張士琢，孫亮，徐琳

基于機械整流式PTO的擺式波浪能發(fā)電裝置研究

張士琢1，孫亮2，徐琳1

（1.武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430223）

海洋波浪能作為一種新型能源，具有較大的潛力。近些年擺式波浪能發(fā)電裝置由于其優(yōu)良的性能成為學者們關(guān)注的熱點，但是現(xiàn)階段擺式波浪能發(fā)電裝置大多采用液壓傳動的方式，使裝置只能俘獲單方向的波浪。通過借鑒電路系統(tǒng)中整流電路的概念，完成了機械整流式PTO（動力輸出）方案的設(shè)計。之后通過試制比例樣機進行實驗驗證，在波浪條件為0.1 m/0.2 s的情況下，裝置的平均發(fā)電功率為1.04 W，最高發(fā)電功率為5.5 W。

機械整流；PTO（動力輸出）；波浪能發(fā)電；擺式波浪能

1 引言

在眾多的新型能源中，波浪能以能量密度大、分布范圍廣而受到人們的青睞。對于沿海居民而言，通過波浪能發(fā)電裝置所提供的穩(wěn)定能源供應(yīng)，可實現(xiàn)國外學者所提出的水-能源-食物（WEF）生態(tài)耦合系統(tǒng)[1]。在波浪能發(fā)電裝置的應(yīng)用方面，相較于其他的波浪能發(fā)電裝置，擺式波浪能發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)化效率較高且適用范圍較廣[2]。近些年國內(nèi)外針對擺式波浪能發(fā)電裝置已完成較多的探索。英國的藍寶能源公司在2005年試制了“OYSTER”裝置，已完成了海試[3]。芬蘭所研發(fā)的WAVEROLLER波浪能發(fā)電裝置，進一步開啟了擺式波能裝置商業(yè)化的進程。但是上述所列舉的擺式波浪能發(fā)電裝置，都存在著一定的局限性[4]：局限于液壓傳動的特性，裝置只能俘獲單方向的波浪；液壓式傳動的效率較低，水下的液壓缸等部件易受海水的腐蝕。

針對上述問題，提出了一種基于機械整流式PTO(動力輸出)的擺式波浪能發(fā)電裝置。通過完成裝置的設(shè)計，并基于此實現(xiàn)了理論及實驗的進一步驗證，從而充分驗證了裝置的可行性。

2 原理結(jié)構(gòu)分析

2.1 裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置主要由俘能擺板、機械整流式PTO（動力輸出）模塊、基座平臺三部分所組成。俘能擺板在受到波浪的激勵下進行不規(guī)則的往復(fù)擺動，而俘能擺板通過機械式PTO部分將俘能擺板所俘獲的波浪能傳遞給傳動部分的輸出端，以驅(qū)動電機進行發(fā)電。機械式PTO部分結(jié)構(gòu)上采用了聯(lián)軸器內(nèi)置單向離合器的方案，而通過這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證了擺板單方向所俘獲的能量對應(yīng)單個電機進行發(fā)電，實現(xiàn)了機械式整流的功能。

2.2 機械整流式PTO部分結(jié)構(gòu)分析

裝置PTO（動力輸出）部分在設(shè)計時充分考慮裝置傳動系統(tǒng)的簡單實用性，其具體結(jié)構(gòu)為：通過聯(lián)軸器內(nèi)置單向離合器與輸出軸相連接的方式，將俘能擺板往復(fù)的擺動轉(zhuǎn)化為輸出軸兩方向的旋轉(zhuǎn)，以驅(qū)動電機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。當受到波浪正方向激勵的時候，輸出軸單方向運轉(zhuǎn)，保證了一邊的電機進行發(fā)電，而另一端的轉(zhuǎn)軸保持空轉(zhuǎn)的狀態(tài)。通過實現(xiàn)兩個電機可以持續(xù)進行工作，從而實現(xiàn)機械整流的功能。由于波浪往復(fù)特性并不相同，因此這樣可以根據(jù)波浪的特性匹配不同參數(shù)的電機，使發(fā)電效率最大。

圖1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3 仿真分析

為了比較機械整流式PTO的能量拾取效果和液壓式能量拾取效果，現(xiàn)建立數(shù)值仿真模型進行分析。采用邊界元軟件ANSYS對擺板進行水動力計算，得到擺板在一定波浪作用下的水動力學系數(shù)；相關(guān)結(jié)果導(dǎo)入開源波能轉(zhuǎn)換裝置仿真軟件WEC-Sim中，建立如圖2所示的分析模型。

在水深13.1 m，波高2 m，周期為10 s的激勵下，分別建立針對液壓能量拾取裝置和機械式PTO能量拾取裝置的模型，得到兩套仿真結(jié)果，如表1所示。通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，機械傳動的能量轉(zhuǎn)化效率遠大于液壓傳動的能量轉(zhuǎn)化效率。

分析發(fā)現(xiàn)，本裝置波能轉(zhuǎn)換效率可達24.64%，相較于配備傳統(tǒng)液壓整流能量拾取裝置的波能發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率提高了14.99%。

圖2 WEC-sim系統(tǒng)的搭建

表1 仿真結(jié)果與對比

裝置類型液壓傳動式裝置機械傳動式裝置 俘獲波浪功率/MW4.254.25 傳動部分功率/MW0.731.35 平均發(fā)電功率/MW0.411.047 能量轉(zhuǎn)化率/（%）9.6524.64

3 實驗驗證

3.1 實驗布置及準備

裝置在水池內(nèi)的布置如圖3所示。為了保證裝置實驗的穩(wěn)定性，在實驗時，省略了柱體的安裝，直接將型材基座固定在造浪池的底部。裝置的俘能擺板尺寸為500 mm×300 mm，電機箱高度為100 mm。

圖3 裝置在水池中的布置示意圖

3.2 實驗結(jié)果分析

在波浪條件為0.1 m/0.2 s時，在該種實驗條件下，裝置最大發(fā)電功率可達5.5 W，平均發(fā)電功率為1.04 W。波浪的往復(fù)特性方面存在著較大的差異性，正向的波浪所帶來的發(fā)電效率遠大于反向的波浪。0.1 m/0.2 s時裝置的發(fā)電功率曲線如圖4所示。

在本實驗中，波浪的高度周期等參數(shù)均由造波機所決定。實驗過程中，通過水槽中的浪高儀對實際的波浪高度進行調(diào)整。在實驗中考慮裝置所處的海況，主要做了15組實驗。為了保證實驗結(jié)果的準確性，每種工況均做了3次實驗。由實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，波浪周期為2 s附近，波高0.1 m時，裝置的發(fā)電效率最高。并且在相同的波浪周期情況下，波高越高，裝置的發(fā)電效率越高。裝置的波浪周期為2 s時發(fā)電效率最高。

圖4 0.1 m/0.2 s時裝置的發(fā)電功率曲線

4 結(jié)語

通過實驗，提出了一種基于機械整流式PTO的擺式波浪能發(fā)電裝置，完成了對裝置的工作原理及結(jié)構(gòu)的研究分析，并通過仿真及實驗進一步對裝置的發(fā)電效率進行驗證。

機械式PTO部分借鑒了電路中的整流原理。通過將此設(shè)計應(yīng)用在擺式波浪能發(fā)電裝置中，實現(xiàn)了將兩個方向的波浪能分別對應(yīng)不同的電機進行輸出，從而有效提高了發(fā)電效率。完成了裝置PTO部分的結(jié)構(gòu)原理及數(shù)學模型的建立，并且通過仿真進一步驗證能量輸出部分優(yōu)良的性能。對于本裝置進行了實驗驗證，在0.1 m/2 s的情況下，裝置的平均發(fā)電功率表可以達到1.04 W，最大發(fā)電功率可達5.5 W。

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TM612

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.021

2095－6835（2019）14－0052－02

〔編輯：嚴麗琴〕