懸掛擺式波浪發(fā)電實驗裝置的開發(fā)

包興先，劉志慧，李昌良，張 敬

（中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

0 引 言

發(fā)展波浪能對我國海洋強(qiáng)國建設(shè)及生態(tài)文明建設(shè)等具有重要意義。波浪發(fā)電裝置通常包括能量俘獲系統(tǒng)、二級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和三級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。根據(jù)能量俘獲系統(tǒng)的不同，波浪發(fā)電裝置可分為振蕩水柱式、振蕩體式、越浪式三大類［1-2］。近年來，我國有多個科研單位進(jìn)行了不同形式的波浪發(fā)電裝置的理論及試驗研究，取得了很大進(jìn)展［3-15］。擺式波浪發(fā)電裝置屬于振蕩體式，結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)利用程度較高。擺式波浪發(fā)電裝置根據(jù)二級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的安裝位置不同，分為浮力擺式和懸掛擺式。浮力擺式的二級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)位于水下，不影響景觀，但安裝與維護(hù)不便；懸掛擺式的二級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)位于水上，安裝與維護(hù)較為方便。擺式波浪發(fā)電裝置的原理是通過擺板在波浪作用下的周期性往復(fù)擺動，俘獲波浪能，然后通過液壓式或機(jī)械式二級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為液壓能或機(jī)械能，最后通過三級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電［15］。現(xiàn)有的擺式波浪發(fā)電裝置的二級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通常為液壓裝置，可以將擺板往復(fù)擺動的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能，之后再轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，最終帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電?？梢钥闯?，其總的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)包括波浪能→機(jī)械能→液壓能→機(jī)械能→電能，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較多，能耗較大。

本文開發(fā)一種新的懸掛擺式波浪發(fā)電實驗裝置，特別是一種具有方向控制作用的新的二級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可減少能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高波能轉(zhuǎn)換效率。其主要功能為通過方向控制系統(tǒng)將擺板的雙向往復(fù)擺動轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)軸的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而發(fā)電。其總的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)包括波浪能→機(jī)械能→電能，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較少，能耗較小。

1 懸掛擺式波浪發(fā)電裝置開發(fā)

1.1 懸掛擺式波浪發(fā)電裝置組成

開發(fā)的懸掛擺式波浪發(fā)電實驗裝置如圖1 所示，主要包括擺板、支撐架、方向控制系統(tǒng)、變速箱和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。實驗裝置設(shè)有兩塊擺板，左右對稱，安裝在擺軸上，每塊擺板長0.35 m，寬0.15 m。發(fā)電裝置的核心部件——方向控制系統(tǒng)、變速箱和發(fā)電機(jī)都安裝在水面以上的工作平臺上，如圖2 所示。其中方向控制系統(tǒng)由兩個擺軸、兩個擺軸傘齒輪和兩個單向離合器組成［17］。兩個擺軸傘齒輪與變速箱上的傘齒輪嚙合，組成傘齒輪組，可以把擺軸的往復(fù)雙向擺動轉(zhuǎn)換成變速箱軸的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，進(jìn)而驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

圖1 懸掛擺式波浪發(fā)電裝置整體結(jié)構(gòu)圖

單向離合器是方向控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，由內(nèi)圈、若干滾珠和外圈構(gòu)成，如圖3 所示。內(nèi)圈和擺軸固定連接，外圈和傘齒輪固定連接。由于滾珠所在的兩個平面的傾角不相等，使得滾珠只能單向滾動。當(dāng)內(nèi)圈順時針轉(zhuǎn)動時，滾珠隨之滾動，而外圈不動；當(dāng)內(nèi)圈逆時針轉(zhuǎn)動時，滾珠將內(nèi)、外圈鎖定，外圈隨內(nèi)圈逆時針轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到單向離合的目的。

圖2 方向控制系統(tǒng)、變速箱和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)安裝圖

方向控制系統(tǒng)的工作機(jī)理如下：由于兩塊擺板在波浪驅(qū)動下同時擺動，從兩塊擺板中間分別向左、右兩邊看，當(dāng)左擺板順時針擺動時，左擺軸順時針轉(zhuǎn)動，帶動左單向離合器的內(nèi)圈順時針轉(zhuǎn)動，而外圈不動，即左傘齒輪保持不動；此時，右擺板逆時針擺動，右擺軸逆時針轉(zhuǎn)動，帶動右單向離合器的內(nèi)圈逆時針轉(zhuǎn)動，而外圈在滾珠的作用下隨之逆時針轉(zhuǎn)動，從而右傘齒輪逆時針轉(zhuǎn)動，帶動變速箱上的傘齒輪順時針旋轉(zhuǎn)（從前向后看），進(jìn)而驅(qū)動發(fā)電機(jī)的輸入軸順時針轉(zhuǎn)動。

同理，當(dāng)左擺板逆時針擺動時，左擺軸逆時針轉(zhuǎn)動，帶動左單向離合器的內(nèi)圈逆時針轉(zhuǎn)動，而外圈在滾珠的作用下隨之逆時針轉(zhuǎn)動，從而左傘齒輪逆時針轉(zhuǎn)動，帶動變速箱上的傘齒輪順時針旋轉(zhuǎn)（從前向后看），進(jìn)而驅(qū)動發(fā)電機(jī)的輸入軸順時針轉(zhuǎn)動；此時，右擺板順時針擺動，右擺軸順時針轉(zhuǎn)動，帶動右單向離合器的內(nèi)圈順時針轉(zhuǎn)動，而外圈不動，即右傘齒輪保持不動。

因此，不論擺板順時針還是逆時針擺動，發(fā)電機(jī)的輸入軸都順時針轉(zhuǎn)動，達(dá)到方向控制的目的。

1.2 懸掛擺式波浪發(fā)電裝置實驗

（1）實驗設(shè)備。發(fā)電裝置實驗在我校波浪水槽（見圖4（a））內(nèi)進(jìn)行。水槽長約15 m，寬0.4 m，深0.5 m。為了測得擺板在波浪作用下的擺角情況，在擺板上布設(shè)了角度傳感器，通過DHDAS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（見圖4（b））輸出相應(yīng)的角度數(shù)值，同時，輸出發(fā)電裝置產(chǎn)生的實時電壓數(shù)據(jù)。

圖4 懸掛擺式波浪發(fā)電實驗設(shè)備

（2）數(shù)據(jù)采集。在5 種波浪周期及波高工況下（見表1），分別記錄了擺板的擺角、發(fā)電裝置實時輸出的電壓信號。由于發(fā)電裝置兩個擺板左右對稱，本文只列出一個擺板的擺角情況。實驗靜水深30 cm，采樣頻率0.05 s，采樣時間50 s。

表1 不同工況下最大擺角及峰值電壓均值

圖5 為工況2 下發(fā)電裝置輸出電壓穩(wěn)定時（10 ～40 s），擺板的擺角隨時間變化情況。圖6 為工況2 下發(fā)電裝置輸出電壓穩(wěn)定時（10 ～40 s），輸出電壓隨時間變化情況。圖7 表示發(fā)電裝置輸出的峰值電壓均值隨不同的波浪周期變化情況。圖8 表示擺板的最大擺角隨不同的波浪周期變化情況。圖9 為發(fā)電裝置輸出的峰值電壓均值與擺板的最大擺角的對應(yīng)關(guān)系圖。

（3）實驗結(jié)論。由圖5 可以看出，擺板的擺角呈周期性變化，但擺角的正負(fù)幅值不同，正幅值較大。原因在于擺板在波浪推動下正向擺角逐漸增大至最大值，之后由于波浪力減小，擺板在重力作用下回擺，并由于慣性回擺到負(fù)向最大值，此后隨之波浪力的再次逐漸增大，擺板又向正向擺動，如此往復(fù)運(yùn)動。

圖5 工況2時擺板的擺角隨時間變化圖

圖6 工況2時發(fā)電裝置輸出電壓隨時間變化圖

圖7 發(fā)電裝置輸出的峰值電壓均值隨波浪周期變化圖

圖8 擺板的最大擺角隨波浪周期變化圖

圖9 發(fā)電裝置輸出的峰值電壓均值與擺板的最大擺角對應(yīng)關(guān)系圖

由圖6 可以看出，由于方向控制系統(tǒng)的作用，不管擺板正向擺動還是逆向擺動，裝置輸出電壓均為正值，而且呈周期性變化。

由圖7 和表1 可以看出，裝置輸出的峰值電壓均值隨著波浪周期的增大，逐漸增大到最大值，然后開始減小。當(dāng)波浪周期為3.5 s 時，裝置輸出的峰值電壓均值達(dá)到最大值，為836 mV。此時，裝置的發(fā)電性能較好。

由圖8 和表1 可以看出，擺板的最大擺角隨著波浪周期的增大，逐漸增大到最大值，然后開始減小。當(dāng)波浪周期為3.5 s時，擺角達(dá)到最大值，為26.6°。

由圖9 可以看出，隨著擺板的最大擺角逐漸增大，裝置輸出的峰值電壓均值也逐漸增大，兩者呈正相關(guān)的關(guān)系。當(dāng)擺角達(dá)到最大值，為26.6°時，裝置輸出的峰值電壓均值也達(dá)到最大值，為836 mV。

2 結(jié) 語

本文通過開發(fā)具有方向控制功能的懸掛擺式波浪發(fā)電實驗裝置，并開展實驗教學(xué)，不僅可以加深學(xué)生對擺式波浪發(fā)電裝置實際運(yùn)行的感性認(rèn)識，而且可以使學(xué)生深入理解影響擺式波浪發(fā)電裝置運(yùn)行性能的主要參數(shù)，歸納總結(jié)波浪周期、波高等因素與擺式波浪發(fā)電裝置的擺角及輸出電壓之間的影響規(guī)律。

波浪發(fā)電是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到海洋工程、機(jī)械工程及力學(xué)等多個學(xué)科，包含多種影響因素。如，擺板與波浪之間的耦合作用、擺板的安全性與穩(wěn)定性、齒輪傳動、電能的儲存與輸送等對擺式波浪發(fā)電裝置的性能也有影響，在下一步裝置的優(yōu)化開發(fā)中將深入研究。