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海洋波浪能是一種取之不竭的可再生清潔能源，而波浪發(fā)電是波浪能利用的主要方式。通過(guò)波浪能裝置將波浪的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械的、氣壓的或液壓的能量，然后通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣輪機(jī)、水輪機(jī)或油壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。就波浪現(xiàn)象而言，雖然只是海水質(zhì)點(diǎn)在原地的起伏運(yùn)動(dòng)，但它的運(yùn)動(dòng)能量十分巨大，破壞力也大得驚人。目前世界各國(guó)已經(jīng)提出了超過(guò)4000種波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)，但是真正能經(jīng)得起海浪考驗(yàn)的發(fā)電裝置不多，不少裝置已損壞（岸式）或沉沒(méi)（船式）。基于2011年國(guó)家海洋局項(xiàng)目“惡劣海況下高效穩(wěn)定波浪發(fā)電裝置”的研究設(shè)計(jì)，對(duì)該項(xiàng)目中擬設(shè)計(jì)的浮子式波浪發(fā)電裝置浮筒及導(dǎo)向柱在不同海況下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析。
舟山群島分布密集，港灣眾多，離陸較遠(yuǎn)，海面風(fēng)大浪高，眾多邊遠(yuǎn)島嶼存在用電難、用電貴等難題。波浪發(fā)電裝置在遠(yuǎn)近海域都可以實(shí)施，可有效解決邊遠(yuǎn)島嶼用電難題。它的應(yīng)用范圍除了向電網(wǎng)系統(tǒng)供電外，還可以為邊遠(yuǎn)海島、漁場(chǎng)、海港、單井石油平臺(tái)等提供清潔能源，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。
目前國(guó)內(nèi)外較為成熟的波浪能發(fā)電裝置主要有振蕩水柱式波能裝置、擺式波能裝置、聚波水庫(kù)波能裝置、振蕩浮子式波能裝置等。但是考慮到振蕩水柱式波能裝置二級(jí)能量轉(zhuǎn)換效率較低，擺式波能裝置對(duì)于偏遠(yuǎn)海島維護(hù)較為不便，且舟山群島海岸多為平坦，不利于聚波水庫(kù)的大范圍推廣，故選取了轉(zhuǎn)換效率比較高、建造容易、成本低廉的振蕩浮子式波能裝置。同時(shí)，由于舟山海域海況較為復(fù)雜，浮子容易受到惡劣海況的破壞。因此，設(shè)計(jì)浮子可以吊起，脫離海面，以保護(hù)其不被損壞。該裝置安裝水域平均水深為7m，上層建筑和裝置布置如圖所示。波浪發(fā)電裝置的浮筒布置方向與波浪運(yùn)動(dòng)方向垂直，導(dǎo)向柱一端打入海底，另一端與上層建筑固定，設(shè)計(jì)的浮子為一圓柱。
應(yīng)用PATRAN有限元分析軟件建立高低水位時(shí)浮筒及導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)模型，其X、Y軸沿浮筒半徑方向，Z軸沿浮筒高度方向垂直向上，模型采用板單元和梁?jiǎn)卧M，如圖所示。同時(shí)為保證浮筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)在浮筒內(nèi)采用圈板及軸向肘板來(lái)加強(qiáng)浮筒的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部構(gòu)造如圖所示。考慮到導(dǎo)向柱兩端分別與海底及上層建筑結(jié)構(gòu)固定，因此在導(dǎo)向柱兩端施加剛性約束。
波浪發(fā)電裝置中，浮筒及導(dǎo)向柱承受的主要載荷有：（1）結(jié)構(gòu)自身重量，即浮筒和導(dǎo)向柱的結(jié)構(gòu)重量，本文中以重力加速度的方式加載；（2）海水壓力，包括海水靜壓力以及波浪引起的海水動(dòng)載荷。由于潮汐的存在，在一個(gè)潮汐周期中，浮筒將由高水位向低水位緩慢移動(dòng)。由于波浪的周期性變化，浮筒在一個(gè)波浪周期中又有吃水的變化。與波浪周期相比，潮汐周期相對(duì)較長(zhǎng)，因此將潮汐水位看成靜態(tài)來(lái)計(jì)算。本文將分別計(jì)算浮筒高低位不同吃水下的工況。換言之，將對(duì)浮筒及導(dǎo)向柱在高潮水位和低潮水位，及3個(gè)相對(duì)位置時(shí)的載荷工況，以及針對(duì)海上惡劣風(fēng)暴（風(fēng)暴自存）的工況，共7個(gè)工況條件下進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。海水壓力由靜水壓力和波浪力兩部分組成。（1）靜水壓力。由于浮筒和導(dǎo)向柱與波長(zhǎng)相比，尺度均較小，柱體的存在對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)無(wú)顯著影響。因此裝置所受到的水平波浪力可根據(jù)莫里森公式計(jì)算。
根據(jù)API規(guī)范分別選取為1.2和1.8。而波浪計(jì)算則采用線性波理論。擬設(shè)計(jì)的波浪發(fā)電裝置浮體是一個(gè)圓柱體，該浮體漂浮于水面上。其中淹沒(méi)在波浪中的一面遭受波浪力的作用，而另一面不受到波浪力的作用，浮體受到的垂向波浪力作用在浮體底部的圓盤面上，可以使用Froude-Krylov理論來(lái)計(jì)算。
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