波浪能點(diǎn)吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)值優(yōu)化

孫崇飛 羅自榮 朱一鳴 盧鐘岳 吳國恒 尚建忠

(1.國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院， 長沙 410073； 2.曼徹斯特大學(xué)機(jī)械、航天與土木工程學(xué)院， 曼徹斯特 M17JR)

0 引言

海洋中蘊(yùn)含豐富的礦物資源、漁業(yè)資源和可再生能源等海洋資源[1-3]。由于海洋資源開發(fā)的需求，水面航行器、海洋機(jī)器人、海洋浮標(biāo)等先進(jìn)無人海洋探測器大量出現(xiàn)并投入應(yīng)用[4-5]。這些探測器大多采用電池或電纜方式供電[6]。電池供電限制了單次最大工作時間[7]，而電纜供電限制了工作范圍和機(jī)動性[8]。缺乏高效供電方式是制約各類無人海洋探測器商用化的技術(shù)瓶頸之一，解決其供電問題具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

無人海洋探測器大多遠(yuǎn)離海岸且長期無人維護(hù)，利用環(huán)境能源可從根本上解決供電問題。波浪能作為一種分布廣泛且能流密度很大的可再生能源[9]，是無人海洋探測器供電的理想能源。近20年，波浪能技術(shù)逐步走向成熟，部分技術(shù)成果實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用[10-11]。當(dāng)前波浪能發(fā)電技術(shù)研究主要集中在大型裝置上，其主要部署在海岸或近海。英國Aquamarine電力公司的OYSTER擺式發(fā)電裝置的波浪能陣列可以為12 000戶家庭提供生活用電[12]。澳大利亞Oceanlinx公司的MK3振蕩水柱式波浪能裝置實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電，其產(chǎn)生的電能被送往當(dāng)?shù)氐腎ntergal Energy電力公司[13]。

無人海洋探測器的電能需求較小，且大多工作在遠(yuǎn)海[14]，很難直接采用現(xiàn)有波浪能技術(shù)。此外波浪能發(fā)電裝置需作為供電模塊集成到探測器中，對尺寸有限制。在諸多類型的波浪能發(fā)電裝置中，點(diǎn)吸收器的尺寸相對于入射波波長最小[15-16]。點(diǎn)吸收器研究的典型產(chǎn)品有美國Ocean Power Technologies公司的PowerBuoy系列和英國Finavera Renewables公司的AquaBuOY系列。其中PowerBuoy PB3的浮體響應(yīng)波浪運(yùn)動產(chǎn)生相對于阻尼板的線性往復(fù)運(yùn)動，通過內(nèi)置機(jī)械系統(tǒng)把線性運(yùn)動轉(zhuǎn)換為發(fā)電所需的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動[17]；AquaBuOY 2.0則使用二沖程軟管泵對海水進(jìn)行加壓，利用加壓海水沖擊渦輪機(jī)發(fā)電[18]。上述兩種點(diǎn)吸收器的結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜且尺寸巨大。如PowerBuoy PB3的浮標(biāo)尺寸為2.7 m，整體高度為14.3 m[19]。所以上述點(diǎn)吸收器的工作原理和裝置尺寸使其不便于作為供電模塊集成到小功率海洋探測器，需進(jìn)一步簡化和優(yōu)化。

結(jié)合當(dāng)前小功率海洋探測器普遍缺乏高效供電方式的現(xiàn)狀和點(diǎn)吸收器在裝置小型化上的技術(shù)優(yōu)勢，本文提出一種基于反轉(zhuǎn)自適應(yīng)機(jī)理的波浪能點(diǎn)吸收器。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

海浪是一種表面波，其振幅隨水深的增加急劇衰減[19]。在一定深度下的海水是相對平靜的，這為點(diǎn)吸收器提供了一種相對參考體。據(jù)此設(shè)計了一種可作為海洋探測器供電模塊的新型波浪能點(diǎn)吸收器，如圖1所示。當(dāng)無人海洋探測器(比如水面航行器)漂浮于海面時，可以釋放其供電模塊(即波浪能點(diǎn)吸收器)到水面以下。點(diǎn)吸收器中的雙層吸收器通過沖擊靜水產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，驅(qū)動電機(jī)發(fā)電為水面航行器供電或蓄能。

圖1 點(diǎn)吸收器的概念圖Fig.1 Conceptual map of point absorber1.無人海洋探測器 2.系繩 3.供電模塊

如圖2所示，該點(diǎn)吸收器主要包括水面浮體和水下能量攝取(Power take-off，PTO)系統(tǒng)兩部分，并通過系繩連接。由于點(diǎn)吸收器被集成到無人海洋探測器中，其水面浮體由探測器充當(dāng)。水下PTO主要包括上下層吸收器、傳動軸和內(nèi)置減速器的小型發(fā)電機(jī)等。吸收器是PTO的核心，主要由內(nèi)環(huán)、葉片和外環(huán)組成。內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間由徑向布置的8根支撐軸連接。8片具有限位裝置的扇形葉片被安裝在相應(yīng)的支撐軸上，采用中心對稱的圓周陣列布置。

圖2 點(diǎn)吸收器的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of point absorber1.水面浮體 2.系繩 3.水下PTO 4.小型發(fā)電機(jī) 5.上層吸收器 6.傳動軸 7.下層吸收器 8.限位裝置 9.支撐軸 10.葉片 11.外環(huán) 12.內(nèi)環(huán)

新型點(diǎn)吸收器基于反轉(zhuǎn)自適應(yīng)機(jī)理，工作原理如圖3所示。①當(dāng)水面浮體上升時，水下PTO受到系繩拖拽而上升，如圖3a所示。上層吸收器葉片的上表面受水流沖擊，自適應(yīng)性下擺。葉片受限位裝置限制在達(dá)到最大傾角后，停止下擺并呈傾斜狀態(tài)。水流繼續(xù)沖擊傾斜的葉片，產(chǎn)生推力向前推動葉片。由于葉片是圓周陣列布置，上層吸收器逆時針旋轉(zhuǎn)。同理，下層吸收器順時針旋轉(zhuǎn)。②當(dāng)水面浮體處于波峰或波谷時，葉片處于偏轉(zhuǎn)過程而無法提供推力，如圖3b所示。吸收器由于慣性會保持一定轉(zhuǎn)速。③當(dāng)水面浮體下沉?xí)r，水下PTO受重力作用而下沉，如圖3c所示。上層吸收器葉片的下表面受水流沖擊，自適應(yīng)性上擺，達(dá)到最大傾角后呈傾斜狀態(tài)。水流繼續(xù)沖擊葉片，產(chǎn)生推力向前推動葉片。葉片的水平受力方向不變，上層吸收器保持逆時針旋轉(zhuǎn)。同理，下層吸收器保持順時針旋轉(zhuǎn)。

圖3 波浪能點(diǎn)吸收器的工作原理Fig.3 Working principle diagrams of wave energy point absorber

由點(diǎn)吸收器的工作原理可得：吸收器葉片可根據(jù)水流沖擊方向自適應(yīng)地調(diào)整葉片偏轉(zhuǎn)方向，并保持單層吸收器的單向旋轉(zhuǎn)。葉片布置方向相反的雙層吸收器自動平衡PTO的整體轉(zhuǎn)矩，并為發(fā)電機(jī)發(fā)電提供反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

2 能量轉(zhuǎn)換過程及性能評估理論

結(jié)合新型點(diǎn)吸收器的工作原理和性能特性的分析，分析其能量轉(zhuǎn)換過程如圖4所示。點(diǎn)吸收器通過水面浮體把波浪運(yùn)動轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動形式的機(jī)械能，再通過雙層吸收器將其轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動形式的機(jī)械能，最終驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。當(dāng)前關(guān)于水面浮體的研究較多[20]，在此不多做分析。PTO系統(tǒng)作為核心部件，主要由雙層吸收器和小型發(fā)電機(jī)組成。

圖4 能量轉(zhuǎn)換過程Fig.4 Energy conversion process

點(diǎn)吸收器的能量轉(zhuǎn)換過程分別涉及到浮體捕獲效率ηcap、吸收器水力效率ηhyd和發(fā)電機(jī)發(fā)電效率ηgen。點(diǎn)吸收器的總效率η可以表述為

η=ηcapηhydηgen

(1)

吸收器輸入功率Pin可以用單位時間內(nèi)吸收器水平截面通過的流體動能來表示，即

(2)

式中Ek——時間t內(nèi)通過吸收器水平截面的圓柱體狀流體動能

h——圓柱體狀流體高度

r——圓柱體狀流體半徑，即吸收器半徑

v——吸收器和水體之間的相對流速

ρ——水體密度

吸收器輸出功率Pout為

(3)

式中T——輸出轉(zhuǎn)矩,N·m

ω——角速度，rad/s

n——轉(zhuǎn)速，r/min

吸收器水力效率ηhyd為輸入功率Pin和輸出功率Pout之比，即

(4)

3 數(shù)值計算方法與配置

選用Fluent 16.0對點(diǎn)吸收器的水動力學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值分析。波浪運(yùn)動是一種隨機(jī)的不規(guī)則振蕩運(yùn)動[21]，點(diǎn)吸收器升沉運(yùn)動的瞬時速度不恒定且存在波動。吸收器葉片的自適應(yīng)性擺動使得葉片存在換向過程，期間葉片并非處于最大偏轉(zhuǎn)角，水流無法提供推力。另外吸收器的轉(zhuǎn)速受電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的綜合影響，也存在波動。為便于評估點(diǎn)吸收器的性能特性，取葉片相對水流的沖擊速度、葉片相對水平面的最大偏轉(zhuǎn)角和吸收器轉(zhuǎn)速等典型的系統(tǒng)參數(shù)在單組數(shù)值分析中為常數(shù)，即對點(diǎn)吸收器在典型海況下的最大瞬時功率和效率進(jìn)行數(shù)值分析。

采用滑移網(wǎng)格[22]來模擬雙層吸收器與水體之間的相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。SSTk-ω模型兼具了standardk-ω模型在邊界層逆壓梯度區(qū)間和k-ε模型在自由剪切流上的計算優(yōu)勢[23]，是本文數(shù)值優(yōu)化采用的湍流模型。點(diǎn)吸收器的標(biāo)準(zhǔn)模型如圖5所示，其中吸收器直徑為400 mm，上下層吸收器間距為400 mm，吸收器的整體高度約為560 mm。為減少次要特征對計算資源的過度消耗及其造成的網(wǎng)格畸變，用于數(shù)值分析的模型在標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了合理簡化。

圖5 模型Fig.5 Models

如圖6所示，選取圓柱形計算域覆蓋吸收器，并采用四面體網(wǎng)格對計算域進(jìn)行分區(qū)劃分。計算域內(nèi)的網(wǎng)格按照與點(diǎn)吸收器的距離進(jìn)行分區(qū)，與吸收器越近的區(qū)域的網(wǎng)格尺寸越小。中間區(qū)域①被細(xì)化為4個子區(qū)域，其中標(biāo)號為②、③的區(qū)域的運(yùn)動形式設(shè)置為沿傳動軸旋轉(zhuǎn)?；凭W(wǎng)格方法通過旋轉(zhuǎn)上述特定的網(wǎng)格區(qū)域來求解雙層吸收器與水體作用的時間精確解。區(qū)域②、③與其周圍區(qū)域之間的交界面設(shè)置為Interface，其他區(qū)域之間的交界面設(shè)置為Interior。

圖6 計算域及網(wǎng)格劃分Fig.6 Calculation domain and meshing

4 數(shù)值計算結(jié)果與分析

基于上述對性能評估理論和數(shù)值配置方法的研究，對點(diǎn)吸收器的功率和效率特性進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化分析。

4.1 相對流速對點(diǎn)吸收器性能特性的影響

圖7顯示了相對流速對點(diǎn)吸收器性能特性的作用規(guī)律。不同葉片傾角的上層吸收器功率均隨相對流速的增加而加速增大。不同葉片傾角的上層吸收器的效率均隨相對流速的增加而最終減少，但具體變化規(guī)律有所不同。在低流速區(qū)(≤1.2 m/s)，20°葉片傾角的性能特性最優(yōu)；在中高速區(qū)(≥1.4 m/s)，35°葉片傾角的性能特性最優(yōu)。

圖7 不同相對流速下的吸收器的性能特性Fig.7 Performance characteristics of point absorber at different relative velocities

圖8顯示了35°葉片傾角的上層吸收器葉片受到水流沖擊時的壓力云圖。與水輪機(jī)的運(yùn)行原理相似，吸收器葉片在受到水流沖擊后，其壓力側(cè)和吸力側(cè)之間產(chǎn)生壓差。該壓差對葉片的推力最終形成吸收器的轉(zhuǎn)矩。葉片壓力側(cè)和吸力側(cè)的壓力分別主要為正壓力和負(fù)壓力。壓差沿著弦長方向逐漸減小，在葉片后緣趨近于零。葉片的高壓差區(qū)主要集中在前緣，因此輸出轉(zhuǎn)矩主要由前緣提供。對比1.0 m/s和2.0 m/s相對流速的葉片壓力云圖發(fā)現(xiàn)，兩者葉片壓力分布規(guī)律類似，但后者的壓差明顯大于前者。因此，提高相對流速來提高吸收器功率主要是通過增大葉片前緣的壓差絕對值和作用面積來實(shí)現(xiàn)的。

圖8 不同相對速度下的上層吸收器葉片壓力分布Fig.8 Pressure distribution of upper absorber blades with different relative velocities

4.2 葉片傾角對點(diǎn)吸收器性能特性的影響

圖9顯示了葉片傾角對點(diǎn)吸收器性能特性的作用規(guī)律。點(diǎn)吸收器的功率和效率隨葉片傾角的增加而呈拋物線式變化。隨著相對流速增加，最高性能取值的最佳傾角變大。也就是說，點(diǎn)吸收器所在海域的海況等級越高，水流沖擊速度越大，其最佳傾角越大。此外，功率的最大值隨相對流速增加而增加，而效率的最大值卻隨之減少。即點(diǎn)吸收器所在海域的海況等級越高，輸出功率越高而效率反而越低。根據(jù)不同海況調(diào)整葉片傾角，可以優(yōu)化點(diǎn)吸收器的性能特性。

圖9 不同葉片傾角下的吸收器的性能特性Fig.9 Performance characteristics of point absorber under different blade angles

4.3 相對流速和葉片傾角對點(diǎn)吸收器性能特性的綜合影響

圖10顯示了相對流速和葉片傾角對點(diǎn)吸收器性能特性的作用規(guī)律?？梢钥闯?，吸收器的功率高值區(qū)在高流速區(qū)(≥1.8 m/s)，其對應(yīng)的最佳葉片傾角取值范圍為30°～45°；吸收器的效率高值區(qū)在低流速區(qū)(≤1.2 m/s)，其對應(yīng)的最佳葉片傾角取值范圍為20°～35°。

圖10 相對流速和葉片傾角對吸收器性能特性的綜合影響Fig.10 Combined effect of relative velocity and blade angle on performance of upper absorber

4.4 轉(zhuǎn)速對點(diǎn)吸收器性能特性的影響

圖11顯示了轉(zhuǎn)速對點(diǎn)吸收器性能特性的作用規(guī)律。35°葉片傾角的點(diǎn)吸收器具有較好的水動力學(xué)特性，選其為本組數(shù)值優(yōu)化的研究對象。在中低流速區(qū)，轉(zhuǎn)速對吸收器功率的作用有限，功率隨轉(zhuǎn)速增加變化平緩；在高流速區(qū)，轉(zhuǎn)速對吸收器功率的作用顯著，功率隨轉(zhuǎn)速增加而大幅提升。吸收器效率在不同流速區(qū)間均隨轉(zhuǎn)速的增加而先增加后降低。相對流速越大的情況下，取得最大效率的最佳轉(zhuǎn)速也越大。也就是說，點(diǎn)吸收器所在海域的海況等級越高，需適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速來使吸收器功率和效率最大化。而吸收器轉(zhuǎn)速的調(diào)整可以通過改變電機(jī)負(fù)載扭矩和減速箱傳動比來實(shí)現(xiàn)。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下的吸收器的性能特性Fig.11 Performance characteristics of point absorber at different rational speeds

4.5 上層和下層吸收器的相互作用

上述4.1～4.4節(jié)中數(shù)值分析的研究對象為處于上升過程中的上層吸收器。即上層吸收器受到的沖擊水流豎直向下，且沒有受到擾動。但水流在流過上層吸收器后流態(tài)會發(fā)生改變，沖擊下層吸收器的流向并非豎直向下?？梢娚舷聦游掌鞯牧鲌龃嬖谙嗷ビ绊?，這會影響裝置的能量轉(zhuǎn)換特性。由于點(diǎn)吸收器在上升和下沉過程中運(yùn)動的相似性，本節(jié)中僅對處于上升過程中的雙層吸收器進(jìn)行分析。

圖12顯示了雙層吸收器在相互作用后的性能特性。其中圖12a、12b、12c分別為35°、45°、55°葉片傾角的雙層吸收器的功率和效率；圖12d為上述3組雙層吸收器的總功率和效率的對比?？梢钥闯觯孩?35°葉片傾角的上層吸收器的功率及效率在3組中最高，但其下層吸收器的功率和效率最低。其總的功率和效率在低流速區(qū)(≤1.2 m/s)是3組中最高的，并在相對流速為1.2 m/s時取得3組中的最高效率25.5%。② 45°葉片傾角的上層吸收器的功率和效率輕微降低，但下層吸收器的性能上升幅度很大。其總功率和效率在高流速區(qū)(≥1.8 m/s)是3組中最高的，基本穩(wěn)定在20%～25%。③ 55°葉片傾角的上層吸收器的性能繼續(xù)下降，其下層吸收器性能則繼續(xù)上升。整體性能低于45°葉片傾角的吸收器。但其上下層吸收器的性能接近，利于上下層吸收器轉(zhuǎn)矩的配平。

圖13為相對流速為2 m/s的點(diǎn)吸收器流場的豎截面速度云圖?？梢钥闯?，35°葉片傾角的雙層吸收器中間有一個明顯的低速水流區(qū)，區(qū)域內(nèi)的水流速度僅為周圍水域流速的50%左右。相比之下，55°葉片傾角的雙層吸收器所形成的低速水流區(qū)要小很多。

圖14顯示了上述情況下的點(diǎn)吸收器流場的豎截面速度矢量圖?？梢钥闯觯?5°葉片傾角的點(diǎn)吸收器存在一個明顯的渦流區(qū)。渦流區(qū)形成了一個直徑接近吸收器直徑、高度接近雙層吸收器間距的圓柱體狀的循環(huán)流區(qū)。循環(huán)流區(qū)改變了沖擊下

圖12 不同葉片傾角下的上、下層吸收器之間的相互作用Fig.12 Interaction between upper and lower absorbers under different blade angles

圖13 不同葉片傾角的點(diǎn)吸收器的豎截面速度云圖Fig.13 Velocity contours of vertical section of point absorber under different blade angles

圖14 不同葉片傾角點(diǎn)吸收器的豎截面速度矢量圖Fig.14 Velocity vector plots of vertical section of point absorberunder different blade angles

層吸收器的水流流態(tài)，降低了沖擊水流流速，造成下層吸收器性能遠(yuǎn)低于上層吸收器。相比之下，55°葉片傾角的雙層吸收器產(chǎn)生的渦流小很多，且僅存在于傳動軸附近流場。55°葉片傾角的上下層吸收器之間的相互作用被弱化，兩者性能接近。

上述雙層吸收器之間相互作用對總體性能影響的分析，主要是指兩者相互作用充分的情況。當(dāng)吸收器的運(yùn)動幅值較小，位于水流上游的吸收器產(chǎn)生的尾流并不能擴(kuò)散到水流下游的吸收器。此時下游吸收器在未受到擾動時就反向運(yùn)動，兩者的相互作用就很弱。這種情況下，上游和下游吸收器的性能差異不大，即均接近于圖12中深紅色區(qū)域所表示的吸收器性能值。因此，當(dāng)點(diǎn)吸收器處于較高海況時，其運(yùn)動幅值大且相互作用明顯；處于較低海況時，運(yùn)動幅值小且相互作用弱。

通過上述分析可得出：當(dāng)點(diǎn)吸收器處于較高海況宜采用大于等于45°的葉片傾角。此時雙層吸收器相互作用較充分，較大的葉片傾角可以弱化兩者的相互作用，提高點(diǎn)吸收器的總體性能并有利于裝置的轉(zhuǎn)矩配平；當(dāng)點(diǎn)吸收器處于較低海況宜采用小于等于35°的葉片傾角。此時吸收器之間的相互作用較弱，上下層吸收器之間的性能接近，具有較小葉片傾角的單層吸收器的性能更高，有利于提高點(diǎn)吸收器的總體性能。

5 試驗(yàn)

為驗(yàn)證新型點(diǎn)吸收器工作原理的可行性及數(shù)值分析的準(zhǔn)確性，制作了點(diǎn)吸收器的物理樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)桶和造波池試驗(yàn)。樣機(jī)如圖15所示，吸收器的內(nèi)外環(huán)使用鋁合金，支撐軸和傳動軸的套管為碳纖維管，吸收器葉片采用PE材質(zhì)，其余部分主要采用304不銹鋼。點(diǎn)吸收器采用內(nèi)置減速器的小型永磁直流發(fā)電機(jī)，最大功率為30 W。

圖15 點(diǎn)吸收器的物理樣機(jī)Fig.15 Physical prototype of point absorber1.發(fā)電機(jī)罩 2.內(nèi)置發(fā)電機(jī) 3.上層吸收器 4.下層吸收器 5.內(nèi)環(huán) 6.外環(huán) 7.傳動軸 8.葉片 9.支撐軸

5.1 試驗(yàn)桶試驗(yàn)

圖16 試驗(yàn)桶試驗(yàn)Fig.16 Test platform with test pool1.電動缸 2.試驗(yàn)桶 3.點(diǎn)吸收器樣機(jī) 4.數(shù)據(jù)采集卡 5.計算機(jī) 6.控制器

試驗(yàn)桶試驗(yàn)平臺如圖16所示，主要包含試驗(yàn)桶、電動缸、控制器、數(shù)據(jù)采集卡和運(yùn)行LabVIEW的計算機(jī)等。基于現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，測試了低流速下的不同葉片傾角的點(diǎn)吸收器功率。葉片傾角分別設(shè)置為10°、15°、20°、25°。設(shè)置電動缸的運(yùn)動方式為幅值S=150 mm、周期為t=2 s的正弦曲線，其最高速度Vmax=0.47 m/s。

試驗(yàn)輸出物理量為電壓U，電路電阻R為10 Ω，瞬時功率P可由P=U2/R求得。如圖17a所示，瞬時功率P在0～8 W之間波動。為了便于試驗(yàn)和數(shù)值分析的數(shù)據(jù)比較，對上述瞬時輸出功率數(shù)據(jù)處理得出時均功率。再對雙層吸收器在最高速度Vmax下進(jìn)行數(shù)值計算，獲得輸出的機(jī)械總功率。對比試驗(yàn)中獲取的時均功率和數(shù)值分析獲取的機(jī)械功率，如圖17b所示。

圖17 試驗(yàn)桶試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及對比Fig.17 Experimental data and comparison of test pool experiments

通過試驗(yàn)桶試驗(yàn)和數(shù)值計算獲取的兩種功率曲線在變化趨勢上非常一致，但取值有所不同。原因如下：①試驗(yàn)輸出量為吸收器后端發(fā)電機(jī)的電流信號，而數(shù)值分析輸出量為吸收器的水動力學(xué)性能，兩種輸出量是從不同方面反應(yīng)吸收器的功率特性。②試驗(yàn)中獲取的時均功率為發(fā)電機(jī)對吸收器輸出機(jī)械能的二次轉(zhuǎn)化，存在能量損失。③試驗(yàn)中獲取的時均功率為瞬時功率經(jīng)處理后得到的，而仿真中獲取的機(jī)械功率是在升沉運(yùn)動中最大的相對流速下得到的。試驗(yàn)桶試驗(yàn)和數(shù)值分析中獲取的功率曲線高度一致，驗(yàn)證了兩種分析方法的合理性及準(zhǔn)確性。

5.2 造波池試驗(yàn)

試驗(yàn)桶由于尺寸限制具有阻塞效應(yīng)，可能對吸收器性能產(chǎn)生加強(qiáng)作用，有必要補(bǔ)充造波池試驗(yàn)。圖18為造波池試驗(yàn)平臺，造波池長、寬、高分別為40、1.0、0.8 m。點(diǎn)吸收器樣機(jī)高度為0.56 m。為避免樣機(jī)與池底的碰撞并模擬海底靜水層，在池底挖有0.8 m深的正方體坑體。測試平臺由數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)行LabVIEW的計算機(jī)和其他電路元件組成。試驗(yàn)中的波浪譜為規(guī)范波譜，波高0.3 m，水深0.6 m。

圖18 造波池試驗(yàn)平臺Fig.18 Test platform with wave tank

基于當(dāng)前試驗(yàn)條件，對不同波浪周期下的點(diǎn)吸收器的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，如圖19所示。分析電壓曲線得出：①該新型點(diǎn)吸收器可以穩(wěn)定輸出電能，其機(jī)構(gòu)設(shè)計和工作原理可行。②當(dāng)前試驗(yàn)條件下產(chǎn)生的電壓峰值主要在3～4 V之間。③不同波浪周期值與電壓峰值數(shù)量具有明顯的對應(yīng)關(guān)系，但是對電壓峰值的影響并不明顯。

圖19 點(diǎn)吸收器在不同波浪周期下的電壓曲線Fig.19 Voltage curves of point absorber under different wave periods

本次的造波池試驗(yàn)還出現(xiàn)了電壓偏低及電壓曲線中波谷偏大的現(xiàn)象。原因如下：①造波池的尺寸較小且波高僅為0.3 m?？紤]到浮子對波浪的響應(yīng)，點(diǎn)吸收器的升沉運(yùn)動幅值不會超過0.15 m。②吸收器葉片換向占用了較大的運(yùn)動行程，且換向過程中水流無法對葉片產(chǎn)生推力，點(diǎn)吸收器的設(shè)計在大行程中的優(yōu)勢沒有充分發(fā)揮出來。

6 結(jié)論

(1)新型點(diǎn)吸收器的工作原理可行。帶限位裝置的葉片設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)在升沉運(yùn)動中自適應(yīng)地調(diào)整偏轉(zhuǎn)方向，并保持吸收器的單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)方向相反的雙層吸收器可以實(shí)現(xiàn)PTO的整體轉(zhuǎn)矩配平，且不受升沉運(yùn)動中運(yùn)動行程的限制。

(2)點(diǎn)吸收器的性能特性受相對流速、葉片傾角、轉(zhuǎn)速的影響很大。功率高值區(qū)在高流速區(qū)，相應(yīng)的最佳葉片傾角為30°～45°；吸收器的效率高值區(qū)在低流速區(qū)，相應(yīng)的最佳葉片傾角為20°～35°。在典型海況下，50～90 r/min的轉(zhuǎn)速是合適的。點(diǎn)吸收器性能受轉(zhuǎn)速的影響還需考慮相對流速，相對流速越高其最佳轉(zhuǎn)速越高。

(3)上下層吸收器的相互作用對點(diǎn)吸收器的總體性能有重要影響。當(dāng)點(diǎn)吸收器處于較高海況時，葉片傾角宜大于等于45°。較大的傾角可以弱化上下吸收器之間的相互作用，利于轉(zhuǎn)矩平衡并最大化總體性能。當(dāng)點(diǎn)吸收器處于較低海況時，葉片傾角宜大于等于35°。較小傾角的單層吸收器性能更優(yōu)，利于提高總體性能。