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錨固水下懸浮體支撐水面浮體的波浪能采集方案數(shù)據(jù)分析 摘要:近年來波浪能的研究受到關(guān)注,波浪能的采集功率研究在實用商業(yè)化中起著至關(guān)重要的作用。我們開發(fā)了海底錨固的水下懸浮體,用來支撐水面浮體捕獲波能的辦法。利用水面浮體連接活塞桿帶動轉(zhuǎn)子的原理,產(chǎn)生扭矩收集波能。與傳統(tǒng)方法相比,實驗中的各項數(shù)據(jù)和量化值影響的效果更簡單和直觀,離岸式方案獲得靠岸式的支點支撐,支持水面浮體在最低0.2米上下運動行程的不規(guī)則波中運行,提供一種捕獲波浪能的有效辦法。 一句話摘要:本文為波浪能低浪高海況下,高效率大規(guī)模采集提供新的觀點和思路。 關(guān)鍵詞:水下懸浮體;支點;波浪能;適應(yīng)性 引言:隨著全球能源消耗加劇,以及碳排放問題逐漸凸顯。政府和政策制定者推動新的計劃,以探索替代可再生能源。波浪能作為綠色可持續(xù)的海洋能,儲量巨大,據(jù)估算,全球波浪能總功率為2.2×109~2.7×109kW[1] 。如何在日常海況的低浪高中將波浪能進(jìn)行高效率的大規(guī)模開發(fā),對世界發(fā)展具有重要意義。波浪能采集裝置商業(yè)化存在的困難很多,波浪能轉(zhuǎn)換器(WEC)的有效運行取決于海洋波浪場和能量轉(zhuǎn)換裝置之間的共振實現(xiàn)[2] 。現(xiàn)有技術(shù)解決方案中,所面臨的采集效率,是波浪能采集商業(yè)化的重點問題。我們的目的是通過提高在一定面積海域內(nèi)的波浪能采集效率,降低每度電的發(fā)電成本,從而進(jìn)一步推動波浪能商業(yè)化的進(jìn)程。 能源消耗結(jié)構(gòu)在世界經(jīng)濟和人類生活中的影響越來越重要。例如,受經(jīng)濟周期和俄羅斯烏克蘭沖突影響,世界能源價格上漲,紐約期貨交易所數(shù)據(jù)顯示,原油價格從2021年12月的70美元上漲到2022年5月的130美元,漲幅85.7%,天然氣價格從2022年1月的3.4美元上漲到2022年8月的10美元,漲幅135%。民眾受能源漲價影響,生活質(zhì)量普遍下降。 在多種因素影響下,將波浪能高效的轉(zhuǎn)換為可用能源具有挑戰(zhàn)性。這些挑戰(zhàn)來源于惡劣的海洋環(huán)境、普遍低波高的開發(fā)環(huán)境以及實施中有效的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。過去的研究人員根據(jù)各種概念,開發(fā)了許多不同的波浪能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。例如,風(fēng)能和波浪能的組合技術(shù) 或納米摩擦技術(shù) 概念已經(jīng)顯示出有希望的結(jié)果。其中對于波浪能技術(shù)PTO(power take off)裝置的設(shè)計原理,是將海面的波浪變化作為采集能量的來源。 在觀察中,波浪的運動是縱波和橫波的混合體組成。縱波也被稱為前進(jìn)波,質(zhì)點運動和傳播方向一致,水平運動能量最大,常見適用于推進(jìn)作用;橫波也被稱為剪切波,質(zhì)點運動和傳播方向垂直并復(fù)位,垂直運動能量最大,和機械重復(fù)運動并復(fù)位的特征相似,適用于能量傳遞的作用。 例如在常見的汽車活塞運動中,發(fā)動機轉(zhuǎn)子的扭矩力,來源于質(zhì)點在橫波上下運動中的做功。 然而,對上述信息的理解,研究人員在過去做了大量的技術(shù)方案,也是在這個步驟中產(chǎn)生了很多想法和分歧。為了優(yōu)化部件構(gòu)造和便于理解,我們首先將水面浮體直接結(jié)合活塞運動部件,進(jìn)行對理想化步驟的分析,水面浮體在波浪條件下的垂直運動,帶動轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭矩。 錨固水下懸浮體支撐水面浮體模型:基于對上述步驟的實現(xiàn),必須提供一個穩(wěn)定的支點,為轉(zhuǎn)子提供相互作用力的支撐。我們開發(fā)了由海底錨固柔性鏈接的水下懸浮體,擁有錨固在海底的向下作用力,和由水下懸浮體提供的向上浮力,支撐轉(zhuǎn)子運動。與傳統(tǒng)波浪能設(shè)計相比,這個方案具有海岸式的穩(wěn)固支點條件和離岸式波浪能巨大儲量的開發(fā)潛力。 下面演示圖中,綠色為柔性繩索鏈接,紅色為剛性連接,藍(lán)色長方體為浮體。 數(shù)值求解方法: 受橫波引起的水位變化影響,水面浮體的浮力在不停變換。但浮體在水中的浮力,仍然可以用浮力定律進(jìn)行測算。包括F浮力 ,G本身質(zhì)量,G浮體質(zhì)量,F(xiàn)作用力。 當(dāng)水面靜止時,F(xiàn)浮力 = G 排水質(zhì)量,浮體處于靜止漂浮狀態(tài)。 在海浪橫波的時域變換中,實際水位比平衡水位高時,浮力向上托舉浮體。實際水位比平衡水位低時,浮體受重力影響向下運動。 G排水質(zhì)量- G 浮體質(zhì)量=F作用力 (F大于0時,作用力向上;F小于0時,作用力向下) (1)水面浮體帶動轉(zhuǎn)子的數(shù)值計算(模擬同波浪條件下,受力數(shù)據(jù)表,證實轉(zhuǎn)子受力穩(wěn)定性) 錨固水下懸浮體支撐水面浮體的方案中,能源收集部件轉(zhuǎn)子的扭矩力來源于水面浮體運動帶動的活塞桿,由實時狀態(tài)浮力和平衡狀態(tài)浮力的差值決定。水面浮體的捕獲效率和工作狀態(tài)的穩(wěn)定性也是至關(guān)重要的;趯υO(shè)計要求和現(xiàn)實數(shù)據(jù)的獲取,在模擬實驗中按體積比例尺1:180制作長度0.5米,寬度0.5米,高度0.4米,質(zhì)量50kg的水面浮體。水面浮體在水面靜止漂浮時,吃水線高度為20cm。在水池底部和浮體上方設(shè)置固定轉(zhuǎn)子以及拉力測試器。在水池中進(jìn)行加水和減水,模擬水面浮體受海浪抬升下落的行程,得到上浮力和下沉力,通過調(diào)節(jié)拉力器大小,使水面浮體中線保持在水池原始靜止漂浮60cm高度,觀察受力情況并記錄,以下是數(shù)據(jù)表格: 加減水 /cm 水池深度/cm 水面浮體吃水線高度/cm 排水量/立方厘米 與靜平衡60cm高度排水量差值/立方厘米 拉力器受力方向 拉力器受力大小/n 釋放拉力器后水面浮體靜止吃水線位于水池高度 /cm 加水+10 70 30 75000 25000 上↑ 245 70 抽水-10 50 10 25000 -25000 下↓ 245 50 加水+15 75 35 87500 37500 上↑ 367.5 75 抽水-15 45 5 12500 -37500 下↓ 367.5 45 加水+20 80 40 100000 50000 上↑ 490 80 抽水-20 40 0 0 -50000 下↓ 490 40 數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)水面浮體脫離靜止進(jìn)入運動狀態(tài),由實時排水量和靜止漂浮排水量的差值決定最大受力。通過浮體在波浪中上下運動的排水量變換,得到浮體在水中的受力數(shù)據(jù)。同時得到水面浮體連接的活塞桿最大拉力,以及水下懸浮體支撐的穩(wěn)定轉(zhuǎn)子獲得的扭矩力,基于功率公式: 功率 = 扭矩力 * 頻率 / 9549 = ( 扭矩 * 做功半徑(轉(zhuǎn)子半徑) ) * 質(zhì)子在橫波中上下兩次運動 * 波浪頻率 / 9549 = (水面浮體上下行程的受力* 水面浮體上下行程的1/2) * 2 * 波浪頻率 / 9549 波浪能采集裝置商業(yè)化存在的困難很多,波浪能轉(zhuǎn)換器(WEC)的有效運行取決于海浪場和能量轉(zhuǎn)換裝置之間的共振實現(xiàn) 。為了達(dá)到共振效果,使水面浮體捕獲效率更高和更穩(wěn)定的做功,我們進(jìn)行了同體積不同密度的水面浮體測試,利用在波浪帶來同樣的水量勢能環(huán)境下運動高度測量數(shù)據(jù)。在下面數(shù)據(jù)表中顯示,同樣體積下,水面浮體密度大于液體50%時,會減少浮體因波浪帶來的排水向上浮力,水面浮體密度小于液體密度50%時,會減少水面浮體的因重力向下做功質(zhì)量。水面浮體的密度數(shù)值達(dá)到液體密度的50%時,水面浮體的運動和波浪場實現(xiàn)共振的契合。 (以下是同體積長度0.5米*寬度0.5米*高度0.4米,不同密度的水面浮體水位線測量) 液體密度30%的浮體,重30kg,吃水線12cm,排水量30000cm^3。 加減水 /cm 水池深度/cm 水面浮體吃水線高度/cm 排水量/立方厘米 與靜平衡60cm高度排水量差值/立方厘米 拉力器受力方向 拉力器受力大小/n 釋放拉力器后水面浮體靜止吃水線位于水池高度 /cm 加水+10 70 22 55000 25000 上↑ 245 70 抽水-10 50 2 5000 -25000 下↓ 245 50 加水+15 75 27 67500 37500 上↑ 367.5 75 抽水-15 45 0 0 -30000 下↓ 294 45 加水+20 80 32 80000 50000 上↑ 490 80 抽水-20 40 0 0 -30000 下↓ 294 40 液體密度40%的浮體,重40kg,吃水線16cm,排水量40000cm^3。 加減水 /cm 水池深度/cm 水面浮體吃水線高度/cm 排水量/立方厘米 與靜平衡60cm高度排水量差值/立方厘米 拉力器受力方向 拉力器受力大小/n 釋放拉力器后水面浮體靜止吃水線位于水池高度 /cm 加水+10 70 26 65000 25000 上↑ 245 70 抽水-10 50 6 15000 -25000 下↓ 245 50 加水+15 75 31 77500 37500 上↑ 367.5 75 抽水-15 45 1 2500 -37500 下↓ 367.5 45 加水+20 80 36 90000 50000 上↑ 490 80 抽水-20 40 0 0 -40000 下↓ 392 40 液體密度60%的浮體,重60kg,吃水線24cm,排水量60000cm^3。 加減水 /cm 水池深度/cm 水面浮體吃水線高度/cm 排水量/立方厘米 與靜平衡60cm高度排水量差值/立方厘米 拉力器受力方向 拉力器受力大小/n 釋放拉力器后水面浮體靜止吃水線位于水池高度 /cm 加水+10 70 34 85000 25000 上↑ 245 70 抽水-10 50 14 35000 -25000 下↓ 245 50 加水+15 75 39 97500 37500 上↑ 367.5 75 抽水-15 45 9 22500 -37500 下↓ 367.5 45 加水+20 80 40 100000 40000 上↑ 392 80 抽水-20 40 4 10000 -50000 下↓ 490 40 液體密度70%的浮體,重70kg,吃水線28cm,排水量70000cm^3。 加減水 /cm 水池深度/cm 水面浮體吃水線高度/cm 排水量/立方厘米 與靜平衡60cm高度排水量差值/立方厘米 拉力器受力方向 拉力器受力大小/n 釋放拉力器后水面浮體靜止吃水線位于水池高度 /cm 加水+10 70 38 95000 25000 上↑ 245 70 抽水-10 50 18 45000 -25000 下↓ 245 50 加水+15 75 40 100000 30000 上↑ 294 75 抽水-15 45 13 32500 -37500 下↓ 367.5 45 加水+20 80 40 100000 40000 上↑ 392 80 抽水-20 40 8 20000 -50000 下↓ 490 40 (2)增加懸浮體后效果,發(fā)電數(shù)據(jù) 最初,完成水面浮體的密度數(shù)據(jù)對其運動行程影響的研究,然后需要根據(jù)實際發(fā)電的數(shù)據(jù)證實波浪能捕獲情況。在1米寬的波浪涵道中,將水面浮體密度固定為液體密度的50%時,獲取水面浮體上下行程20cm、30cm、40cm的波浪能捕獲數(shù)據(jù)。 時間:運作時間的第X秒 電壓:V 福特 電流:A 安培 功率:W 瓦 浮體運動上下行程20c(100w)m: 時間 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 電壓 0 11.66 18.7 14 13.9 14 14.07 14 14 13.9 14.07 14 14 14 13.9 電流 0 5.83 9.38 7 6.96 7 7.03 7 7 6.96 7.03 7 7 7 6.96 功率 0 68 176 98 97 98 99 98 98 97 99 98 98 98 97 浮體運動上下行程30cm(230w): 時間 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 電壓 0 17.32 28.6 21.26 21.3 21.16 21.3 21.26 21.26 21.26 21.3 21.16 21.16 21.26 21.26 電流 0 8.66 14.3 10.63 10.65 10.58 10.65 10.63 10.63 10.63 10.65 10.58 10.58 10.63 10.63 功率 0 150 409 226 227 224 227 226 226 226 227 224 224 226 226 浮體運動上下行程40cm(410w): 時間 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 電壓 0 27.42 39.62 28.1 28.14 28 28.14 28.07 28.14 27.96 28.1 28.1 28 28.07 28.07 電流 0 13.71 19.81 14.05 14.07 14 14.07 14.03 14.07 13.98 14.05 14.05 14 14.03 14.03 功率 0 376 785 395 396 392 396 394 396 391 395 395 392 394 394 數(shù)據(jù)顯示,在第一個波頻中,發(fā)電數(shù)值低于后期平均數(shù)值。經(jīng)過分析,考慮到水面浮體從靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入第一個波頻后的上下行程是低于后面數(shù)據(jù)均值,低數(shù)值是正,F(xiàn)象。第二個波頻中出現(xiàn)的較高數(shù)值,也是發(fā)電啟動的常見狀態(tài)。 結(jié)論:水面浮體在橫波運動中,可增加排水量對上浮力和受本體質(zhì)量下沉力的數(shù)據(jù)影響,是正相關(guān)的關(guān)系。水面浮體的排水量和本體質(zhì)量由密度決定,所以水面浮體密度的設(shè)計,對于本方案的俘獲波浪能中是至關(guān)重要的。 通過對實驗數(shù)據(jù)整合,可以得到當(dāng)波浪條件滿足水面浮體達(dá)到0.2m上下運動行程時,海底錨固水中懸浮體支撐的方案,有效功率達(dá)到100w。同比例尺1:180放大后的3*3*2(長度3米,寬度3米,高度2米)水面浮體,占海平面9平米,在波浪中達(dá)到0.3米上下運動行程時,轉(zhuǎn)子可以提升為半徑15cm,啟動功率16kw,達(dá)到1米上下運動行程時,轉(zhuǎn)子半徑達(dá)到0.5米,功率184kw。部件的設(shè)計中,考慮到數(shù)據(jù)涉及其因素,也都可以簡化后直觀的展示出來,對裝置性能也是至關(guān)重要的。 展望:在數(shù)據(jù)和原理的條件支持中,波浪能采集裝置可以使用簡易部件,抗侵蝕材料,在低波海況區(qū)域進(jìn)行能量采集。裝置在運作中,利用區(qū)位因素的優(yōu)勢,可以將電力傳送到岸邊進(jìn)行海水的電解氫和氫氣液化。舉例說明,引用《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》2022年第71版數(shù)據(jù),日本2021年平均每天石油液體燃料消費總量335.7萬桶 ,當(dāng)前每立方氫氣的電解耗能最低至為2.23KW•H 。僅從熱值數(shù)據(jù)計算,完成建設(shè)87萬余臺波浪能采集裝置,使用3*3*2(長度3米,寬度3米,高度2米)規(guī)格水面浮體,每臺裝置占海平面9平米,當(dāng)海域浪高滿足水面浮體上下1米行程,所生產(chǎn)電力供給的電解氫產(chǎn)量可以替代日本每日石油消費量,成為日本石油作為液體燃料的替代品。 在未來,我們研究的下一步是利用設(shè)備在一定區(qū)域的布局結(jié)構(gòu)設(shè)計,優(yōu)化水面浮體捕獲波浪能力,以及使用簡易材料部件,提升設(shè)備在海域中的抗腐蝕和生物侵蝕的能力,將以上方案進(jìn)一步實現(xiàn)。(以上內(nèi)容在翻譯和謄寫時或許有錯,我們將非常感謝異議者聯(lián)系作者進(jìn)行更改。) |
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