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洛V叶

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锚固水下悬浮体支撑水面浮体的波浪能采集方案数据分析

摘要：近年来波浪能的研究受到关注，波浪能的采集功率研究在实用商业化中起着至关重要的作用。我们开发了海底锚固的水下悬浮体，用来支撑水面浮体捕获波能的办法。利用水面浮体连接活塞杆带动转子的原理，产生扭矩收集波能。与传统方法相比，实验中的各项数据和量化值影响的效果更简单和直观，离岸式方案获得靠岸式的支点支撑，支持水面浮体在最低0.2米上下运动行程的不规则波中运行，提供一种捕获波浪能的有效办法。

一句话摘要：本文为波浪能低浪高海况下，高效率大规模采集提供新的观点和思路。

关键词：水下悬浮体；支点；波浪能；适应性

引言：随着全球能源消耗加剧，以及碳排放问题逐渐凸显。政府和政策制定者推动新的计划，以探索替代可再生能源。波浪能作为绿色可持续的海洋能，储量巨大，据估算，全球波浪能总功率为2.2×109～2.7×109kW[1] 。如何在日常海况的低浪高中将波浪能进行高效率的大规模开发，对世界发展具有重要意义。波浪能采集装置商业化存在的困难很多，波浪能转换器（WEC）的有效运行取决于海洋波浪场和能量转换装置之间的共振实现[2] 。现有技术解决方案中，所面临的采集效率，是波浪能采集商业化的重点问题。我们的目的是通过提高在一定面积海域内的波浪能采集效率，降低每度电的发电成本，从而进一步推动波浪能商业化的进程。
能源消耗结构在世界经济和人类生活中的影响越来越重要。例如，受经济周期和俄罗斯乌克兰冲突影响，世界能源价格上涨，纽约期货交易所数据显示，原油价格从2021年12月的70美元上涨到2022年5月的130美元，涨幅85.7%，天然气价格从2022年1月的3.4美元上涨到2022年8月的10美元，涨幅135%。民众受能源涨价影响，生活质量普遍下降。
在多种因素影响下，将波浪能高效的转换为可用能源具有挑战性。这些挑战来源于恶劣的海洋环境、普遍低波高的开发环境以及实施中有效的能源转换技术。过去的研究人员根据各种概念，开发了许多不同的波浪能量转换技术。例如，风能和波浪能的组合技术或纳米摩擦技术概念已经显示出有希望的结果。其中对于波浪能技术PTO（power take off）装置的设计原理，是将海面的波浪变化作为采集能量的来源。

在观察中，波浪的运动是纵波和横波的混合体组成。纵波也被称为前进波，质点运动和传播方向一致，水平运动能量最大，常见适用于推进作用；横波也被称为剪切波，质点运动和传播方向垂直并复位，垂直运动能量最大，和机械重复运动并复位的特征相似，适用于能量传递的作用。

例如在常见的汽车活塞运动中，发动机转子的扭矩力，来源于质点在横波上下运动中的做功。
然而，对上述信息的理解，研究人员在过去做了大量的技术方案，也是在这个步骤中产生了很多想法和分歧。为了优化部件构造和便于理解，我们首先将水面浮体直接结合活塞运动部件，进行对理想化步骤的分析，水面浮体在波浪条件下的垂直运动，带动转子产生扭矩。

锚固水下悬浮体支撑水面浮体模型：基于对上述步骤的实现，必须提供一个稳定的支点，为转子提供相互作用力的支撑。我们开发了由海底锚固柔性链接的水下悬浮体，拥有锚固在海底的向下作用力，和由水下悬浮体提供的向上浮力，支撑转子运动。与传统波浪能设计相比，这个方案具有海岸式的稳固支点条件和离岸式波浪能巨大储量的开发潜力。
下面演示图中，绿色为柔性绳索链接，红色为刚性连接，蓝色长方体为浮体。

数值求解方法：

受横波引起的水位变化影响，水面浮体的浮力在不停变换。但浮体在水中的浮力，仍然可以用浮力定律进行测算。包括F浮力，G本身质量，G浮体质量，F作用力。
当水面静止时，F浮力 = G 排水质量，浮体处于静止漂浮状态。
在海浪横波的时域变换中，实际水位比平衡水位高时，浮力向上托举浮体。实际水位比平衡水位低时，浮体受重力影响向下运动。

G排水质量- G 浮体质量=F作用力  （F大于0时，作用力向上；F小于0时，作用力向下）

（1）水面浮体带动转子的数值计算（模拟同波浪条件下，受力数据表，证实转子受力稳定性）
锚固水下悬浮体支撑水面浮体的方案中，能源收集部件转子的扭矩力来源于水面浮体运动带动的活塞杆，由实时状态浮力和平衡状态浮力的差值决定。水面浮体的捕获效率和工作状态的稳定性也是至关重要的。基于对设计要求和现实数据的获取，在模拟实验中按体积比例尺1：180制作长度0.5米，宽度0.5米，高度0.4米，质量50kg的水面浮体。水面浮体在水面静止漂浮时，吃水线高度为20cm。在水池底部和浮体上方设置固定转子以及拉力测试器。在水池中进行加水和减水，模拟水面浮体受海浪抬升下落的行程，得到上浮力和下沉力，通过调节拉力器大小，使水面浮体中线保持在水池原始静止漂浮60cm高度，观察受力情况并记录，以下是数据表格：

加减水
/cm 水池深度/cm 水面浮体吃水线高度/cm 排水量/立方厘米与静平衡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 释放拉力器后水面浮体静止吃水线位于水池高度 /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

数据显示，当水面浮体脱离静止进入运动状态，由实时排水量和静止漂浮排水量的差值决定最大受力。通过浮体在波浪中上下运动的排水量变换，得到浮体在水中的受力数据。同时得到水面浮体连接的活塞杆最大拉力，以及水下悬浮体支撑的稳定转子获得的扭矩力，基于功率公式：
功率 = 扭矩力 * 频率 / 9549
         = ( 扭矩 * 做功半径（转子半径） ) * 质子在横波中上下两次运动 * 波浪频率 / 9549
         = (水面浮体上下行程的受力* 水面浮体上下行程的1/2) * 2 * 波浪频率 / 9549

波浪能采集装置商业化存在的困难很多，波浪能转换器（WEC）的有效运行取决于海浪场和能量转换装置之间的共振实现。为了达到共振效果，使水面浮体捕获效率更高和更稳定的做功，我们进行了同体积不同密度的水面浮体测试,利用在波浪带来同样的水量势能环境下运动高度测量数据。在下面数据表中显示，同样体积下，水面浮体密度大于液体50%时，会减少浮体因波浪带来的排水向上浮力，水面浮体密度小于液体密度50%时，会减少水面浮体的因重力向下做功质量。水面浮体的密度数值达到液体密度的50%时，水面浮体的运动和波浪场实现共振的契合。
（以下是同体积长度0.5米*宽度0.5米*高度0.4米，不同密度的水面浮体水位线测量）
液体密度30%的浮体，重30kg，吃水线12cm，排水量30000cm^3。
加减水
/cm 水池深度/cm 水面浮体吃水线高度/cm 排水量/立方厘米与静平衡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 释放拉力器后水面浮体静止吃水线位于水池高度 /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

液体密度40%的浮体，重40kg，吃水线16cm，排水量40000cm^3。
加减水
/cm 水池深度/cm 水面浮体吃水线高度/cm 排水量/立方厘米与静平衡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 释放拉力器后水面浮体静止吃水线位于水池高度 /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

液体密度60%的浮体，重60kg，吃水线24cm，排水量60000cm^3。
加减水
/cm 水池深度/cm 水面浮体吃水线高度/cm 排水量/立方厘米与静平衡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 释放拉力器后水面浮体静止吃水线位于水池高度 /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

液体密度70%的浮体，重70kg，吃水线28cm，排水量70000cm^3。
加减水
/cm 水池深度/cm 水面浮体吃水线高度/cm 排水量/立方厘米与静平衡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 释放拉力器后水面浮体静止吃水线位于水池高度 /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）增加悬浮体后效果，发电数据
最初，完成水面浮体的密度数据对其运动行程影响的研究，然后需要根据实际发电的数据证实波浪能捕获情况。在1米宽的波浪涵道中，将水面浮体密度固定为液体密度的50%时，获取水面浮体上下行程20cm、30cm、40cm的波浪能捕获数据。

时间：运作时间的第X秒
电压：V 福特
电流：A 安培
功率：W 瓦

浮体运动上下行程20c（100w）m：
时间 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42
电压 0 11.66 18.7 14 13.9 14 14.07 14 14 13.9 14.07 14 14 14 13.9
电流 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

浮体运动上下行程30cm（230w）：
时间 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42
电压 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
电流 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

浮体运动上下行程40cm（410w）：
时间 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42
电压 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
电流 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

数据显示，在第一个波频中，发电数值低于后期平均数值。经过分析，考虑到水面浮体从静止状态进入第一个波频后的上下行程是低于后面数据均值，低数值是正常现象。第二个波频中出现的较高数值，也是发电启动的常见状态。

结论：水面浮体在横波运动中，可增加排水量对上浮力和受本体质量下沉力的数据影响，是正相关的关系。水面浮体的排水量和本体质量由密度决定，所以水面浮体密度的设计，对于本方案的俘获波浪能中是至关重要的。

通过对实验数据整合，可以得到当波浪条件满足水面浮体达到0.2m上下运动行程时，海底锚固水中悬浮体支撑的方案，有效功率达到100w。同比例尺1：180放大后的3*3*2（长度3米，宽度3米，高度2米）水面浮体，占海平面9平米，在波浪中达到0.3米上下运动行程时，转子可以提升为半径15cm，启动功率16kw，达到1米上下运动行程时，转子半径达到0.5米，功率184kw。部件的设计中，考虑到数据涉及其因素，也都可以简化后直观的展示出来，对装置性能也是至关重要的。

展望：在数据和原理的条件支持中，波浪能采集装置可以使用简易部件，抗侵蚀材料，在低波海况区域进行能量采集。装置在运作中，利用区位因素的优势，可以将电力传送到岸边进行海水的电解氢和氢气液化。举例说明，引用《BP世界能源统计年鉴》2022年第71版数据，日本2021年平均每天石油液体燃料消费总量335.7万桶，当前每立方氢气的电解耗能最低至为2.23KW•H 。仅从热值数据计算，完成建设87万余台波浪能采集装置，使用3*3*2（长度3米，宽度3米，高度2米）规格水面浮体，每台装置占海平面9平米，当海域浪高满足水面浮体上下1米行程，所生产电力供给的电解氢产量可以替代日本每日石油消费量，成为日本石油作为液体燃料的替代品。
在未来，我们研究的下一步是利用设备在一定区域的布局结构设计，优化水面浮体捕获波浪能力，以及使用简易材料部件，提升设备在海域中的抗腐蚀和生物侵蚀的能力,将以上方案进一步实现。（以上内容在翻译和誊写时或许有错，我们将非常感谢异议者联系作者进行更改。）

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