擺式波能發(fā)電裝置性能的時域分析

張虎　樊后朋

摘 要：擺式波能發(fā)電裝置具有較高的轉(zhuǎn)換效率，近年來獲得眾多學(xué)者的關(guān)注。本文首先基于勢流理論在頻域分析了擺板厚度對于擺式波能發(fā)電裝置水動力特性的影響。在此基礎(chǔ)上求解考慮動力攝取系統(tǒng)的Cummins方程計算瞬時功率和平均功率。進一步分析了擺板厚度對擺式波能發(fā)電裝置瞬時功率的影響和動力攝取系統(tǒng)的阻尼系數(shù)對擺式波能發(fā)電裝置平均功率的影響。

關(guān)鍵詞：波浪能;勢流理論;頻域;時域;瞬時功率;平均功率

在眾多的海洋可再生能源中，波浪能以能量密度大，分布范圍廣而受到人們的青睞，許多波能發(fā)電裝置被開發(fā)出來[1]。其中擺式波能發(fā)電裝置（如圖1所示）主要由擺板、動力攝取系統(tǒng)和發(fā)電機等組成，擺板在波浪作用下繞軸前后擺動帶動活塞液壓桿運動，進而將波浪能轉(zhuǎn)化為電能[2]。

1 頻域勢流理論

假定流體不可壓縮，無粘性，運動無旋。速度勢滿足拉普拉斯方程：

4 水動力特性數(shù)值模擬及結(jié)果分析

4.1 裝置模型

本研究中簡化的浮力擺波能轉(zhuǎn)換裝置由擺板和基座組成（它們之間由平面鉸連接，同時通過線性阻尼器轉(zhuǎn)換能量MPTO（t）=-BPTOθ·（t），BPTO為線性阻尼系數(shù)），其主要參數(shù)如下表所示[5]，分別建立1.8m和0.6m兩種厚度的擺板，計算時選擇水深h=10.9m。建立的簡化的浮力擺與坐標系統(tǒng)如圖2所示。

ANSYS AQWA是基于邊界元法的水動力分析軟件，只需擺版的表面模型并劃分網(wǎng)格（如圖3所示）。坐標系原點定義在水面與擺板交界面的中心，Z軸垂直向上，X軸為波浪傳播方向。

4.2 水動力特性分析結(jié)果

圖4-圖9分別是兩種厚度擺板和基座的激振力、輻射阻尼、附加質(zhì)量與波浪周期的關(guān)系，從圖4和圖6可以看到，擺板的激振力和輻射阻尼隨著波浪周期先增大后減小，有一個明顯的峰值，輻射阻尼最后趨于0;從圖8可以看到，擺板的附加質(zhì)量也有一個明顯的峰值，隨著波浪周期的增大，最后趨于一個固定值;從圖5、7和9可以看到，基座的水動力計算結(jié)果和擺板類似，但峰值遠小于擺板，對裝置的影響很小;兩種不同厚度裝置的水動力系數(shù)曲線形狀相同，有些部分幾近重合，說明擺板和基座厚度對裝置的水動力特性影響很小。

5 時域分析及結(jié)果

將AQWA的水動力分析結(jié)果導(dǎo)入開源分析軟件WEC-Sim[5]，并在WEC-Sim里設(shè)置波浪參數(shù)，本文采用規(guī)則波和線性動力攝取系統(tǒng)。數(shù)值分析時，前100s為啟動時間，100s波浪趨于穩(wěn)定。

5.1 擺板厚度對功率的影響

時域模擬時取波高為1.75m，波浪周期為8.12s，選取動力攝取系統(tǒng)的阻尼系數(shù)為6e6Nms/rad。使用WEC-Sim進行時域分析，得到擺板運動情況和瞬時發(fā)電功率變化曲線如下圖所示。

由圖10和11可以看出，兩種厚度擺板的運動和發(fā)電功率變化趨勢一樣，但1.8m厚度擺板的運動幅值大，導(dǎo)致其發(fā)電效率較0.6m厚度擺板高。

5.2 動力攝取系統(tǒng)阻尼對發(fā)電效率的影響

在時域分析中保持波高為1.75m，波浪周期為8.12s不變，改變阻尼系數(shù)BPTO導(dǎo)致平均發(fā)電功率的變化如圖12所示：

由圖可見，當(dāng)BPTO→0時，平均功率趨近于0;當(dāng)BPTO→∞時，平均功率趨近于0，平均功率在所研究范圍內(nèi)存在最大值，對應(yīng)的最優(yōu)線性阻尼系數(shù)為5e7Nms/rad。

6 結(jié)論

本文使用ANSYS AQWA軟件建立擺板水動力計算模型，分析兩種厚度擺板和基座的水動力特性，結(jié)果表明擺板厚度對裝置水動力特性幾乎沒有影響;基座對裝置水動力特性的影響遠遠小于擺板。研究中將ANSYS AQWA分析的水動力結(jié)果導(dǎo)入WEC-Sim中進行時域分析，采用規(guī)則波和線性動力攝取系統(tǒng)，在時域分析了擺板厚度和阻尼系數(shù)對發(fā)電功率的影響。結(jié)果表明，1.8m厚度的擺板擺幅較大，其發(fā)電功率較高;波浪條件固定時，存在最佳阻尼系數(shù)，使發(fā)電裝置的平均功率最大。

參考文獻：

[1]陳韋，余順年，詹立壘，等.波浪能發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].能源與環(huán)境，2014（03）：83-84.

[2]滕斌，陳文.擺式波能轉(zhuǎn)換裝置的水動力分析模型[C].第十五屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會，中國山西太原，2011.

[3]Cummins WE.The impulse response function and ship motions[J].Schiffstechnik，1962，9：101-109.

[4]李松劍，潘衛(wèi)明，劉靖飆，等.浮力擺式波浪能發(fā)電裝置時域研究[J].太陽能學(xué)報，2017，38（02）：543-550.

[5]Yu YH，Lawson M，Ruehl K，Michelen C.Development and demonstration of the WEC-Sim wave energy converter simulation tool[C].The 2nd Marine Energy Technology Symposium，METS 2014，Seattle，WA，2014.