底鉸擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置實驗研究?

邱守強(qiáng), 王冬姣, 葉家瑋, 梁富琳, 蘇 成

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室, 上海 200240)

底鉸擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置實驗研究?

邱守強(qiáng)1,2, 王冬姣1??, 葉家瑋1, 梁富琳1, 蘇 成1

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室, 上海 200240)

海洋波浪能的開發(fā)利用對解決當(dāng)今社會環(huán)境壓力、能源危機(jī)具有重要的現(xiàn)實意義。通過對一種底部鉸接擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的實驗，研究裝置不同能量轉(zhuǎn)換階段的效率特點。以電阻負(fù)載作為擺板波浪能轉(zhuǎn)換的載體，代替常規(guī)動力負(fù)載阻尼進(jìn)行能量吸收；以測量傳動鏈條拉力和位移代替常規(guī)測量轉(zhuǎn)軸扭矩和角度計算波浪能功率吸收，并給出由電阻負(fù)載換算為動力負(fù)載阻尼的公式。結(jié)果顯示，以電阻為波浪能吸收的負(fù)載載體簡單有效；擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的一次轉(zhuǎn)換效率較高，中間轉(zhuǎn)換效率相對較低，因此總轉(zhuǎn)換效率表現(xiàn)不是太高。

波浪能； 擺式； 轉(zhuǎn)換裝置； 發(fā)電

波浪能轉(zhuǎn)換是將海洋中的波浪資源轉(zhuǎn)換為其他方便利用的能量形式，如電能，機(jī)械能、液壓能等。通過一種結(jié)構(gòu)形式的某種運(yùn)動方式，如垂蕩，搖擺、旋轉(zhuǎn)等單自由度或者多自由度運(yùn)動響應(yīng)吸收、傳遞能量。通常意義上的波浪能轉(zhuǎn)換的最終目的是將波浪能轉(zhuǎn)換為電能，也即所說的波浪發(fā)電，因為這種能量形式最方便傳輸、存儲和利用。基于對人類社會日益嚴(yán)峻和無法逃避的能源危機(jī)、社會需求和環(huán)境壓力等，海洋中豐富的波浪能資源成為人類尋找新能源的一片新大陸。理論和實驗上的研究早已進(jìn)行[1-3]。工程和商業(yè)實例上的波浪發(fā)電也已經(jīng)開展，如蘇格蘭的Oyster[4]，丹麥的Wave Dragon[5]，芬蘭的Waveroller[6]等。面對復(fù)雜的海洋環(huán)境，要求波浪能轉(zhuǎn)換裝置滿足連續(xù)穩(wěn)定、可靠高效、可維護(hù)性好等特點，擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置以其簡單的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動響應(yīng)特點成為國內(nèi)外研究的熱點[7-13]。

根據(jù)實測海況波浪參數(shù)，利用流體力學(xué)相似原理，本文對底鉸擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行了模型設(shè)計及實驗研究。采用機(jī)械傳動技術(shù)，擺板轉(zhuǎn)動軸設(shè)在底端，波浪作用下擺板繞底部鉸接軸擺動來驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。即通常講的浮力擺，而不同于重力擺形式[14-16]。應(yīng)用傳統(tǒng)的對波浪能量轉(zhuǎn)換的分類方式，本文物理模型為三級轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，即利用鉸接式擺板實現(xiàn)波浪能的一次轉(zhuǎn)換(波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能)；其次由鏈條傳動機(jī)構(gòu)一端連接鉸接擺板的轉(zhuǎn)軸，另一端連接發(fā)電機(jī)驅(qū)動軸的中間能量傳遞；最后由發(fā)電機(jī)輸出電能實現(xiàn)能量的總轉(zhuǎn)換。目前對波浪能轉(zhuǎn)換裝置的研究大都集中在一次轉(zhuǎn)換效率上，本文在研究擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置一次轉(zhuǎn)換效率的同時，對中間能量轉(zhuǎn)換/傳遞效率(二次效率)和總轉(zhuǎn)換效率(三次效率)也進(jìn)行了分析。

在波浪能轉(zhuǎn)換裝置的模型實驗中，目前對負(fù)載阻尼的施加主要采用摩擦制動器[17]，渦流損耗阻尼器[18-19]，空氣壓縮[20]，磁粉制動器[9,21]等方法。上述阻尼與激勵之間均會表現(xiàn)出一定的非線性，如與轉(zhuǎn)速、滑差或電流等。而且上述阻尼器還需穩(wěn)壓電源或空氣壓縮機(jī)等激勵裝置的配套使用，增加了使用成本和內(nèi)耗。R.Waters等人對一種振蕩浮子直驅(qū)發(fā)電裝置進(jìn)行了海試研究，其采用電阻作為發(fā)電機(jī)負(fù)載的方法表現(xiàn)出較好的可控性和操作性[22]?；谏鲜龇治?，本文采用電阻負(fù)載直接連接發(fā)電機(jī)輸出端，節(jié)省了配套激勵裝置，并且在實驗階段的短時間內(nèi)電阻負(fù)載具有非常好的穩(wěn)定性，同時對電阻負(fù)載的電壓和電流進(jìn)行采集簡單而有效。文中還給出了由電阻負(fù)載換算為常規(guī)動力負(fù)載阻尼的公式。在對擺板轉(zhuǎn)動扭矩的測量方面，本文采用測量傳動鏈條拉力和線位移的方法，代替采用扭矩變送器和轉(zhuǎn)角位移的常規(guī)方法，可以在一定程度上減少由于扭矩變送器內(nèi)阻引起的誤差源[21]。最后本文還對不同能量轉(zhuǎn)換階段的效率進(jìn)行分析，初步探索并掌握了該種物理模型的動力響應(yīng)過程及能量轉(zhuǎn)換特點，為實際工程的應(yīng)用和理論分析的驗證提供參考。

1 模型實驗

實驗在華南理工大學(xué)波浪水槽中進(jìn)行，水槽長寬高分別為32m×1.0m×1.5m，一端設(shè)有造波機(jī)，另一端設(shè)有消波堤(見圖1)。實驗主要研究規(guī)則波波況。由于實驗條件限制，實驗周期在T=0.8～3.2s范圍進(jìn)行。水槽水深d=1.23m，模型安裝在距離水槽底部一定高度的支架上，距離造波板11.5m。測量波面位移的2個波高儀(波高儀1、波高儀2)距離模型分別為6.0和6.3m。擺板模型在波浪作用下繞底端轉(zhuǎn)軸前后以一定傾角擺動，轉(zhuǎn)軸一端連接有一個齒輪盤，通過鏈條和位于水面上部的傳動軸連接，傳動軸末端連接發(fā)電機(jī)(見圖1)。本文以電阻作為發(fā)電機(jī)負(fù)載，代替常規(guī)阻尼器(如摩擦阻尼器、磁流變阻尼器等)。在鏈條的中間部位安裝有拉力和位移傳感器，用以測量波浪激勵力矩作用下擺板運(yùn)動對鏈條的張緊力以及鏈條線位移大小。發(fā)電功率則以發(fā)電機(jī)端電阻負(fù)載的電流和電壓測量得到。

實驗擺式模型見圖3所示。值得說明的是，模型設(shè)計成不同的圓筒單元組合形式是考慮到以下兩點：

(1)方便擺板幾何高度的調(diào)整；可以通過拆卸或加裝浮筒的數(shù)量來降低或增加擺板的幾何高度；

(2)為研究壓載水對波浪能裝置能量轉(zhuǎn)換效率的影響；圓筒是內(nèi)空的，因此可以對不同數(shù)量和組合方式的圓筒內(nèi)注入壓載水來改變模型的物理參數(shù)(轉(zhuǎn)動慣量、回復(fù)力矩等)，從而研究這些物理參數(shù)的變化對模型波浪能轉(zhuǎn)換效率的影響。

圖1 物理模型實驗造波水池

圖2 物理模型示意圖

由流體力學(xué)理論可知，擺板寬度內(nèi)入射波功率為[8]

(1)

其中：ρ為水密度；g為重力加速度；H為波高；d為波浪造波水槽內(nèi)水深；k為波數(shù)；W為擺板寬度。擺板吸收的瞬時功率為：

(2)

其中：M(t)為實驗中測得的擺板繞底端鉸支軸的扭矩大小，實驗中是通過測定傳動鏈條拉力F(t)和相對應(yīng)的拉力力臂的乘積求得；v(t)為鏈條傳動線速度大小；Bp為負(fù)載阻尼系數(shù)(本實驗為由電阻負(fù)載換算得到)；θ(t)為擺板擺角位移大小。

一個波周期T內(nèi)擺板輸出的平均功率Pm為

(3)

上式也可表示成

(4)

其中l(wèi)為傳動鏈條力臂。由此可得不同負(fù)載電阻R對應(yīng)的負(fù)載阻尼力矩系數(shù)Bp

(5)

通過加載電阻負(fù)載R，作為電功率輸出

P(t)=U2(t)/R,

(6)

(7)

將輸出的平均電功率除以入射波平均功率得波浪能轉(zhuǎn)換裝置的總轉(zhuǎn)換效率

(8)

2 結(jié)果與分析

2.1 一次轉(zhuǎn)換功率

對模型進(jìn)行了不同周期下的實驗測試(T=0.8～3.2s)。其中周期T=1.0s時的實驗結(jié)果如下。負(fù)載阻尼由連接于發(fā)電機(jī)輸出端的電阻給予，換算為動力負(fù)載阻尼為Bp=142.1Nms/rad，波高H=14.52m。圖3為波高儀采集的波面位移時歷曲線。橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)采集點，縱坐標(biāo)為波面位移。由于擺板在波浪作用下前后擺動，因此不同時刻擺板左右兩條鏈條(見圖1，2)傳動的大小是不相同的，且拉力峰值應(yīng)該是間歇出現(xiàn)，以下分別記為左側(cè)拉力和右側(cè)拉力。

實驗對擺板進(jìn)行單向施加負(fù)載阻尼，即擺板只在一半周期內(nèi)做功。圖4顯示，傳動鏈條兩邊的拉力差別較大，即原則上擺板擺動時只有一側(cè)傳動鏈條處于張緊狀態(tài)，圖示數(shù)值表示負(fù)載電阻和機(jī)構(gòu)摩擦等阻尼作用于擺板的作用力。右側(cè)的小值拉力表示回復(fù)過程中擺板克服機(jī)械摩擦、流體黏性等阻尼做功。

圖3 波高采集

圖4 鏈條拉力

圖5 鏈條位移和線速度(單位: 速度/m·s-1; 位移/m)

圖6 扭矩合力圖

圖5顯示了擺板運(yùn)動時鏈條傳動位移和線速度時程曲線，表明位移和速度符合90度相位差關(guān)系。圖6為圖4所示左右兩側(cè)拉力相對應(yīng)的扭矩關(guān)系，其中正值表示負(fù)載電阻的作用力矩，負(fù)值表示擺板回復(fù)過程中所克服的阻尼損耗。即扭矩正負(fù)值與擺板不同搖擺方向(做功方向)相對應(yīng)，做功一側(cè)較大，不做功一側(cè)較小。實驗現(xiàn)象同時表明，擺板單向做功時的平衡位置不在其豎直平面。Flocard在對底部鉸接圓柱的實驗研究時也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象[18]，Caska對此也做了解析模型的研究[23]。關(guān)于擺板雙向全周期都做功的情況會在以后的研究中描述。

圖7為根據(jù)公式(2)所求的擺板吸收功率的時程曲線，即波浪能轉(zhuǎn)換的一次功率數(shù)值。在發(fā)電機(jī)不連接電阻負(fù)載的一半行程中仍舊會有少些功率出現(xiàn)，這是擺板克服摩擦損耗所做的無用功。

圖7 波浪能一次轉(zhuǎn)換功率

2.2 能量傳遞和總轉(zhuǎn)換效率

除了上述的一次轉(zhuǎn)換功率的實驗研究外，本文還對模型的中間能量傳遞效率進(jìn)行了跟蹤研究，分析了整個系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)換效率的效果，以對系統(tǒng)的不同能量轉(zhuǎn)換階段進(jìn)行了解和掌握。這里的總轉(zhuǎn)換效率指的是波浪能轉(zhuǎn)換為電能的效率值。

選取同上述一次轉(zhuǎn)換功率實驗相同的負(fù)載阻尼。直接測量得到電阻兩端的電壓輸出值大小，根據(jù)式(6)可以得到模型的瞬時輸出電功率P(t)，見圖8。由于是單向施加負(fù)載阻尼，所以功率輸出表現(xiàn)為不連續(xù)。

圖8 發(fā)電裝置輸出電功率(Bp=142.1Nms/rad,T=1.2s)

實驗周期范圍取0.8～3.2s，研究不同負(fù)載阻尼下的一次轉(zhuǎn)換效率和總效率的關(guān)系。對不同能量轉(zhuǎn)換階段進(jìn)行分析對比研究，以了解各階段轉(zhuǎn)換形式的特點。波浪周期T=1.2s時的各能量轉(zhuǎn)換階段效率參數(shù)見表1。

表1 波浪能轉(zhuǎn)換效率(T=1.2s)

表1以波浪周期T=1.2s為例說明了波浪能轉(zhuǎn)換裝置的不同轉(zhuǎn)換階段的轉(zhuǎn)換效率。可以看出，中間能量傳遞效率約保持在60%左右，總轉(zhuǎn)換效率在25%上下波動。針對波浪發(fā)電裝置中間傳遞效率相對較低的事實，本文給出以下幾點建議和改進(jìn)措施，并在后續(xù)實驗中進(jìn)一步研究：(1)開展直驅(qū)發(fā)電模式。將擺板轉(zhuǎn)軸直接連接發(fā)電機(jī)輸出，去除中間鏈條傳動機(jī)構(gòu)；(2)發(fā)電機(jī)選配。不同用途發(fā)電機(jī)的特性不同，通過選配或研制合適的發(fā)電機(jī)與擺板運(yùn)動響應(yīng)匹配；(3)通過相位、功率跟蹤等控制技術(shù)對擺板運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。

將不同周期模型一次轉(zhuǎn)換效率和總轉(zhuǎn)換效率比較(圖9和10)可以看出，相同負(fù)載阻尼條件下一次轉(zhuǎn)換效率和總轉(zhuǎn)換效率對周期的曲線趨勢大體相同。同時可以注意到有些周期時一次效率的最優(yōu)工況并不是與總效率的最優(yōu)工況相同，這些原因既可能是數(shù)據(jù)采集以及處理的誤差引起，也提示出鏈條傳動機(jī)構(gòu)的中間傳遞效率隨著轉(zhuǎn)速的不同并不保持在一個常數(shù)，應(yīng)該是一個和轉(zhuǎn)速等外因相關(guān)的范圍值，實驗數(shù)據(jù)得出的參考范圍在(55%～75%)上下。

圖9 一次轉(zhuǎn)換效率

由圖10可知，隨著波浪周期的增加，波浪能總轉(zhuǎn)換效率先上升再下降。在相同負(fù)載條件下，周期為1.0s附近時的總波浪能轉(zhuǎn)換效率較大。小于1.0s時效率明顯降低，實驗現(xiàn)象為擺板擺幅很小，擺動很快，電能輸出較小。長周期時由于實驗水槽的限制，波浪反射現(xiàn)象比較嚴(yán)重，轉(zhuǎn)換效率并不高。對于此現(xiàn)象，文獻(xiàn)(8)和(13)的研究均表明，擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置在波浪擾動力矩峰值周期附近可獲得最大的輸出功率。其中，文獻(xiàn)(8)計算了一種梯形擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置(大小與本實驗?zāi)Ｐ拖嘟?的水動力系數(shù)和波浪擾動力矩，對裝置在1.0s左右時的效率得出了和本文相似的研究結(jié)論。即周期1s左右時，波浪擾動力矩和輻射阻尼系數(shù)最大，周期大于1s時，波浪擾動力矩和輻射阻尼隨著周期的增大而減小，而擺板寬度范圍內(nèi)的入射波功率則隨周期增大而增大。

圖10還表明不同負(fù)載阻尼對裝置波浪能轉(zhuǎn)換效率有著不同的影響。相同周期時不同負(fù)載阻尼下，Bp=153.1Nms·rad-1時的波浪能總轉(zhuǎn)換效率較其它負(fù)載阻尼時要高，故在實驗選取的負(fù)載阻尼范圍內(nèi)認(rèn)為該波浪能轉(zhuǎn)換裝置模型的最優(yōu)負(fù)載阻尼為Bp= 153.1 Nms·rad-1。因此應(yīng)根據(jù)不同的入射波海況調(diào)節(jié)負(fù)載阻尼，以達(dá)到最佳工作狀態(tài)，使波浪能轉(zhuǎn)換效率具有較高的能效輸出。

本文研究的圓筒型擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置與一種幾何尺寸相似的梯形擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行了比較研究[24]，表明對圓筒進(jìn)行壓載控制可以適當(dāng)?shù)靥岣哐b置的轉(zhuǎn)換效率。

圖10 波浪能轉(zhuǎn)換裝置總轉(zhuǎn)換效率

3 結(jié)論

現(xiàn)有波浪能轉(zhuǎn)換裝置的能量吸收載體多為動力機(jī)械阻尼或流體阻尼的形式，這些阻尼形式實際操作不方便，有的還需要額外配套附加激勵。這樣不僅增加了外部消耗，還使得阻尼的線性穩(wěn)定性不是太好，因此造成實驗和實際工程的復(fù)雜。同時考慮到波浪能轉(zhuǎn)換多是以發(fā)電輸出為最終目標(biāo)，因此本文設(shè)計了以電阻負(fù)載阻尼為波浪能吸收載體的實驗研究，并且推導(dǎo)了由電阻負(fù)載阻尼換算為動力負(fù)載阻尼的公式。同時以擺板擺動軸末端傳動鏈條拉力和線速度的方式測量轉(zhuǎn)換功率，結(jié)果表明這種方式簡單有效。主要結(jié)論如下：

(1)單向發(fā)電時，擺板平衡位置偏離豎直面。下一步將進(jìn)行雙向發(fā)電的實驗研究，以進(jìn)行單雙向發(fā)電擺板運(yùn)動響應(yīng)，能量轉(zhuǎn)換效率等特點的比較；

(2)擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的一次轉(zhuǎn)換效率較高，中間轉(zhuǎn)換效率相對較低，以至于總轉(zhuǎn)換效率不高。因此對中間轉(zhuǎn)換效率的選擇和優(yōu)化至關(guān)重要，是提高此類裝置總效率的重要途徑。同時對這種優(yōu)化給出了幾點提示，如，直驅(qū)發(fā)電、電機(jī)匹配、相位控制和功率跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)。

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[24] 邱守強(qiáng). 擺式波能轉(zhuǎn)換裝置研究 [D]. 廣州： 華南理工大學(xué)， 2013. Qiu Shouqiang. Study on the Pendulum Wave Energy Converter [D]. Guangzhou： South China University of Technology, 2013.

責(zé)任編輯 陳呈超

Experimental Study on Bottom-Hinged Flap-Type Wave Energy Converter

QIU Shou-Qiang1,2, WANG Dong-Jiao1, YE Jia-Wei1, LIANG Fu-Lin1, SU Cheng1

(1. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640， China; 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240,China)

The development and utilization of ocean wave energy has important practical significance for solving current social environment pressure and energy crisis. Experiments were conducted on a bottom-hinged flap-type wave energy converter for the study of different wave energy conversion phases, including the primary phase, the secondary phase and the final phase. In this study, resistance damping was used for the final phase of wave energy absorption instead of the general dynamic damping types such as the friction damper, the magneto rheological damper and some others. In addition, the traditional way of measuring the torque and pitching angle of the rotating shaft was replaced by a new way of measuring the tension and displacement of the drive chain which was connected to the rotating shaft. Meanwhile, conversion equation between the resistance damping and the dynamic damping was given. Results showed that the new way applied in the present paper was simple and effective; the primary conversion efficiency was high for this type of wave energy converter, while the secondary conversion efficiency was relatively low and thus the final conversion efficiency is not high. Thus, the secondary and final phases of energy conversion should be given more detailed optimization in further studies.

wave energy； flap-type； converter; power generation

國家自然科學(xué)基金項目(51409105)；海洋工程國家重點實驗室(上海交通大學(xué))開放課題項目(1408)資助 Supported by National Natural Science Foundation(51409105); State Key Laboratory of Ocean Engineering(Shanghai Jiao Tong University)(1408)

2014-11-12；

2015-10-12

邱守強(qiáng)(1984-),男，博士后。E-mail:qiushouqiang@163.com

?? 通訊作者： E-mail:djwang@scut.edu.cn

TK79

A

1672-5174(2017)05-121-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20140387

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