海上浮动式波浪动力装置的波浪式光伏混合发电系统外文翻译资料

 2022-09-22 10:09

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海上浮动式波浪动力装置的波浪式光伏混合发电系统

    大泽,日本海洋地球科学和技术局

       2-15natsushima CHO

       237-006日本横须贺

    刚宫崎骏,日本海洋地球科学和技术局

       2-15natsushima CHO

       237-006日本横须贺

  摘要:时至今日,日本的海洋地球科学和技术局已经针对波浪能的提取技术进行了很多年的研究和发展。特别是,已经从1987年开始工作的被称之为“大鲸鱼号”的离岸漂浮式的波浪发电装置。这个公海海洋测试研究开始于1998年的9月10号。调查研究直至2002年的3月才产生结果。将可再生的能源转换成电能,不仅仅是去提高电能的转化效率是重要的,而且要将发电包括供需平衡已经系统结合等问题进行有效的处理也是重要的。尽管已经有了发电技术的经验积累和飞轮储存能量的提议等,至于这种方式,发电的装置也因为需求而变得不同,因此它也成为了造价上升的因素。

总体来说,当处于好天气的时候浪花比较小,然而,当恶劣天气的时候,浪就高了。对于这个因素,在每一个周期里它可以通过光伏或者波浪能发电装备来完成,可以平衡而又稳定的产生电量。这篇文章主要描述了证实运用太阳能和波浪能相结合运用于在离岸发电装置“大鲸鱼号”中的光伏循环发电系统与波浪能发电装置相结合中的系统中进行一种尝试。

  1. 介绍

对于将可再生能源转化成电能,不仅仅提高电能的转化效率是重要的,而且要将发电包括供需平衡已经系统结合等问题进行有效的处理也是重要的。海洋由于其巨大的面积而蕴含丰富的想波浪能风能以及太阳能等可再生能源。由此,这些可再生能源正在被转化成各样的可再生能源产物。

总体来说,当处于好天气的时候浪花比较小,然而,当恶劣天气的时候,浪就高了。

对于光伏发电装置而言,每一个周期之间可能需要进行补充是非常不利的。也就是说大量的平流电可能用于光伏发电和波浪能发电装置。

在这篇文章里,主要讲述了通过广阔的海洋将可再生能源运用于在离岸漂浮式的波浪能发电装置“大鲸鱼号”的波浪能发电装置混合发电系统中的一个探索结论。

二 “大鲸鱼号”中的波浪能光伏混合发电系统

“大鲸鱼号”是一个由日本的海洋地球科学和技术局开发的离岸漂浮式的波浪能装置

自从1998年9月至2002年3月,大鲸鱼号就开始在日本的西南镇三重县度会郡进行海上试验。过去三年半所收集的数据已经被分析。不幸的是,“大鲸鱼号”在进行完海上试验后被报废了。

“大鲸鱼号”有一个波浪能发电系统与光伏发电系统相结合的发电系统。

海上浮动式波浪动力装置“大鲸鱼号”

A“大鲸鱼号”的波浪能发电设备

“大鲸鱼号”有一个被称之为水柱震荡式的波浪能系统。位于“大鲸鱼号”身体的前端有3个水箱和一个气室。当波浪进入了这些气室,在气室中的水就会升起和降落。因此,气流就会通过位于气室上端的喷嘴进入和喷出气室。这些步骤被称之为“初步转化”,波浪能被转化成气流的动能。

在每一个气室的上端,正如图2所示,会有一些串联式的水井式的涡轮被安置在上面。这些涡轮被先前初步转化成的气流动能带动而旋转。感应发电机直接与涡轮的旋转的轴承相连接而被带动旋转从而产生电能。这被称之为第二步转化步骤,气流的动能被转化成了电能。从气室到感应发电机“大鲸鱼号”有3套连续统装置,包括2套输出额定功率为30千瓦的交流电机和一套额定输出功率为50kw或者选择为皮带传动功率为10kw的交流发电机。

B “大鲸鱼号”的光伏发电设备

“大鲸鱼号”的光伏发电系统是一个名义上最大输出功率为10kW的由10块太阳能电板并联而成的单晶体太阳能电池板组合体。每一个电板由18块名义上输出功率为55.6w的太阳能电板串联而成(图3)。通过针对发电效率而进行的一整年的对附近海洋利用气象数据探测调查研究的结果显示,每一块电板都与地平线倾斜20度的角度倾斜安置。图4展示了“大鲸鱼号”的光伏发电系统的发电装置的整体布局。

   图3“大鲸鱼号”的光伏发电系统

C “大鲸鱼号”的发电系统

“大鲸鱼号”上安置了可以存储500AH电量的电池装置。。这个电池容易可以储存由波浪能和光伏发电所剩余的电量,当没有波浪能和光伏发电产生电量时它可以连续10小时为负载提供电量。“大鲸鱼号”也安置了额定输出功率为20千瓦的辅助发电机,因此,当没有波浪能和光伏发电产生电量时,“大鲸鱼号”的电力系统也可以正常供电。图5展示了一组“大鲸鱼号”的发电系统的图表。“大鲸鱼号”的负载比如它的测量系统通过一个转化器将直流电转化成交流电(60HZ,200V)从而实现为其供电。

        图4光伏发电的整体布局

          图5强大的鲸鱼发电机系统的一个线路图

三 “大鲸鱼号”在公海的试验数据的测量和分析

不规则的波浪所带来的波浪能与E有直接的关联,它可以根据测出波浪相应的高度得到波浪的范围S(w)以及波浪团的速度(w)从而根据相应的公式的到波浪能的总量.

(3.1)

在这里,P标售液体的密度,g表示重力加速度。相应的波浪高度可以利用安装在“大鲸鱼号”前端的(约50米)海洋底部的超声波浪传感器测量得到。波浪团的速度(w)可以通过下式得到。

(3.2)

此处,h表示水的深度,k表示一下所描述的波浪的型号。

(3.3)

由此,进入气室的相应的波浪团的能量可以通过气室B喷嘴的宽度利用以下公式求得 (3.4)

B气流能量的分析

 表示就如每日一个气室的气流的能量可以通过(3.5)得到,利用安装在气室内部的容积式波浪高度感应器测得气室内部的波浪水平N,以及利用安装在气室内部的压力传感器活得压力值P。

(3.5)

此处,表示测量的时间,t表示积分参数值(表示物理上的时间)

C 涡轮的能量分析

 表示涡轮机的能量,在测量期间根据下列公式利用涡轮机所旋转的圈数N以及利用安装在涡轮机轴承上的转矩传感器获得涡轮机的转矩T。

(3.6)

此处,M表示测量期间所测量的数据的个数。

D波浪能发电机与光伏发电装置的电量输出

在“大鲸鱼号”的系统中,波浪能所产生的交流电通过转化器被转化成了直流电。波浪发电系统,光伏发电系统以及储存点半系统都与直流回路相连。“大鲸鱼号”的负载系统,可以通过转化器将直流电转化成稳定频率的交流电从而为负载供电。波浪能发电装置的输出量可以通过转化器所测得的直流电的电压和电流所求得。光伏发电装置的输出量可以通过测量光伏发电系统的直流电的电压和电流求得。

四“大鲸鱼号”海上试验的结果

A“大鲸鱼号”波浪发电装置的特征

 表格1展示了从1998年7月至2001年12月海上试验期间的真正意义上的波浪高度分布频率。从这个表格上可以看出,从0.5米至1.0米的有效波以及有效波周期为6.0至8.0秒的波浪展现出更高的价值。特别是,波浪的波高小于1.0米的出现频率大约为百分之八十。

因此,公海海洋探测的条件必须是平静的海洋条件。然而,开放式的海洋试验场在一年中被台风集中多次。在过去的一年里,有时候会有像“太湖湾”的大台风击中实验平台。

  表1测试地区的有效海浪的高度分布频率

在“大鲸鱼号”进行海上试验期间,台风击中了实验平台好几次。当台风击中它的时候,测试到有效波浪的高度竟然高达9.6米。因此,结构和系泊的设计一直是一个严重的问题。图6显示比较波高的结果,涡轮旋转数和生成输出(一号发电机50kw 二号三号发电机30kw)

图6时间序列的波形高度,旋转速度和电量的输出

在这个情况下,有效波浪的波高为1.7米,有效波周期为7.0秒。在“大鲸鱼号”的涡轮发电系统中,当涡轮机的旋转数超过额定转速时,产生的输出变为固定的弱磁场控制。从这些数据中可以看出,这些控制件已经于一号发电机与2号发电机配合正常了。当涡轮的转速超过额定转速时,“大鲸鱼号” 的初级转换效率,第二级转换效率以及总的转换效率可以被定义为如下所示:

4.1
4.2

4.3

此处,表示入射波的能量,表示空气柱的输出能量,表示电量输出。从图表7至图表9可以看出,在这种高的海浪情况下初级转换效率与总的转换效率。

图7大鲸鱼号的初级转换率

图八“大鲸鱼号”第二级转换效率

图9有效波浪周期与总的转换效率的关系

在“大鲸鱼号”上,初级转换效率取决于波浪周期而不是波浪高度。第二级转换效率不取决与波浪的高度和周期因为它是固定的。由此,它指出了总的转换效率总体取决于波浪周期。总转换效率峰值期,如图九所示,给出了OWC的自然周期与表格1一致的频率和峰值波周期。因此,“大鲸鱼号”似乎已经超越了所期望的发电特性。

B“大鲸鱼号”的光伏发电特性

图表10显示了,从2000年10月至2001年11月期间的每一个季节里,在“大鲸鱼号”上,每个小时的太阳倾斜辐射量与光伏发电系统的转换率的关系。在这些图表里,“冬季”表示从12月到2月,春季表示从3月至5月,“夏季”是指从6月到8月,秋季是指从9月到11月。太阳倾斜辐射量是指在“大鲸鱼号”上所观察到的测量值。太阳能发电系统的效率被定义为光伏发电的输出量除以太阳的倾斜辐射量以及发电系统的容量。根据NEDP(新能源和工业技术开发组织,日本)组织的定义,在连续照射下,每一年的太阳能发电系统效率的平均值已被设置为65%-80%。对于这次开放的海上测试,太阳能发电系统显示的效率值是一般从约65%至90%的范围内,平均的效率值为75%。因此,在“大鲸鱼号”上光伏发电系统的工作是理想的。

从图10可以看出,在在夏季的太阳辐射量增加的情况下,系统效率的值会降低。这些结果与当太阳板的电池温度下降发电效率就可能会下降的调查结果一致。图11展示了在夏季和冬季里,时间序列数据与温度以及太阳的倾斜辐射量与系统的效率的关系。处理这些结果时,有时候当太阳辐射量迅速波动时,系统的效率也会剧烈的波动。因此,当云层暂时通过时,阳光就会被阻断,导致发电效率剧烈波动。在图10里,它显示了在从秋季至冬季期间,发电系统的效率剧烈的变化由于太阳辐射量从0.3kw每平方米至0.8没平方米之间剧烈的变化。“大鲸鱼号”已经被系泊,它的方向角为157.5度的东南风向。

在冬至里的10点25分,在测试点“大鲸鱼号”会直接面向太阳(太阳的直射角为157.5度)。在这个小时里,太阳的高度角为28.3度。由于太阳高度角的经角为31.9度,太阳照射“大鲸鱼号”左旋的辐射量小于同期照射在右旋的太阳辐射量。进一步的来说,它可以被认为是在三维空间上太阳与“大鲸鱼号”的关系,当秋季和冬季太阳高度角的变低使得太阳电池板的后排已经进入了前排的阴影之中。因此,在某些时候不是所有的太阳板都可也得到阳光。因此,它可以被认为是在这些时候光伏发电系统的效率极度低于其他时候的原因所在了。此处,辐射计被安装在太阳板的前端用于测量太阳的辐射量。

图10光伏发电效率与太阳辐射的关系

图12对前述的调查做了解释,显示了冬季上午11点之前与上午11点之后太阳的辐射量与转换系统地转换率之间关系的对比结果。从这个图表中可以看出,在11点之前几乎所有的情况下发电系统的效率下降。然而,上午点之后的结果并没用剧烈的波动。由此,前面所提到的假设可能是正确的。另外,在秋季的数据显示,调查的结果也是一样的。

图11典型的时间序列,温度,辐射和系统效率在夏季(上)和冬季(下)

图12辐射和系统效率之间的关系(2000年12月1日-2001年11月1日)

C波浪发电系统输出与光伏发电系统输出之间的关系

在这一部分,首先调查了波浪发电系统是否与光伏发电系统之间是否存在互补的关系。换句话说,它验证了当波浪发电系统的发电量减少时光伏发电量是否对对其进行补充,或者反之亦然。图13显示了在2001年5月波浪发电与光伏发电的时间序列。在这些数据中,已经包括了期间与光伏发电有关的丢失数据(2001年4月至2001年7月).从这些图表中可以看出当波浪发电的发电减少时,波浪发电与光伏发电之间可能存在互补,反之亦然。

在这次海上试验中,尽管波浪能发电量与光伏发电量间存在着不同,然而有些事情看上去是充满了期待的,两者之间除了夜晚只玩存在着互补的关系,此外,在“大鲸鱼号”上发电量总产量的季节变化性,在冬季里有时候波浪能发电不理想时光伏发电可以连续不断地产生电量,因此有时候光伏发电比波浪能发点有着更大的贡献。在“大鲸鱼号”测试地点日本太平洋海岸的水文条件有个春季浪比秋季浪高,冬季浪最低的趋势。在测试地点的气候条件是,夏季太阳辐射量增加,冬季减少。由此看来,在日本的另一侧海岸线上有一个夏季波浪比较低冬季波浪较高的趋势,因此,混合发电系统有时候比波浪发电系统的输出量更具有效率。

在图14中,5月16号和5月31号,大的发电输出量记录了波浪发电和光伏发电。在这些天中,海上试验区域是好天气,但是低压气流通过了测试海域的南面。海浪高度由于低压空

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