應用改進的算法,優化波浪能轉換裝置陣列,提升系統發電效率

2020-12-03 電氣新科技

天津大學電氣自動化與信息工程學院、國家電網天津市電力公司檢修公司的研究人員方紅偉、宋如楠、馮鬱竹、陳紫薇，在2019年第12期《電工技術學報》上撰文（論文標題為「基於差分進化的波浪能轉換裝置陣列優化」），針對如何有效利用波浪輻射和散射以提升波浪發電系統效率的問題，提出採用差分進化算法對波浪能轉換裝置陣列進行優化排布。

差分進化算法全局搜索能力強並且計算時間少；同時，差分進化算法在精度和收斂速度上沒法兩全且可能會陷入局部解，為了使優化結果更準確，引入了自適應變異算子的概念對差分進化算法進行改進，改進後的算法收斂速度相對較快而且結果準確度高。結合改進算法，分別針對不同浮子數目的陣列進行優化與對比分析。

仿真結果表明，陣列規模越大，浮子之間的互補作用越大，波浪能轉換裝置的效率越高，這驗證了所提陣列優化方案的有效性。

能源是地球的重要財富，地球上蘊藏著大量的能源可供人類使用，然而經過不斷的開採，石油、天然氣、煤等化石燃料逐漸衰竭，不可再生能源的減少使得可再生清潔能源的研究變得尤為重要。

據估計，可再生能源中的海洋能約佔世界能源總量的70%以上，海洋能包括潮汐能、海流能、波浪能、海水溫差能和鹽差能等。相對於海水溫差能、鹽差能以及潮汐能，波浪能和海流能所蘊含的能量密度較大。海洋波浪運動所蘊含的能量密度非常高，據估計，全世界波浪能蘊藏量約為25億kW。

早在百年之前，人類就開始探索利用波浪能進行發電的方法。法國是波浪能轉換裝置研究最早的國家。自20世紀70年代起，英國、挪威、瑞典以及日本等沿海國家均開始把目標投向蘊藏豐富的波浪能，使得波浪能發電裝置迎來首次大規模的研究，開發出了衰減式和點吸收式等多種類型的波浪能發電裝置。此外，美國、芬蘭、丹麥、加拿大等也在波浪能發電方面進行了大量的研究，從而推動了波浪能發電技術的快速發展。

我國作為一個海洋大國，也較早地對波浪能發電技術開展了研究並取得了豐富的成果。從20世紀80年代初開始對振蕩漂浮式和固定式波浪能轉換裝置進行研究，並獲得了較快的發展。我國主要從事波浪能發電研究的單位有十幾個，如中科院廣州能源所、國家海洋技術中心、天津大學和中國海洋大學等。

1990年，由中科院廣州能源研究所研製的「鷹式一號」漂浮式波浪能發電裝置在珠海市萬山群島海域的成功發電標誌著我國海洋能發電技術取得了新突破。緊隨其後，20kW岸式波浪能實驗電站，5kW波浪能發電船，8kW、30kW擺式波浪能實驗電站，100kW岸式振蕩水柱波浪能電站均取得成功。目前，波浪能發電正朝著智能化、直驅式、陣列化等新技術方向發展。

波浪能發電裝置可大致分為點吸收式、消耗式和截止式等。浮子式波浪發電系統屬於點吸收式，通過浮子的上下運動吸收波浪能從而轉化為電能，單一浮子通常不能同時吸收海面不同位置的波浪能，效率較低，而且發電不太穩定，不易於規模發電。

利用多個浮子組成陣列發電，可以使單一浮子發電的這一弊端得到改善。波浪能轉換裝置的陣列優化研究起源於1977年，Budal K. 對點吸收波浪發電裝置間的互相作用進行了簡化計算。Evans D. V. 和Falnes J. 在1980年對該方法進行了修正和完善。Ohkusu M. 將聲學背景下的多體衍射應用於水波，並被Mavrakos S. A. 和Kalofonos A. 應用於軸對稱波能轉換裝置的陣列研究。

Kagemoto H. 和Yue D. K. P. 提出了一種「直接矩陣」方法來解決多體衍射問題，能夠同時求解所有散射波的幅度而無需迭代。Yilmaz O. 和Incecik A.將Garrett的單體解決方案納入Kagemoto H. 和Yue D. K. P. 的陣列相互作用過程，並在所有物體同步移動的情況下，增加了輻射效應。

此後，有學者應用拋物線交叉法和遺傳算法對波浪能轉換裝置的陣列進行優化。Bozzi等通過耦合的流體動力學-電磁模型在時域中模擬陣列，確定了兩個和四個裝置的陣列配置。

除此以外，英國的愛丁堡大學對5個浮子陣列進行了分析，結果顯示在優化狀態下浮子陣列比單個浮子具有更高的波能轉換效率。比利時的Ghent大學在實驗室的造波水槽中進行了5×5浮子陣列的波能轉化實驗，重點研究了各浮子間的相互影響。挪威的奧斯陸大學開發了FO3波力發電裝置，並進行了1：20比例的造波水槽模擬實驗和1：3比例的實海況實驗。

Trident能源公司在Blyth建立的「Trident」號多浮子陣列發電測試系統，其主要特點是浮子間間隙小，並採用直線電機發電。在國內，香港大學開發了Motor Wave陣列式波浪能發電裝置；浙江海洋大學進行了「海院1號」波力發電平臺的開發，具有3個振蕩浮子；中國海洋大學開始研發4浮子波浪發電裝置。

本文研究對象是陣列式浮子式波浪能發電系統，主要貢獻在於對差分算法進行了改進，並利用其對波浪發電陣列布局進行了優化。

圖1 浮子式波浪能發電系統
圖4 改進的差分進化算法流程

總結

本文針對波浪輻射和散射對波浪發電系統效率提升影響顯著的問題，採取了差分進化算法對波能轉換裝置陣列進行優化排布。對差分進化算法中的縮放概率因子進行了優化，並引入了自適應變異因子的概念使得改進後的差分進化算法可在早期獲得較快的收斂速度，而在後期可保持較高的收斂精度。

同時，對變異操作進行了改進，使得每代種群的優化是在該代種群中最優個體的附近進行搜索，這樣保持了每代種群中最優個體的優良特性，節約了大量搜索時間，提高了運算效率。然後利用改進後的算法分別對不同波浪能發電浮子陣列進行了優化布局。

分析結果表明：當陣列規模越大時，浮子之間的影響越大，能提取的輻射和散射波浪能越多；多個浮子構成陣列提取波浪能將單個浮子作用時的總和大大提高。值得注意的是，本文是在規則波浪參數的情況下得到的，該情況下的陣列排布規律與在不規則波浪參數下的情形會有出入，但在工程上基本可以忽略或者影響不大。

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