王 錳 ，李 蒙 ，夏增艷，胡振峨 ，王兵振

浮力擺式波浪能發(fā)電裝置模型試驗(yàn)

王 錳1，李 蒙1，夏增艷1，胡振峨2，王兵振1

(1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.山東省即墨市海洋與漁業(yè)局，山東 青島 266200)

設(shè)計(jì)了一種浮力擺式波浪能發(fā)電裝置，并根據(jù)其原理在實(shí)驗(yàn)室中開展比例模型試驗(yàn)。介紹了該裝置的設(shè)計(jì)原理、試驗(yàn)原理，試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析，并在實(shí)驗(yàn)室模擬波況下，繪制出了波浪能裝置的轉(zhuǎn)換效率曲線。試驗(yàn)顯示，該波浪能發(fā)電裝置具有性能穩(wěn)定，能量轉(zhuǎn)換效率較高，能適應(yīng)小波浪發(fā)電等特點(diǎn)。

浮力擺式；波浪能；發(fā)電裝置；模型試驗(yàn)

在能源消費(fèi)量持續(xù)攀升和傳統(tǒng)能源日趨短缺的環(huán)境下，新能源開發(fā)已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。波浪能作為其中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，在經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累后現(xiàn)已逐步接近實(shí)用化水平[1]。在多種形式的波浪能發(fā)電裝置中，浮力擺式波浪能發(fā)電技術(shù)是新近發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)也是研究的重點(diǎn)。目前，英國(guó)貝爾法斯特女王大學(xué)研制的Oyster波浪俘獲裝置已成功下水示范運(yùn)行[2]。本文設(shè)計(jì)了一種浮力擺式波浪能俘獲裝置，通過(guò)開展1：5比例模型試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)的可行性及裝置的轉(zhuǎn)換效率等問(wèn)題進(jìn)行了研究。

1 發(fā)電裝置工作原理

1.1 系統(tǒng)工作原理

擺式波浪能發(fā)電系統(tǒng)模擬裝置主要由波浪能俘獲部分、液壓轉(zhuǎn)換部分及水輪機(jī)發(fā)電部分組成。其中擺板、液壓缸、擺板底座、重力式基礎(chǔ)位于水下。擺板的擺動(dòng)軸線置于擺板的底部，液壓缸與擺板、底座間均通過(guò)鉸鏈連接。在波浪作用下，擺板繞轉(zhuǎn)軸往復(fù)擺動(dòng)，從而帶動(dòng)液壓缸活塞實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)液壓缸做活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，將從液壓缸中排出帶有一定壓力的水。通過(guò)管路將水輸送到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，帶動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電。系統(tǒng)方案如圖1所示。

1.2 擺式波浪能裝置動(dòng)力特性分析

擺式波浪能發(fā)電裝置在波浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程可以近似簡(jiǎn)化為一個(gè)二階振動(dòng)系統(tǒng)[3-4]，擺板的運(yùn)動(dòng)方程如以下方程式：

由穩(wěn)態(tài)輸出計(jì)算公式可以明顯看出，當(dāng)擺板在水中的固有圓頻率和波浪的圓頻率相等時(shí)，即可獲得較大的擺動(dòng)角度，從而得到能量轉(zhuǎn)化效率的極限值。

不難看出，波浪周期是影響擺板轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。設(shè)計(jì)工作重點(diǎn)圍繞使擺板適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牟ㄖ芷趤?lái)開展。

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 站址海域波浪周期特性

根據(jù)之前項(xiàng)目對(duì)站址海域進(jìn)行的波浪、潮汐調(diào)查與分析等工作，得到的站址海域設(shè)計(jì)波要素和潮汐變化情況如圖2所示。

根據(jù)圖2分析可知全年平均周期約為3.22 s，但在波浪資源較好的夏季則平均周期約為4.0 s。因此擬研建的浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的最佳工作波況對(duì)應(yīng)的平均周期應(yīng)在1.9～4.0 s之間，且盡量靠近4.0 s。

2.2 裝置尺寸

在數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，初步設(shè)計(jì)了擺板結(jié)構(gòu)。擺板裝置由5個(gè)空心鋼管和筋板組成，擺板空心鋼管外徑為Φ920 mm，壁厚8 mm，寬度6 900 mm。總重約為11.74 t，擺板全部沒(méi)入水中時(shí)浮力約為23 t。擺板結(jié)構(gòu)如圖3。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 模型比尺的確定

根據(jù)實(shí)型機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)一種流體模型實(shí)驗(yàn)，確切地說(shuō)是一種液流模型實(shí)驗(yàn)，它要求原型液流和模型液流在力學(xué)上相似。力學(xué)上相似的兩液流應(yīng)當(dāng)滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似和邊界條件相似的要求。

實(shí)體和模型滿足幾何相似的條件是兩者的所有各項(xiàng)相應(yīng)的線性尺度之比為常數(shù)。

式中：λ為縮尺比。

實(shí)體和模型相應(yīng)的體積Δs，Δm之比為：

實(shí)驗(yàn)主要是研究裝置在波浪作用下的輸出功率以及效率，這種情況下，重力和慣性力是決定其受力的的主要因素。因此模型實(shí)驗(yàn)中應(yīng)滿足弗勞德相似定律，即模型和實(shí)體的弗勞德數(shù)(Fr)相等，以保證模型和實(shí)體之間重力和慣性力正確的相似關(guān)系。此外，物體在波浪上的運(yùn)動(dòng)和受力帶有周期變化的性質(zhì)，模型和實(shí)體還必須保持斯特勞哈爾數(shù)(Sr)相似。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叨?、材質(zhì)的選擇與實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿芮邢嚓P(guān)。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的目的，對(duì)模型的主要控制要素是模型的大小、水槽的相關(guān)尺度、水槽所能模擬波浪的能力。由此確定本實(shí)驗(yàn)的模型比尺為1：5。由于加工等限制，難以完全實(shí)現(xiàn)幾何相似。因此，對(duì)主體尺寸方面作了細(xì)微變化，裝置基本滿足幾何相似原理。模型擺板繞其回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在尺寸方面完全與設(shè)計(jì)方案成比例，因此滿足運(yùn)動(dòng)相似準(zhǔn)則。

表1 擺板主體原型和模型參數(shù)表

3.2 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)

輸出功率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)模型實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)曲線監(jiān)視及即時(shí)儲(chǔ)存的方式將壓力、流量相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，為后續(xù)的分析及處理提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由三部分組成（如圖4所示）：測(cè)量采集傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集板卡及上位PC機(jī)。

測(cè)量采集傳感器主要用來(lái)對(duì)液壓系統(tǒng)的流量和壓力以及水流沖擊水輪機(jī)過(guò)程中所產(chǎn)生電能的電壓電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

壓力傳感器選用TBP-3擴(kuò)散硅壓力傳感器，精度范圍0.5級(jí)；流量計(jì)選用LWGY-D40渦輪流量傳感器，精度范圍0.2級(jí)。輸出均為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，為確保信號(hào)的可靠傳輸，在傳感器后端加入信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行信源分離。

數(shù)據(jù)采集卡選用USB數(shù)據(jù)采集板卡。輸入量程為-5～+5 V，轉(zhuǎn)換精度為 12 bit；采樣速率為 31Hz～250 kHz；物理通道數(shù)為32單端通道。該板卡的AD轉(zhuǎn)換參數(shù)指標(biāo)可以充分滿足本實(shí)驗(yàn)的需求。通過(guò)該板卡，將多路采集信號(hào)同時(shí)存儲(chǔ)至上位PC機(jī)中。通過(guò)對(duì)數(shù)值進(jìn)行篩選分析計(jì)算繪制系統(tǒng)的發(fā)電效率曲線。

3.3 數(shù)據(jù)計(jì)算方法

對(duì)瞬時(shí)功率進(jìn)行積分能夠得到能量，因此可以通過(guò)測(cè)量浮力擺式波浪能發(fā)電裝置模型的輸入端能量和輸出端能量之比，來(lái)計(jì)算該模型整體的發(fā)電效率。

由于實(shí)驗(yàn)室條件所限，擺板模型體積較大，對(duì)波浪影響較大，故采用波浪功率估算公式計(jì)算擺板寬度上的入射波功率：

系統(tǒng)輸出液壓能量功率輸出公式：

波浪從擺板入射端到液壓缸輸出端的能量轉(zhuǎn)換效率：

式中：P'為單位寬度入射波功率；P為液壓缸輸出端的平均功率；B為擺板寬度；H1/3為波高；T為平均周期；pi為壓力瞬時(shí)值；qi為流量瞬時(shí)值；nΔt為采集時(shí)間，Δt為 4 ms。

3.4 數(shù)據(jù)處理與分析

為檢測(cè)該發(fā)電裝置在實(shí)驗(yàn)室波況下的工作狀況和性能，需針對(duì)理論計(jì)算結(jié)果及大管島的實(shí)際波況為造波機(jī)設(shè)置波浪數(shù)據(jù)開展實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖5。

根據(jù)實(shí)際情況擬制定試驗(yàn)波況如表2。

在擺板波浪能發(fā)電系統(tǒng)裝置的模擬測(cè)試中，觀測(cè)量主要有波浪的波高、周期，液壓系統(tǒng)的流量和壓力等數(shù)據(jù)。波高和波周期信號(hào)的采集和處理由波流水槽數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成?？芍苯虞敵鲎罱K相關(guān)數(shù)據(jù)。

同步采集到的壓力和流量數(shù)據(jù)如圖6。

通過(guò)利用上述公式計(jì)算出波浪輸入能量、系統(tǒng)輸出能量及系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。并繪制出效率轉(zhuǎn)換曲線如圖7。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得出的效率曲線圖及模型比尺可知，本裝置的最佳工作周期在4～5 s之間，且更接近于4 s，這點(diǎn)與站址海域波況相符合。

表2 試驗(yàn)波況

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種浮力擺式波浪能發(fā)電裝置，并對(duì)裝置模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)室的模擬波況下，對(duì)該發(fā)電裝置

進(jìn)行模型測(cè)試，驗(yàn)證了二級(jí)轉(zhuǎn)換部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的可行性，并通過(guò)計(jì)算分析得出該裝置模型的能量轉(zhuǎn)換效率等重要參數(shù)指標(biāo)。采用該參數(shù)設(shè)計(jì)的浮力擺式波浪能發(fā)電裝置，具有較好的能量轉(zhuǎn)換效率，且能夠在小波浪情況下收集并存儲(chǔ)能量，適合在本項(xiàng)目選定的站址海域投入使用。

[1]任建莉,鐘英杰,張雪梅.海洋波浪能發(fā)電的現(xiàn)狀與前景[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,34(1)∶69-73.

[2]Trevor Whittaker.The development of Oyster-A shallow water surging wave energy converter[EB/OL].2007.http∶//www.aquamarinepower.com/sites/resources/Conferencepapers/2472/The development ofOyster-Ashallowwater surgingwave energyconverter.pdf

[3]夏增艷,張中華,王兵振.擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置固有圓頻率理論計(jì)算研究[J].海洋技術(shù),2011,30(1)∶91-94.

[4]渡部富治，近藤俶郎，谷野賢二，等.關(guān)于在防波設(shè)施配備波浪能源吸收裝置的研究 (2)[C]//第29回海岸工學(xué)報(bào)告會(huì)論文集 (1982),1982∶486-490.

[5]姚領(lǐng)田.MFC窗口程序設(shè)計(jì)[M].北京：水利水電出版社,2007.

[6]左健民.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

Model Test of Buoyant Pendulum Wave-power Generation Device

WANG Meng1,LI Meng1,XIA Zeng-yan1,HU Zhen-e2,WANG Bing-zhen1
(1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;2.Ocean&Aquaculture Bureau of Jimo City,Qingdao Shandong 266200,China)

A type of buoyant pendulum wave-power generation device was designed and its model test in the laboratory was given according to its principle.The principles of the test,experimental design,data processing and results analysis were briefly introduced.Under wave simulation in the lab,the wave energy conversion efficiency curve was obtained.According to the results of such test,it has been proved that this wave power generation device has stable,high energy conversion efficiency and can be suitable for small wave power generation.

buoyant pendulum;wave energy;power generation device;model test

P743.2

A

1003-2029（2013）01-0079-04

2012-04-11

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2008BAA15B02)

王錳(1988-)，男，本科，研究方向?yàn)楹Ｑ竽苎b置檢測(cè)技術(shù)。