球形擺式波能發(fā)電裝置研究

余順年，詹立壘，陳 韋，鐘啟茂

（集美大學 機械與能源工程學院，福建 廈門 361021）

1 引言

海洋占地球表面的71%，蘊藏著無盡寶貴的資源，它的開發(fā)是一個新興的具有戰(zhàn)略意義領域。自20世紀70年代以來，世界掀起向海洋進軍的熱潮，而波浪能發(fā)電技術以其獨特的魅力吸引了人們的注意，很多國家都高度重視波能發(fā)電的技術研究，開發(fā)出了多種波浪能發(fā)電裝置[1-6]。我國對波浪能發(fā)電技術的研究相對比較晚，但也取得了一定成果，主要集中在振蕩水柱式、浮體式、擺式和小型岸式波浪發(fā)電技術方面，如廣州能源研究所研制了100kW岸式振蕩水柱波浪能電站、海洋技術研究中心研造了30kW的擺式波能電站[7-8]。提出了一種球形擺式波浪發(fā)電裝置[9]，應用水動力學軟件AQWA對裝置在不同的波況下進行仿真分析，為該發(fā)電裝置物理樣機的制作和實際應用提供理論依據。

2 球形擺式波浪發(fā)電裝置結構

新型球形擺式波浪發(fā)電裝置結構，如圖1所示。該裝置由中間的支架、均勻分布在支架周圍的發(fā)電單元及錨鏈裝置組成。單個發(fā)電單元由上甲板1、球形鉸鏈2、擺桿3、電機拉繩4、直線發(fā)電機5及球形浮體6所組成，如圖2所示。發(fā)電裝置可以采用單個或者多個發(fā)電單元，在運行時可根據發(fā)電功率需求和實際的海況，增減發(fā)電單元，并按一定的規(guī)律布放，形成大規(guī)模海上發(fā)電。所研究的球形擺式發(fā)電裝置采用三個發(fā)電單元，均勻地分布在支架的三個方位。支架在海平面上方，相當于一個平臺，整個裝置通過球形浮體漂浮在海平面上，通過錨鏈裝置固定，防止裝置漂移。

圖1 球形擺式波浪發(fā)電裝置Fig.1 Spherical Pendulum Wave power Device

圖2 單個發(fā)電單元結構Fig.2 Structure of Single Power Unit

當波浪從任意方向波動傳遞時，帶動球形浮體擺動，由于擺桿固定在支架上，支架與擺桿在錨鏈裝置（包括錨鏈和海底重物）的作用下僅做小幅度的運動。擺桿通過球形鉸鏈與上甲板相連接，因此擺桿與浮體之間在波浪作用下產生相對運動，類似于單擺運動，使得電機拉繩拉緊與放松，致使直線發(fā)電機內部能夠上下的往復運動，實現作功，達到發(fā)電的目的。

3 數學模型創(chuàng)建

由于球形浮體系統(tǒng)的形狀比較簡單，故采用Workbench自帶的DesignModeler建模工具進行幾何建模。建模過程中球形浮體采用面體單元，連接框架采用細長體單元，主體支架與連接框架為一整體。在實際情況下發(fā)電裝置一般為錨泊系統(tǒng)，在波浪運動過程中帶動整體系統(tǒng)傾斜與旋轉，以致球形浮體的運動較難表示，因此在建模型中，假設支架通過錨鏈裝置固定于海底。實際發(fā)電裝置中的擺軸存在著變化的負載力矩，在AQWA軟件中不能施加變化的負載力矩，故采用定值的負載力矩。仿真計算中采用近場求解方法，考慮球形浮體之間的相互作用。裝置的主要參數取為：球形半徑2m，球形浮體之間的距離6m，模擬水深15m，吃水深度0.9m，重力加速度9.81m/s2，球形浮體在球形鉸鏈處施加扭矩3935.6N·m。簡化后的球形擺式波浪發(fā)電裝置模型，如圖3所示。從左端開始按逆時針方向，分別將球形浮體命名為結構1、結構2、結構3，支架為結構4。

圖3 球形浮體網格模型Fig.3 Spherical Floating Grid Model

在AQWA軟件計算中，最小輸入角頻率計算表達式為：

將重力加速度g，模擬水深h的值代入式（1），求出最小輸入角頻率為0.0404rad/s。

4 不同波況下的數值模擬

球形擺式波浪發(fā)電裝置在波浪作用下的運動主要是球形浮體的擺動，衡量裝置在波浪下的吸收能量的能力主要以球形浮體的擺動角度作為評判依據。由于浮體在不同波況下擺角不一樣，有必要探究波況對球形浮體的擺角影響。在時域分析使用的是規(guī)則波浪，以Airy二階波為準。波浪有波高、周期、波向三種波況參數，利用控制變量法固定兩個波況參數，模擬計算浮體在單個波況參數發(fā)生變化時擺角的變化情況。波況參數，如表1所示。由于建模過程中結構1與結構2關于波向角為0°時的方向對稱，故結構1和結構2的運動狀態(tài)基本一致。

表1 波況參數Tab.1 Wave Conditions

4.1 波高對球形浮體擺角的影響

在波況一的波浪參數下，研究波高對球形浮體擺角的影響。模擬仿真結果，如圖4、圖5所示。結構1在不同波高下的擺角線圖，如圖4所示。結構3在不同波高下的擺角線圖，如圖5所示。由圖4可知結構1的擺角隨著波高的不同變化比較平穩(wěn)，可穩(wěn)定作功。波高為1m時的效果最佳。而由圖5知結構3的擺角在（0～18）s時較小，在18s后幅度增大，0.9m和1m時擺角幅度較大，擺動不穩(wěn)定，浮體承受很大的波浪沖擊，不利于做功。由于球形浮體之間有相互作用，導致結構3響應較慢，同時，出現較大的擺動幅度。浮體的擺角與波高成正比，即波浪越高，浮體的擺角越大。由于波浪越高沖擊球形浮體的能力越強，浮體的擺動響應越快，擺角幅度越大。擺角的大小反應了波浪波高對球形浮體做功的能力，也就是波浪影響波形圖的高度。綜合考慮各方面因素，波高為0.8m時裝置運行較佳。

圖4 結構1在不同波高的擺角Fig.4 Structure 1 Swing Angles of Different Heights

4.2 波浪周期對球形浮體擺角的影響

在波況二的波浪參數下，探討周期對球形浮體擺角的影響，仿真計算結果，如圖6、圖7所示。結構1在不同波浪周期下的擺角線圖，如圖6所示。結構3在不同波浪周期下的擺角線圖，如圖7所示。在不同周期下浮體的擺角也不同。周期3.5s時結構1擺角幅度是（-20.5～17.6）°，結構 3 擺角幅度（-34.6～34.9）°；周期 4s時結構 1、結構 3 擺角幅度分別為（-17.4～15.5）°、（-2.46～4.05）°；周期4.5s時結構1擺角幅度是（-13.2～14.8）°，結構3擺角的幅度-（2.9～4.35）°。由此可知擺角與波浪周期成反比，即波浪周期越短，擺角的幅度就越大。這是由于波浪確定后，周期短則單位時間內對球形浮體作功能力越強。結構3在3.5s出現了較大幅度的擺角是由于裝置在該周期下浮體之間相互作用形成駐波，使得結構3發(fā)生共振而擺角增大。而擺角不穩(wěn)定不利于穩(wěn)定作功。綜合考慮裝置的整體效果，裝置在波浪周期為4s時運行較佳。在浮體擺動穩(wěn)定后，即（5～40）s時，浮體在三種周期下擺動的次數不同。說明周期是影響球形浮體響應快慢的因素。周期越短，響應越快，球形浮體的擺動越快，擺動頻率越大，擺角曲線寬度越窄，擺角的幅度越大，波浪對浮體作功越多。而圖形中3.5s、4s、4.5s曲線的細微變化，說明周期對球形浮體作功性能的影響不顯著。

圖6 結構1在不同周期的擺角Fig.6 Structure 1 Swing Angles of Different Periods

圖7 結構3在不同周期的擺角Fig.7 Structure 3 Swing Angles of Different Periods

4.3 波向角對球形浮體擺角的影響

圖8 波向角0°時三個球形浮體的擺角Fig.8 Three Spherical Body Swing Angles When the Wave Direction 0°

圖9 波向角15°時三個球形浮體的擺角Fig.9 Three Spherical Body Swing Angles When the Wave Direction 15°

圖10 30°波向角時三個球形浮體的擺角Fig.10 Three Spherical Body Swing Angles When the Wave Direction 30°

在波況三的波浪參數下，研討波浪方向對球形浮體擺角的影響，仿真結果，如圖8～圖10所示。波向角為0°時結構1、結構2、結構3的擺角曲線，如圖8所示。顯示結構的擺角幅度分別是-（17.8～16）°、（-17.8～16）°、（-2.4～4）°。結構 1 與結構 2 的擺角曲線重合且擺角幅度大，而結構3的擺角小。表明波向角對球形浮體擺角有顯著影響。迎著波浪方向的浮體擺角大，背著波浪方向的浮體由于受到了其它浮體的影響，擺角小，響應慢，不利于浮體吸收波浪能。由圖9可知，波向為15°時，結構1與結構2的擺角曲線偏差較小，結構1與結構2在10s左右擺角最大，擺角穩(wěn)定后的幅度是（-10～10）°；結構 3 的擺角（-3.6～5.2）°，與波向角 0°時比較，幅度增大很少，而在波向為15°時結構1與結構2不利于裝置較好的作功。波向角為30°時浮體擺角的曲線，如圖10所示。結構1與結構2的作功能力明顯減弱，擺角穩(wěn)定后范圍為（-8～8）°，相比波向角為0°、15°時其作功能力較弱；而結構3的擺角較大，但不太穩(wěn)定，球形浮體需要承受很大的波浪沖擊，結構3在（20～100）s擺動過于劇烈，不能實現穩(wěn)定作功，且對浮體的強度要求較高。

通過三種波向角的對比，波向角為0°時可以使得結構1和結構2較好地作功，而波向角15°、30°讓這兩個結構作功能力都有相應的降低，結構3的擺角在波向角增大時，擺角增大，但不太穩(wěn)定，不利于實現穩(wěn)定作功。在波向角為0°時，波浪迎著沖擊結構1、結構2，使得作功能力最強，同時結構3也有一定幅度擺角能實現穩(wěn)定作功。綜合分析結果，波向角為0°時波浪發(fā)電系統(tǒng)的作功能力最強，實際運行時應依據當地的波況，調整相應裝置使正三角形的中線與平均波向成0°角。

5 結論

提出了一種新型球形擺式波能發(fā)電裝置，應用水動力學軟件AQWA在規(guī)則波浪Airy二階波條件下探索波況參數對球形擺式波能裝置球形浮體的擺角規(guī)律進行模擬仿真分析。得出如下結果：（1）波浪周期是影響響應快慢和波形圖寬度的主要因素，周期越短，波形圖的寬度越小，球形浮體的響應越快。（2）波浪高度影響波形圖的高度，波高越大，球形浮體的擺角幅度越大，但波高過大對球形浮體強度及波能發(fā)電裝置的穩(wěn)定性不利。（3）波向角是影響三個球形浮體是否能夠達到其中兩個球形浮體擺角幅度大的主要因素，平均波向角與發(fā)電裝置的任意中線成0°角是裝置的最佳運行角度。以上研究結果為該裝置的實際應用提供理論依據。

參考文獻

［1］Simon Lindroth，Mats Leijon.Offshore wave power measurements—a review［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011，15（9）：4274-4285.

［2］Masaaki Imari，Yukihisa Washio，Hirotaka Osawa.Development of an offshore floating type wave power energy converter system“mighty whale”［J］.Science＆Technology in Japan，1997，60（15）：28-30.

［3］褚同金.海洋能資源開發(fā)利用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2004.（Zhu Tong-jin.Development and Utilization of Ocean Energy Resources［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2004）

［4］Vicinanza D，Margheritini L，Contestabile P.Sea wave slot-cone generator：an innovative caisson breakwaters for energy production［A］.Coastal Engineering 2008-Proceedings of the 31st International Conference［C］.Hamburg：World Scientific Publishing and Imperial College Press，2008：3694-3705.

［5］A.F.de O.Falco.Wave energy utilization：a review of the technologies［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010（14）：899-918.

［6］任建莉，鐘英杰，張雪梅.海洋波能發(fā)電的現狀與前景［J］.浙江工業(yè)大學學報，2006（1）：69-73.（Ren Jian-li，Zhong Ying-jie，Zhang Xue-mei.Current status and prospect of ocean wave energy power generation［J］.Journal of Zhejiang University of Technology，2006（1）：69-73.）

［7］You Y，Zheng Y，Shen Y.Wave energy study in China：advancements and perspectives［J］.China Ocean Engineering，2003，17（1）：101-109.

［8］石世寧，訚耀保.擺式海洋波浪能量轉換原理與應用［J］.液壓氣動與密封，2013（1）：1-5.（Shi Shi-ning，Yin Yao-bao.Principle and application of pendulum ocean wave power generation［J］.Hydraulics Pneumatics&Seals，2013（1）：1-5.）

［9］余順年，陳韋，詹立壘.一種擺式波浪發(fā)電裝置：中國，ZL2014200029-64.5［P］.（Yu Shun-nian，Chen Wei，Zhan Li-lei.A pendulum wave power device：China，ZL201420002964.5［P］.）