适合中国海域运行的，比点头鸭更优的波浪能转换装置设计概念

近一年前我写了一篇博文，题为[最优秀的波浪能转换装置发明及其遭遇]，其内容即是关于点头鸭的。当然，我认为点头鸭是至今最优秀的波浪能转换装置设计。但是，它还不是最完善的，在技术上仍然有缺点，如，面对波浪来向必须有三至四十个单元串联在一起宽达一公里才能有效运行，也就是说，要建造的话，其发电总容量必须高达六十兆瓦，所以那些风险投资者望而却步，不愿意投大资本冒险来建造这种波浪能转换装置。

在我前面的博文[点头鸭的秘密]里解释了点头鸭装置的流体基本原理，它等效于一个波能捕捉浮体及一个海上固定体。海上固定体对来波作用产生驻波效应，导致波浪对那个波能捕捉浮体的作用力可以提高达百分之一百，从而达到高波浪能转换的目的。要知道，要让一个大型物体在大浪中固定不动的建造代价一般来说是难以承担的。点头鸭能转换波浪能，就必须让它绕着一条固定轴摇晃。所以，点头鸭的发明者Salter教授利用海上波浪的不规则性特征，让三至四十个点头鸭单元有一条共同的宽达一公里的可弯曲的主轴以达到相对固定的目的。

下面我想介绍一下一种比点头鸭更优的，适合中国海域运行的波浪能转换装置设计概念。前面已提到过，点头鸭设计等效于一个浮体和一个海上固定体。这个解释Salter教授也认同。此外，Salter教授在与我的通讯交流中还提到，点头鸭设计还兼有Bristol Cylinder效应。英国运用数学家，University of Bristol教授 David V. Evans于1976年经数学推导显示，一设置在水面下的圆柱体能百分之百地捕获波浪能，见文献/1/。所以由此得到的波浪能转换器设计称作Bristol Cylinder波浪能转换器。

现在我开始于点头鸭等效设计，即一个波能捕捉浮体和一个海上固定体，但是把那个海上固定体换成浮动体，见下图。该浮动体由一个横躺着的圆柱结构体和在其上面的长方形箱结构体组成。本设计与点头鸭设计的不同之处在于它利用浮动体与波能捕捉浮体的流体相互作用及动态特性以达到最大波能捕获效率，简单地说，就是让波能捕捉浮体及浮动体在波浪里作尽可能大的相对运动。显然，采用圆柱结构体的目的是能够利用Bristol Cylinder效应。在长方形箱结构体里配有液压缸，液压储能容器，液压马达用来将机械能转换成电能。

为了评估本设计的波能捕捉性能，我利用了文献/2/里的数学模型及BEM流体计算法。BEM即边界有限元计算法。此类数学模型及BEM流体计算法在船舶和海洋工程设计中已被广泛应用。图二显示的是用于流体计算的BEM模型。计算结果显示，该设计在中国海域的波浪情况下，波能捕获率可高于百分之八十。

有人会说，这么简单的东西，有什么优秀可谈的。事实上，从海洋工程角度来说，简单意味着优秀，越是简单可靠性安全性就越强，这是解决海洋工程问题的根本。从经济效益来说，本设计具有非常好的竞争性。波能捕捉浮体和浮动体可用钢筋混凝土作为建筑材料，建造价格相当钢结构来说要低得多。同时，一个基于现有规范设计和建造的钢筋混凝土结构在海洋环境里可以运行至少七十年，而钢结构一般只能二十年左右。作为一个例子，设计发电容量为100kW的波浪能转换装置，本设计需要约50至80吨钢材和500吨混凝土。与此相比，中科院广州能源所设计建造的鸭式漂浮式波浪能电站需要350吨钢材。

       图一    新型的波浪能转换装置设计概念

       图二    用于流体计算的BEM模型

文献

/1/ David V. Evans， A theory of wave power absorption by oscillating bodies，Journal of Fluid Mechanics 77(01):1 - 25 · September 1976

/2/ Jianbo Hua， An integrated energy conversion and storage facility for offshore wind and wave energy exploitation along the west coasts of North America and Europe，JOURNAL OF RENEWABLE AND SUSTAINABLE ENERGY 5, 053135 (2013)