuǎn)換成液壓能并存儲起來。當液壓能儲存到一定值時，蓄能系統(tǒng)的壓力會被控制系統(tǒng)感受到，并自動打開液壓系統(tǒng)內(nèi)的閥門進行液壓油釋放。閥門打開后，帶著巨大能量的高壓油液就會沖擊液壓馬達并使之轉(zhuǎn)動，液壓馬達的轉(zhuǎn)動再驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。直到蓄能系統(tǒng)內(nèi)部液壓油壓力降到研究人員設(shè)定的閥門關(guān)閉的壓力值，這時控制系統(tǒng)又會自動將閥門關(guān)閉，油液釋放停止，開始進入下一個發(fā)電循環(huán)。發(fā)出的電再經(jīng)過逆變器、變壓器等電力變換設(shè)備，可在海上獨立穩(wěn)定輸出10kV、3kV、380V、220V及24V標準電力。
圖5 鷹式波浪能裝置的發(fā)電原理
波浪能是風擾動海面形成的能量，功率密度大、分布最廣，遍布整個海面，是一種易于直接利用、取之不竭的可再生清潔能源。波浪能的開發(fā)利用有利于優(yōu)化我國海島能源結(jié)構(gòu)，支撐海洋開發(fā)活動的發(fā)展。后續(xù)，廣州能源所將聯(lián)合中國南方電網(wǎng)、招商局工業(yè)集團等相關(guān)單位，深入開展波浪能發(fā)電技術(shù)的工程化、實用化和規(guī)模化研發(fā)工作，積累波浪能裝備并網(wǎng)運維經(jīng)驗，為遠海島嶼清潔能源供電提供技術(shù)和裝備支撐，服務(wù)我國海洋強國建設(shè)。
