海洋資料浮標(biāo)波能供電裝置數(shù)值模擬研究

趙環(huán)宇 ，孫金偉,2 ，范秀濤 ，郭發(fā)東 ，張繼明 ，柴輝

(1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100)

【海洋科技與裝備】

海洋資料浮標(biāo)波能供電裝置數(shù)值模擬研究

趙環(huán)宇1，孫金偉1,2，范秀濤1，郭發(fā)東1，張繼明1，柴輝1

(1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100)

海洋資料浮標(biāo)的電源補(bǔ)給問題是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文以浮標(biāo)現(xiàn)有技術(shù)參數(shù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬研究以浮標(biāo)標(biāo)體作為能量吸收系統(tǒng)，傳統(tǒng)齒輪齒條形式作為能量輸出系統(tǒng)，永磁發(fā)電機(jī)配合濾波整流穩(wěn)壓模塊作為電力輸出系統(tǒng)的海洋資料浮標(biāo)波浪能供電裝置的可行性。計(jì)算結(jié)果表明，不考慮各阻尼，浮標(biāo)體在波浪作用下可滿足高轉(zhuǎn)速、低扭矩的500 W三相交流永磁同步發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量，同時(shí)理論計(jì)算發(fā)電機(jī)的輸出電壓可達(dá)到海洋資料浮標(biāo)蓄電池14 V的充電要求。

海洋資料浮標(biāo)；波浪能供電裝置；數(shù)值模擬

海洋資料浮標(biāo)是一種無人值守的能夠自動(dòng)獲取海洋氣象、水文、水質(zhì)等物理、生化參數(shù)的水面漂浮式自動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，具有全天候、全天時(shí)穩(wěn)定可靠地收集海洋資料的能力，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、自動(dòng)標(biāo)示以及自動(dòng)發(fā)送[1]。海洋資料數(shù)據(jù)采集的重要性在世界各國(guó)已上升到戰(zhàn)略高度，因此海洋資料浮標(biāo)的相關(guān)研究及其關(guān)鍵技術(shù)的突破是目前國(guó)際上的發(fā)展趨勢(shì)。

海洋資料浮標(biāo)技術(shù)是復(fù)雜的多學(xué)科理論交匯的產(chǎn)物，其涉及理論力學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、數(shù)據(jù)通信、信號(hào)處理、傳感器技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，總體來說關(guān)鍵技術(shù)可分為六大部分，即浮標(biāo)標(biāo)體、數(shù)據(jù)傳輸與通信、數(shù)據(jù)采集與控制、傳感器、系留系統(tǒng)以及能源供給。我國(guó)在雙向通信交互、水下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、傳感器總線式處理控制技術(shù)方面已處于國(guó)際先進(jìn)水平，但其他技術(shù)如能源供給等方面仍處在模仿階段，缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)[2]。

海洋資料浮標(biāo)的電源系統(tǒng)是浮標(biāo)系統(tǒng)長(zhǎng)期工作的基礎(chǔ)，早期的海洋資料浮標(biāo)并沒有在位的能源補(bǔ)充方式，均采用一次性電池、陸地充電或海上更換電池的方式進(jìn)行電力能源補(bǔ)給。由于海洋資料浮標(biāo)趨于標(biāo)體大型化和傳感器多樣化，因此電力消耗也隨之增大，而傳統(tǒng)電池重量大、體積大導(dǎo)致的海上更換難度增大使得傳統(tǒng)電池的名次逐漸從海洋資料浮標(biāo)的優(yōu)選能源榜下滑。近年來，太陽(yáng)能電池在技術(shù)上和性能上迅速發(fā)展太陽(yáng)能電池陣列具有重量輕、壽命長(zhǎng)、可靠性高、無污染等優(yōu)勢(shì)，為海洋資料浮標(biāo)的使用創(chuàng)造了條件。

但是，環(huán)境溫度的變化對(duì)太陽(yáng)能電池的響應(yīng)度和暗電流有較大的影響，由于光吸收系數(shù)與溫度有關(guān)，隨著海洋資料浮標(biāo)在遠(yuǎn)洋深海極地海域的投放使用，若使用太陽(yáng)能作為單一供電能源，會(huì)導(dǎo)致海洋資料浮標(biāo)在長(zhǎng)期暴雨、無光天氣下無法正常工作，因此多能(太陽(yáng)能、波浪能、風(fēng)能、潮流能等)互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1]。

波浪能是蘊(yùn)藏在水體波浪運(yùn)動(dòng)中的能量，而波浪運(yùn)動(dòng)是海洋運(yùn)動(dòng)的主要形式之一，是由于海水受海風(fēng)及氣壓等作用的影響而產(chǎn)生的波動(dòng)。波浪能是能量?jī)?chǔ)備最豐富的海洋可再生能源，也是全世界研究得最為廣泛的一種海洋能源，同時(shí)也是所有海洋能源中最不穩(wěn)定的一種。雖然與其他常規(guī)能源相比，海洋能整體的能量密度較低，但是在眾多海洋可再生能源中，波浪能的能流密度相對(duì)較大，在某些地方可以達(dá)到100 kW/m，利用價(jià)值相當(dāng)可觀。圖1為Gunn等[3]基于2005—2011年全球波浪場(chǎng)模型NOAA Wave WatchⅢ (WW3)發(fā)布的世界沿岸年平均波功率、波能密度等值線及波向分布圖，箭頭表示平均波向。圖中可見波能資源最為豐富的地點(diǎn)基本聚集在大陸塊的西海岸，波向偏西。波浪能較豐富的區(qū)域主要集中在南緯和北緯40°～60°區(qū)域內(nèi)，南半球所占比例較大[4]。

為了更好地獲得波浪能，本文通過數(shù)值模擬，研究了海洋資料浮標(biāo)的波能供電裝置。

圖1 世界沿岸年平均波功率密度等值線及波向分布圖Fig. 1 Coordinate of buoy motions and annual mean power density

1 波能供電裝置原理

波浪是海面在外力(主要是風(fēng)力)的作用下，海水質(zhì)點(diǎn)離開其平衡位置的周期性或準(zhǔn)周期性的運(yùn)動(dòng)。由于流體的連續(xù)性，運(yùn)動(dòng)的水質(zhì)點(diǎn)必然會(huì)帶動(dòng)其臨近的質(zhì)點(diǎn)，從而導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在空間傳播[5]。簡(jiǎn)單地說，風(fēng)吹過海洋，通過海-氣相互作用把能量傳遞給海水，形成波浪，將能量?jī)?chǔ)存為勢(shì)能(水團(tuán)偏離海平面的位勢(shì))和動(dòng)能(通過水體運(yùn)動(dòng)的形式)[6]。將波浪中的這些機(jī)械能捕獲、傳遞并將其轉(zhuǎn)化為電能是波浪能發(fā)電的關(guān)鍵，因此各種捕能方式以及能量傳遞方式應(yīng)運(yùn)而生。這些波浪能轉(zhuǎn)換裝置都有特定的安裝位置以及固定方式，不同的類型相互組合、配合才能得到最適合海洋條件的裝置。

按照裝置的安裝位置，可將波浪能供電裝置分為離岸式、近岸式和靠岸式3種。按照裝置在海中的錨定方式，可分為固定式和漂浮式2種。按照波浪能的捕獲方式以及能量傳遞方式，可分為振蕩水柱式、聚波越浪式和振蕩浮子式3種[7]。除此之外，還有筏式、擺式、點(diǎn)吸收式、鴨式等形式。

波浪能供電裝置能量系統(tǒng)一般包含三級(jí)能量轉(zhuǎn)換。一級(jí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與波浪直接接觸，捕獲波浪能的過程主要表現(xiàn)為將波浪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或?qū)⒑Ｋ簧咿D(zhuǎn)換為水的勢(shì)能；二級(jí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過空氣透平、空氣葉輪、低水頭水輪機(jī)等設(shè)備將捕獲的波浪能短期儲(chǔ)存為機(jī)械能，并使之轉(zhuǎn)換為更適合用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)能，例如永磁風(fēng)力轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能和直線電機(jī)往復(fù)切割磁感線的動(dòng)能等；三級(jí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要是通過發(fā)電機(jī)將一級(jí)二級(jí)轉(zhuǎn)換來的能量轉(zhuǎn)換成電能，再通過一系列電力變換裝置將收集到的品質(zhì)不良的電能轉(zhuǎn)換成品質(zhì)較好的電能進(jìn)行儲(chǔ)存或使用。

由于海洋資料浮標(biāo)標(biāo)體為漂浮式浮子結(jié)構(gòu)，標(biāo)體隨波浪運(yùn)動(dòng)的同時(shí)就將波浪中的能量轉(zhuǎn)化為了標(biāo)體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，因此與海洋資料浮標(biāo)相結(jié)合的波浪能供電裝置的轉(zhuǎn)換方式便可以振蕩浮子形式設(shè)計(jì)。

2 波能供電裝置設(shè)計(jì)

由于波浪能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)是與海洋資料浮標(biāo)標(biāo)體相結(jié)合進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，浮標(biāo)體作為能量一級(jí)轉(zhuǎn)換的吸收裝置，其尺寸大小、重量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、重心、浮心等物理參數(shù)決定了其所受的波浪力的大小，進(jìn)而決定了所能吸收的波浪能的多少，因此就需要浮標(biāo)標(biāo)體在零PTO(power take-off)阻尼以及零電磁阻尼的情況下所受波浪力達(dá)到一個(gè)合適的范圍，才能使得能量輸出系統(tǒng)、電力系統(tǒng)正常工作，才能滿足波浪能向電能的正常的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而滿足海洋資料浮標(biāo)蓄電池的電力供應(yīng)。

另外，波能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)要與標(biāo)體產(chǎn)生足夠的相對(duì)運(yùn)動(dòng)才，能滿足能量從浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能向PTO系統(tǒng)的機(jī)械能(或內(nèi)能)轉(zhuǎn)化，因此整體結(jié)構(gòu)會(huì)在原有標(biāo)體的基礎(chǔ)上進(jìn)行改變，尤其是浮標(biāo)體下部結(jié)構(gòu)以及錨固系留系統(tǒng)，系留系統(tǒng)的形式將區(qū)別于傳統(tǒng)的全錨鏈?zhǔn)?、拉緊型、半拉緊型、松弛型以及彈性系留系統(tǒng)等。本文著重研究浮標(biāo)體的水動(dòng)力學(xué)性能，進(jìn)而研究以浮標(biāo)體作為能量吸收系統(tǒng)進(jìn)行波浪能供電的可行性，因此整體裝置的設(shè)計(jì)以及具體機(jī)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)不做詳細(xì)贅述。

為了更好地獲得波浪能，選擇直徑3 m標(biāo)體的海洋資料浮標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，浮標(biāo)的三維模型以及尺寸圖如圖2所示。由于浮標(biāo)體上部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且有搭載較多觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)傳感器的小平臺(tái)，導(dǎo)致整個(gè)浮標(biāo)體上部的空間較小，因此PTO系統(tǒng)選用傳統(tǒng)的齒輪齒條形式，如圖3所示，齒輪、增速系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)以及穩(wěn)壓過流保護(hù)系統(tǒng)均安裝在儀器艙內(nèi)部，將整流濾波后的DC電流充入電池艙內(nèi)的蓄電池中，做好足夠的水密性，保證浮標(biāo)體在隨波運(yùn)動(dòng)情況下的密封性及安全性。

能量輸出系統(tǒng)中的增速系統(tǒng)選擇最簡(jiǎn)單的大齒輪帶動(dòng)小齒輪，以增加與發(fā)電機(jī)相連接小齒輪的轉(zhuǎn)速，這就需要浮標(biāo)體在波浪作用下有足夠的力以帶動(dòng)大扭矩增速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且要有足夠的垂蕩位移以保證發(fā)電機(jī)有足夠的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生充電壓差。因此本文將在后續(xù)數(shù)值模擬中計(jì)算不同工況下浮標(biāo)體所受的波浪力，以及浮標(biāo)體單自由度的垂蕩位移，進(jìn)而與發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)扭矩相比較，以驗(yàn)證波浪能供電的可行性。

圖2 浮標(biāo)三維模型及尺寸圖Fig. 2 Three-dimensional model and size of data buoy

圖3 能量輸出系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Internal structure of the power take-off system

3 數(shù)值計(jì)算模型

3.1 控制方程

假設(shè)流體是均勻、無旋、不可壓縮的理想流體，自由表面微幅波動(dòng)。在笛卡爾坐標(biāo)系中，當(dāng)長(zhǎng)峰波角頻率為ω時(shí)，勢(shì)函數(shù)、速度和自由面平移量之間的關(guān)系可以如下表示：

(1)

滿足拉普拉斯方程：

(2)

自由面條件：

(3)

物面條件：

(4)

海底條件：

(5)

輻射條件：遠(yuǎn)離物體的自由面上有波外傳。

以上公式中，拉普拉斯(Laplace)方程和邊界條件均為線性，應(yīng)用迭加原理將速度勢(shì)函數(shù)分解，將不定常的速度勢(shì)分解可得到：

(6)

(7)

(8)

其中，φI為單一頻率、單一方向的平面入射波速度勢(shì)，可由下式求出：

(9)

式中，A為波浪振幅，k為波數(shù),h為水深，g為重力加速度，β是波浪傳播方向與x軸正方向的夾角，其中波數(shù)2π/L,可以根據(jù)自由表面及水底的邊界條件來確定。

在動(dòng)坐標(biāo)系中,浮體時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為：

(10)

式中，M,m分別為浮體的廣義質(zhì)量陣、附加質(zhì)量陣；K(t-τ)為系統(tǒng)的延遲函數(shù)陣；C為浮體的靜水恢復(fù)力系數(shù)陣；Fw(t),Fwind,Fc,Fsn(t),Fm(t)分別為一階波浪力、風(fēng)力、流力、二階波浪力、錨鏈張力。

一階波浪力Fw(t)可根據(jù)Cummins提出的時(shí)域與頻域波浪力的卷積關(guān)系求得：

(11)

二階波浪力的模擬采用紐曼近似方法計(jì)算。根據(jù)間接時(shí)域法,經(jīng)過傅里葉逆變換，得延遲函數(shù)為：

(12)

式中λij是頻域中浮體的阻尼矩陣。

時(shí)域中的浮體附加質(zhì)量為：

(13)

式中，u是頻域中浮體的附加質(zhì)量矩陣,ω0為任意值[8]。

本文通過三維有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)浮標(biāo)數(shù)值模型進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，控制方程基于3.1所描述。其中一部分計(jì)算模塊主要運(yùn)用流體(一般是水)的輻射理論以及衍射理論[9]進(jìn)行流固耦合計(jì)算求解，中間也包含了淺水效應(yīng)計(jì)算模塊，程序可以計(jì)算浮體結(jié)構(gòu)的一階或是二階波浪力(考慮波浪力二階項(xiàng)的3D繞射散射分析程序2ndorder3D)以及浮體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，即頻域計(jì)算模塊。

另一部分計(jì)算模塊則是用于計(jì)算在特定波況下，水工結(jié)構(gòu)物各水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的時(shí)程曲線，在計(jì)算時(shí)調(diào)用源數(shù)據(jù)文件中的結(jié)構(gòu)物的附加質(zhì)量、輻射阻尼及衍射力，再考慮考慮浮體結(jié)構(gòu)間停泊線和鉸接的影響，計(jì)算浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。此模塊重新計(jì)算每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的水動(dòng)力載荷的一階波浪力，一階波浪力又分為弗汝德-克雷洛夫力(Froude-Krylov，F(xiàn)-K力)以及衍射力(diffractionforce)部分，即時(shí)域計(jì)算模塊。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為確保數(shù)值模型以及數(shù)值模擬算法的準(zhǔn)確性，從而保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，本文在大連理工大學(xué)船模試驗(yàn)水池進(jìn)行浮標(biāo)模型水動(dòng)力特性試驗(yàn)，水池造波機(jī)所造波浪的頻率范圍覆蓋海洋波浪的主要頻率，浮標(biāo)橫搖由數(shù)字陀螺儀測(cè)量，通過數(shù)值模型計(jì)算浮標(biāo)無錨鏈時(shí)的橫搖幅值，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，以驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。如圖4、5所示為浮標(biāo)模型試驗(yàn)布置方案，以及模型試驗(yàn)照片。

圖4 浮標(biāo)模型試驗(yàn)布置方案Fig.4 Experiment deployment of the buoy model

圖5 模型試驗(yàn)照片與三維有限元模型照片F(xiàn)ig.5 Experiment photo and three-dimensional finite element simulation of the model

模型試驗(yàn)的幾何長(zhǎng)度比尺為λL=10，由于試驗(yàn)中重力起控制作用，故按照Froude數(shù)相似，即重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中Froude數(shù)可表示為：

(14)

圖6 浮標(biāo)試驗(yàn)與數(shù)值模擬橫搖幅值頻域比較Fig.6 Frequency domain amplitude comparison between buoy practical experiment and numerical free floating raos-pitch

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋瘸哌M(jìn)行三維有限元數(shù)值模型的建立，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行計(jì)算，得到試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臋M搖幅值數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果，與試驗(yàn)得到的橫搖幅值結(jié)果進(jìn)行比較，如圖6所示，由于數(shù)值模型在計(jì)算過程中忽略了許多非線性項(xiàng)的影響，導(dǎo)致在波浪周期較小、頻率較大時(shí)產(chǎn)生較大誤差，但由于周期較小時(shí)的波高以及波浪的整體能流密度均較小，浮標(biāo)體的能量利用率也較低，因此在后續(xù)數(shù)值模擬計(jì)算中未進(jìn)行誤差較大的高頻率低周期段計(jì)算，但全頻段整體計(jì)算結(jié)果擬合度較好，證明了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性以及數(shù)值模擬方法的可行性。

3.3 數(shù)值模型

通過三維有限元軟件建立3m浮標(biāo)的三維水動(dòng)力數(shù)值模型，如圖7所示進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及參數(shù)設(shè)置等，進(jìn)而進(jìn)行頻域以及時(shí)域的計(jì)算，上文提到浮標(biāo)體作為波浪能量一級(jí)轉(zhuǎn)換的吸能結(jié)構(gòu)，其所受的一階波浪力大小決定了浮標(biāo)體吸收能量的多少，因此一階波浪力是數(shù)值模擬的主要計(jì)算參數(shù)，圖8所示為頻域計(jì)算結(jié)果，分析不同頻率下一階波浪力以及F-K力受力大小可知，在頻率較小的情況下輻射力較小，基本可以忽略，因此在本文所設(shè)計(jì)不同海況周期下時(shí)域計(jì)算就僅考慮F-K力進(jìn)行分析討論。

圖7 浮標(biāo)體三維有限元模型圖Fig.7Three-dimensional finite element simulation model of the buoy

圖8 一階波浪力以及F-K力頻域計(jì)算結(jié)果Fig.8Frequency domain calculation result of first-order wave force and F-k force

由山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所在120°E、30°N附近海域投放的3m浮標(biāo)波浪監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所知，在無臺(tái)風(fēng)等極端海況影響下波高與周期均較小，因此數(shù)值模型所用波浪工況選擇也考慮了海洋資料浮標(biāo)實(shí)海況投放海域的平均波高及周期進(jìn)行選擇。表1所示裝置正常工作海況計(jì)算表。

表1 裝置正常工作海況計(jì)算表

圖9 浮標(biāo)1.0 m波高5 s周期下F-K力時(shí)域曲線Fig.9 Time domain curve of F-K force in 1.0 m wave height and 5 s period

圖9所示為工況P3下F-K力10個(gè)周期內(nèi)的受力曲線圖，可見浮標(biāo)體在多數(shù)情況下的F-K力均較大。再比較不同工況下浮標(biāo)體F-K力的最大值以及平均值，見圖10，以此計(jì)算在無阻尼情況下浮標(biāo)單自由度垂蕩運(yùn)動(dòng)能夠提供給能量輸出系統(tǒng)的力，再與發(fā)電機(jī)的最大啟動(dòng)扭矩以及額定扭矩相比較，以此判斷整個(gè)波浪能供電系統(tǒng)的電力輸出情況。

圖11為浮標(biāo)體在不同工況下單自由度升沉運(yùn)動(dòng)幅值，由于整個(gè)系統(tǒng)無任何阻尼輸出，同時(shí)不考慮流體的粘性，因此在慣性作用下，浮標(biāo)體運(yùn)動(dòng)幅值較大。單個(gè)周期內(nèi)浮標(biāo)體運(yùn)動(dòng)幅值可換算為能量輸出系統(tǒng)齒輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而換算成波浪作用下發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此判斷能否達(dá)到蓄電池的充電電壓。

圖10 不同周期不同波高下浮標(biāo)F-K力最大值及平均值Fig.10 Maximum and average valve of the F-K force for different wave heights and periods

圖11 不同周期不同波高下浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)幅值Fig.11 Motion amplitude of the buoy for different wave heights and periods

3.4 結(jié)果分析

3m海洋資料浮標(biāo)的供電系統(tǒng)一般采用蓄電池組供電方式，對(duì)浮標(biāo)系統(tǒng)提供單一工作電壓。系統(tǒng)具有蓄電池過壓、過流保護(hù)功能，同時(shí)考慮到擴(kuò)容傳感器的供電余量。

浮標(biāo)蓄電池安裝在密封的電池艙中，同儀器艙隔絕。其標(biāo)稱電壓為14±2.1V，供電能力大于10A，電池容量為400Ah。由于海上波浪的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定，使得發(fā)電機(jī)發(fā)出的電并不是恒定電流，因此蓄電池不采用恒定電流的充電方式，但在波浪較大的情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較大，使發(fā)電機(jī)輸出電壓升高，經(jīng)濾波整流后可與蓄電池產(chǎn)生壓差，進(jìn)而產(chǎn)生充電電流，即使充電電流很小也可充電。

發(fā)電機(jī)采用專利技術(shù)的三相交流永磁同步發(fā)電機(jī)，配以特殊的定子設(shè)計(jì)，有效地降低了發(fā)電機(jī)的阻轉(zhuǎn)矩。相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 發(fā)電機(jī)具體參數(shù)

對(duì)永磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行輸出電壓情況測(cè)試，見表3和圖12所示，不同轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)三相電壓的有效值以及整流輸出之后的直流電壓不同，若要滿足蓄電池的充電電壓14V，則需要發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在200r/min以上，即3.3r/s以上。得到所需發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，便可根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果確定浮標(biāo)體在波浪作用下通過齒輪齒條的能量輸出系統(tǒng)能否達(dá)到蓄電池的14V的充電電壓。

表3 永磁發(fā)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速電壓輸出結(jié)果

圖12 不同轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)整流輸出電壓Fig.12 Rectified output voltage for different rotational velocities

由于浮標(biāo)體正常工作波高下受力平均在10 000N以上，根據(jù)波浪能10%～20%的能量轉(zhuǎn)換效率，直徑3m海洋資料浮標(biāo)標(biāo)體所受波浪力配合所選用的齒輪齒條形式的能量輸出系統(tǒng)，可滿足發(fā)電機(jī)額定功率的最大扭矩，即可使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生滿足蓄電池充電的電壓，波浪能供電具可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了波浪能的利用與向電能的轉(zhuǎn)換，旨在解決海洋資料浮標(biāo)的能源補(bǔ)給問題，通過數(shù)值模擬的手段，計(jì)算了基于直徑3m浮標(biāo)體的波浪能供電裝置的水動(dòng)力學(xué)性能，計(jì)算結(jié)果表明，在不考慮各阻尼時(shí)，基于齒輪齒條形式的能量輸出系統(tǒng)在浮標(biāo)體受波浪作用下，可滿足高轉(zhuǎn)速、低扭矩的500W三相交流永磁同步發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量，同時(shí)理論輸出電壓可達(dá)到海洋資料浮標(biāo)蓄電池14V的充電要求。該研究基本提出了基于浮標(biāo)標(biāo)體的波浪能供電裝置的供電方案，同時(shí)證明了供電的可行性，為后續(xù)細(xì)節(jié)方案的設(shè)計(jì)提供了理論仿真的基礎(chǔ)，同時(shí)也為試驗(yàn)樣機(jī)與工程樣機(jī)的加工制造提供了參考。

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Numerical simulation of wave energy convertor of ocean data buoy

ZHAO Huan-yu1, SUN Jin-wei1,2, FAN Xiu-tao1, GUO Fa-dong1, ZHANG Ji-ming1, CHAI Hui1

(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology, Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001, China;2. School of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

∶Power supply is one of the key issues in ocean data buoy. We address the feasibility of wave energy convertor of ocean data buoy with buoy body as wave energy absorption system, gear and rack as power take-off system and permanent magnet wind turbine and rectifier voltage regulator module as power output system, based on numerical simulation and the existing technical parameters of ocean data buoy. Analysis of calculation results shows that wave buoy body can satisfy installed capacity of 500 W three-phase AC permanent magnet synchronous generator if no damping. Generator output voltage of theoretical calculation can also meet the charging requirement of ocean data buoy battery of 14 V.

∶ocean data buoy; wave energy convertor; numerical simulation

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.002

2016-04-25

山東省自然科學(xué)基金(ZR2015PE019)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)子課題(201305028-3)；重點(diǎn)海域海洋環(huán)境精細(xì)化監(jiān)測(cè)集成應(yīng)用示范(2013BAB04B00)

趙環(huán)宇(1989—)，男，研究方向?yàn)楹Ｑ蟾◇w水動(dòng)力學(xué)以及海洋可再生能源實(shí)用化技術(shù)開發(fā)。E-mail:zhyfaint@vip.qq.com

P741

A

1002-4026(2016)05-009-10