雙浮子點(diǎn)吸收式波能轉(zhuǎn)換裝置參數(shù)研究

王 騰, 李樹(shù)勃, 肖煒杰, 包興先

雙浮子點(diǎn)吸收式波能轉(zhuǎn)換裝置參數(shù)研究

王 騰, 李樹(shù)勃, 肖煒杰, 包興先

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

點(diǎn)吸收式波能轉(zhuǎn)換裝置是具有較好應(yīng)用前景的一種波浪能開(kāi)發(fā)利用裝置, 其參數(shù)設(shè)計(jì)直接影響到波浪能開(kāi)發(fā)利用的可行性與有效性。作者針對(duì)青島齋堂島目標(biāo)海域海況, 通過(guò)數(shù)值模擬首先應(yīng)用單因素敏感性分析法分析了雙浮子點(diǎn)吸收式波能轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)尺寸、錨固形式、波流夾角、PTO阻尼、PTO剛度等參數(shù)對(duì)裝置俘能功率的獨(dú)立影響規(guī)律。之后考慮多參數(shù)的綜合影響, 通過(guò)運(yùn)用穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法, 以上述參數(shù)為控制因子并確定合理的變動(dòng)水準(zhǔn), 將俘能功率作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 選取合理的正交實(shí)驗(yàn)L矩陣, 得到了不同參數(shù)組合情況下的裝置俘能功率并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明, 浮子尺寸、PTO阻尼、波流夾角對(duì)裝置俘能功率影響較大, 而PTO剛度、錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角、錨鏈與波浪在水平面內(nèi)的夾角對(duì)俘能功率影響不明顯。提出的參數(shù)研究方法可為其他海域點(diǎn)吸收式波能轉(zhuǎn)換裝置參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

點(diǎn)吸收; 雙浮子波能轉(zhuǎn)換裝置; 參數(shù)研究; 俘能功率; 穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法

國(guó)際社會(huì)對(duì)保障能源安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、應(yīng)對(duì)氣候變化等問(wèn)題日益重視, 加快開(kāi)發(fā)利用海洋能已成為世界沿海國(guó)家和地區(qū)的普遍共識(shí)和一致行動(dòng)。波浪能是海洋能的重要組成部分, 各種型式的波浪能開(kāi)發(fā)利用裝置已引起廣泛研究[1-3]。點(diǎn)吸收式波能轉(zhuǎn)換裝置是具有較好應(yīng)用前景的一種波浪能開(kāi)發(fā)利用裝置。深入研究和優(yōu)化點(diǎn)吸收式波能轉(zhuǎn)換裝置的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)提高波浪能資源的采集和轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)如何提高點(diǎn)吸收式波能轉(zhuǎn)換裝置的波能轉(zhuǎn)換效率研究做了很多工作。許多學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)方形、圓柱形浮子結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究, 從浮子結(jié)構(gòu)所受波浪激勵(lì)力、結(jié)構(gòu)附加質(zhì)量、波浪輻射與繞射等多個(gè)角度對(duì)結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了全面的分析與研究。Zheng等[4]采用分離變量法和本征函數(shù)匹配展開(kāi)法研究了有限深度海域矩形長(zhǎng)浮子的線(xiàn)性波輻射問(wèn)題, 并詳細(xì)討論了波浪入射角、結(jié)構(gòu)吃水和結(jié)構(gòu)寬度對(duì)波浪力和水動(dòng)力系數(shù)的影響。Shen等[5]采用半解析的方法分析了底坎對(duì)自由表面上的矩形浮子水動(dòng)力系數(shù)、波浪力以及反射和透射系數(shù)的影響, 并將分析結(jié)果與邊界元法的解析結(jié)果進(jìn)行比較, 證明了輻射勢(shì)和衍射勢(shì)的解析表達(dá)式的正確性。Vantorre等[6]運(yùn)用線(xiàn)性波理論計(jì)算了點(diǎn)吸收式波能轉(zhuǎn)換裝置在具有代表性的幾種波浪條件下的發(fā)電性能, 將浮子的幾何形狀、外部阻尼和附加質(zhì)量作為可變參數(shù)來(lái)優(yōu)化波能轉(zhuǎn)換裝置, 并通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。Zhang等[7]研究了一種基于邊界離散化的半解析方法, 發(fā)現(xiàn)對(duì)于具有相同外徑、相同位移的波能轉(zhuǎn)換裝置, 圓柱型裝置在某些給定波浪頻率下具有良好的波能俘獲能力, 而在隨機(jī)海浪中, 拋物線(xiàn)型和錐形裝置則具有較好的穩(wěn)定性和適用性。

除了浮子形狀, 還有學(xué)者對(duì)浮子的幾何尺寸、系泊纜的布設(shè)、浮子質(zhì)量分布、外負(fù)載條件等進(jìn)行了優(yōu)化分析。Shadman等[8]提出了一種基于統(tǒng)計(jì)分析和頻域水動(dòng)力分析的波能轉(zhuǎn)換裝置幾何優(yōu)化方法, 并針對(duì)里約熱內(nèi)盧近岸區(qū)域的波浪特點(diǎn)給出了最佳的浮子尺寸。Sergiienko等[9, 10]分析了點(diǎn)吸收波能轉(zhuǎn)換裝置系泊纜的最佳角度, 同時(shí)對(duì)比了單纜與三纜系泊的性能。Meng等[11]通過(guò)模態(tài)分析研究了具有不對(duì)稱(chēng)質(zhì)量分布的球形點(diǎn)吸收裝置的工作原理, 結(jié)果表明該裝置能充分利用縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)獲得更高的發(fā)電效率。楊岑[12]通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)點(diǎn)吸收式波浪能泵的運(yùn)行特性進(jìn)行了研究, 結(jié)果表明對(duì)于尺寸固定的浮子系統(tǒng), 當(dāng)入射波頻與外負(fù)載條件匹配時(shí), 可以獲得最優(yōu)的轉(zhuǎn)換效率。

單浮子式點(diǎn)吸收波能轉(zhuǎn)換裝置通常需要較大的質(zhì)量與尺度, 以降低自身固有頻率, 從而盡可能地與波浪頻率相吻合以獲得更高的俘能功率, 這導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)性較低。有學(xué)者提出了雙浮子結(jié)構(gòu)來(lái)解決這一問(wèn)題, 即在單浮子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上, 增加一潛入水中的浮子, 從而降低結(jié)構(gòu)頻率以獲得較高的俘能功率。Candido等[13]分析了僅做垂蕩運(yùn)動(dòng)的共軸式雙浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置在線(xiàn)性阻尼負(fù)載條件下的運(yùn)行特性, 數(shù)值結(jié)果表明波浪頻率和對(duì)運(yùn)動(dòng)振幅的約束措施是影響其轉(zhuǎn)換效率的主要因素。Shami等[14]應(yīng)用Taguchi方法分析了7個(gè)不同的參數(shù)對(duì)僅考慮垂蕩運(yùn)動(dòng)的直驅(qū)式雙浮子波能轉(zhuǎn)換裝置俘能功率的影響。Liang等[15]研究了頻域內(nèi)雙浮子波能轉(zhuǎn)換裝置的線(xiàn)性粘性阻尼和流體動(dòng)力阻尼, 據(jù)此提出裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)以獲得最大俘能功率。Muliawan等[16]對(duì)松弛式系泊的雙浮子波能裝置在規(guī)則和不規(guī)則波浪條件下進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)系泊力對(duì)浮子俘能功率的影響很小。

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn), 當(dāng)前大多數(shù)學(xué)者只對(duì)點(diǎn)吸收波能轉(zhuǎn)換裝置的某個(gè)或幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行孤立分析研究。但事實(shí)上, 在波能采集過(guò)程中, 影響點(diǎn)吸收波能轉(zhuǎn)換裝置俘能功率的參數(shù)有很多, 而且在很多情況下這些參數(shù)的影響并不是孤立的。因此, 針對(duì)這一問(wèn)題, 以青島齋堂島海域?yàn)槟繕?biāo)海域, 首先應(yīng)用單因素敏感性分析法研究分析雙浮子直驅(qū)式點(diǎn)吸收波能轉(zhuǎn)換裝置的浮子尺寸、PTO阻尼、PTO剛度、波流夾角、錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角、錨鏈與波浪在水平面內(nèi)夾角等6項(xiàng)參數(shù)對(duì)裝置俘能功率的影響規(guī)律; 之后應(yīng)用穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法, 分析多項(xiàng)參數(shù)對(duì)裝置俘能功率的綜合影響, 明確各參數(shù)組合對(duì)裝置俘能功率的影響程度; 最后根據(jù)研究結(jié)果提出目標(biāo)海域優(yōu)選的裝置參數(shù)設(shè)計(jì)方案。

1 目標(biāo)海域與裝置模型

1.1 目標(biāo)海域介紹

本研究的目標(biāo)海域選為青島齋堂島海域。該海域地處黃海北部, 其東向和東南向面臨開(kāi)闊海域。2012年齋堂島海域建成了中國(guó)北方最大的海洋能綜合試驗(yàn)基地, 將重點(diǎn)開(kāi)展多能互補(bǔ)智能化獨(dú)立能源系統(tǒng), 波浪能、潮流能發(fā)電裝置和低成本海洋能輸變電設(shè)備等海洋可再生能源綜合利用技術(shù)開(kāi)發(fā)。

1.2 基礎(chǔ)模型

1.3 運(yùn)動(dòng)方程

由于PTO系統(tǒng)位于上下浮子之間, 根據(jù)牛頓第二定律, 考慮波流等環(huán)境因素及系泊系統(tǒng)的共同作用, 則分別建立上、下兩浮子運(yùn)動(dòng)方程, 如式(2)和(3):

PTO作用力可表示為:

圖1 雙浮子直驅(qū)式點(diǎn)吸收波能轉(zhuǎn)換裝置基礎(chǔ)模型

pto=c+k, (4)

式中,c為阻尼力,k為回復(fù)力。

僅考慮線(xiàn)性阻尼與線(xiàn)性剛度系數(shù), 則有

式中,p為PTO阻尼系數(shù)。

k=p(1–2) , (6)

式中,p為PTO線(xiàn)性剛度系數(shù),1、2分別為上、下兩浮子在6個(gè)自由度方向上的(角)位移量。

波能轉(zhuǎn)換裝置在一段時(shí)間內(nèi)的平均俘能功率為

將式(5)代入式(7)中得到:

2 參數(shù)研究

研究過(guò)程中應(yīng)用AQWA軟件分析裝置在不同工況下的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng), 考慮波能轉(zhuǎn)換裝置橫蕩、縱蕩、垂蕩3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng), 取裝置穩(wěn)定后1 000 s內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)上下浮子坐標(biāo)位置可以得到3個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下兩浮子相對(duì)位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)(圖2), 對(duì)曲線(xiàn)求導(dǎo)可以進(jìn)一步得到兩浮子相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度, 根據(jù)公式(8)可計(jì)算得到波能發(fā)電裝置的俘能功率。

圖2 兩浮子相對(duì)位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

2.1 單參數(shù)對(duì)裝置俘能功率的影響

工況1下, 浮子尺寸對(duì)裝置俘能功率和俘能帶寬的影響如圖3所示?？梢钥闯? 隨著兩浮子半徑的增大, 最大俘能功率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì), 在半徑1.2 m時(shí)俘能功率最大, 為448 W; 在浮子半徑逐漸增大情況下, 裝置達(dá)到最大俘能功率時(shí)對(duì)應(yīng)的波浪頻率則逐漸減小, 這是由于浮子尺寸增大, 裝置整體固有頻率降低導(dǎo)致的; 另外可以看到裝置的俘能帶寬隨浮子尺寸增大逐漸減小, 裝置達(dá)到最大俘能功率即浮子半徑為1.2 m時(shí)俘能帶寬為0.275 Hz。

表1 不同工況中各參數(shù)取值

圖3 浮子尺寸變化對(duì)俘能功率和俘能帶寬的影響

圖4為工況2下PTO阻尼對(duì)裝置俘能功率和俘能帶寬的影響圖。裝置PTO阻尼的增加會(huì)阻礙兩浮子的相對(duì)運(yùn)動(dòng), 減小其相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度, 但根據(jù)公式(8)可知, PTO阻尼又與裝置的俘能功率呈正相關(guān)。因此可見(jiàn)隨著PTO阻尼增大, 裝置俘能功率迅速增加, 在11 000N·s·m–1~15 000 N·s·m–1區(qū)間內(nèi)俘能功率達(dá)到最大值700 W并保持穩(wěn)定, 之后隨著PTO阻尼繼續(xù)增加, 最大俘能功率略有下降; 另外隨著PTO阻尼的增大, 裝置俘能帶寬也隨之增加, 當(dāng)PTO阻尼為18 000 N·s·m–1時(shí), 俘能帶寬達(dá)到最大, 為0.34 Hz。

工況3下, PTO剛度對(duì)裝置俘能功率和俘能帶寬的影響如圖5所示。PTO剛度在500 N·m–1~800 N·m–1時(shí), 裝置俘能功率較高, 但總體來(lái)看, 俘能功率隨PTO剛度變化不大; 另外裝置俘能帶寬也不隨PTO剛度變化而產(chǎn)生顯著變化。這是由于PTO剛度的變化雖然會(huì)影響兩浮子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度, 但是當(dāng)剛度在合理區(qū)間內(nèi)變動(dòng)時(shí)對(duì)兩浮子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度影響不會(huì)很大, 這也可以說(shuō)明PTO剛度的變化對(duì)裝置俘能功率和俘能帶寬無(wú)明顯影響。

圖4 PTO阻尼變化對(duì)俘能功率和俘能帶寬的影響

圖5 PTO剛度變化對(duì)俘能功率和俘能帶寬的影響

圖6為工況4下錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角對(duì)裝置俘能功率和俘能帶寬的影響圖?？梢钥闯? 錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角約40°時(shí)俘能功率最小, 其他角度范圍內(nèi)裝置俘能功率變化不明顯; 另外隨著角度的增加裝置的俘能帶寬先減小后略微增大, 并在50°~70°時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。由于錨鏈與下浮子相連, 其主要作用為固定裝置在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng), 而且錨鏈相對(duì)較長(zhǎng)且存在一定拉伸能力, 因此不會(huì)對(duì)兩浮子相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生較大影響, 從而不會(huì)大幅度影響俘能功率, 這也與圖6結(jié)果較為一致。

圖6 錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角變化對(duì)俘能功率和俘能帶寬的影響

圖7顯示了上浮子的漂移距離隨錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn), 當(dāng)錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角10°時(shí), 上浮子漂移距離最大, 約為4 m; 當(dāng)錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角50°時(shí), 上浮子漂移距離最小, 約為2.25 m。實(shí)際應(yīng)用中, 錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角的選擇應(yīng)綜合考慮俘能功率與錨固效果兩方面的情況。本文錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角取50°時(shí), 俘能功率較大, 而且上浮子漂移距離最小。

圖8為工況5下錨鏈與波浪在水平面內(nèi)的夾角對(duì)裝置俘能功率和俘能帶寬的影響圖。由于錨固方式采用四錨鏈形式, 因此錨鏈與波浪在水平面內(nèi)的夾角變化范圍為0°~45°, 根據(jù)前文描述的錨鏈對(duì)裝置的作用來(lái)看, 可以推測(cè)此項(xiàng)參數(shù)的變化對(duì)俘能功率的影響也會(huì)較小, 同時(shí)從圖中可以看到此夾角的變化對(duì)俘能功率的影響很小, 基本可忽略不計(jì), 裝置的俘能帶寬也基本穩(wěn)定在0.23 Hz。

圖9為工況6下波流夾角對(duì)裝置俘能功率和俘能帶寬的影響圖。波浪海流都會(huì)對(duì)裝置兩浮子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大影響, 其波流同向更有利于提高俘能功率, 因此可以發(fā)現(xiàn), 當(dāng)波流夾角在0°~60°時(shí)俘能功率較大, 100°~180°時(shí)俘能功率較小; 裝置的俘能帶寬隨角度的增大先平穩(wěn)保持在0.225 Hz,之后在60°時(shí)開(kāi)始逐漸增加, 在130°時(shí)達(dá)到最大俘能帶寬0.46 Hz, 最后略有下降, 但整體來(lái)看波流同向或夾角較小時(shí)對(duì)裝置發(fā)電效果更有益。

圖7 錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角變化對(duì)浮子漂移距離的影響

圖8 錨鏈與波浪在水平面內(nèi)夾角變化對(duì)俘能功率和俘能帶寬的影響

圖10表示了在表1所示6種研究工況下, 當(dāng)相關(guān)可變動(dòng)參數(shù)取最優(yōu)值時(shí)的俘能功率。在柱狀對(duì)比圖中可以明顯發(fā)現(xiàn)僅考慮單參數(shù)變化時(shí)PTO阻尼取最優(yōu)值時(shí)俘能功率最大, 可達(dá)到719 W; 而其他各項(xiàng)參數(shù)取最優(yōu)值時(shí)裝置所達(dá)到的最大俘能功率大致近似, 均為450 W左右。

圖9 波流夾角變化對(duì)俘能功率和俘能帶寬的影響

圖10 各工況下相關(guān)參數(shù)取最優(yōu)值時(shí)俘能功率對(duì)比

本節(jié)采用單因素敏感性分析法分析了6項(xiàng)參數(shù)對(duì)俘能功率的孤立影響規(guī)律, 得到在不同波頻下各參數(shù)變化時(shí)的裝置俘能功率?？梢园l(fā)現(xiàn)浮子尺寸、PTO阻尼、波流夾角3項(xiàng)參數(shù)均對(duì)俘能功率有顯著影響, 而PTO剛度、錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角、錨鏈與波浪在水平面內(nèi)夾角3項(xiàng)參數(shù)對(duì)俘能功率影響較小。

2.2 多參數(shù)對(duì)裝置俘能功率的綜合影響

考慮到實(shí)際情況下, 裝置各參數(shù)對(duì)俘能功率的影響并不是孤立的, 需要考慮各參數(shù)的綜合影響, 從而確定最優(yōu)的裝置參數(shù)組合。因此本節(jié)引入穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法對(duì)裝置各參數(shù)的綜合影響進(jìn)行分析。

穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)是田口玄一博士于1950年—1958年創(chuàng)作的三段式設(shè)計(jì), 故又稱(chēng)田口方法[18]。該方法廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域的工藝優(yōu)化。它基于統(tǒng)計(jì)分析, 研究系統(tǒng)輸出對(duì)輸入變量的敏感性, 從而提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量。該方法可以評(píng)估不同參數(shù)下系統(tǒng)的響應(yīng), 以及各參數(shù)影響的程度, 因而也適用于本文各裝置參數(shù)對(duì)俘能功率的綜合影響研究。

根據(jù)上節(jié)單因素敏感性分析結(jié)果, 選取每項(xiàng)參數(shù)對(duì)應(yīng)3個(gè)特征水平的代表數(shù)值, 如表2所示。之后利用穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法進(jìn)行綜合影響規(guī)律分析。在進(jìn)行各參數(shù)綜合影響規(guī)律分析時(shí), 增加海流流速參數(shù), 目標(biāo)海域表層海流流速約為0.1 m·s–1~1.0 m·s–1。表3給出了正交實(shí)驗(yàn)的L18矩陣, 共包含18個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn), 每個(gè)實(shí)驗(yàn)中各參數(shù)取值代表其特征水平。

表2 各參數(shù)對(duì)應(yīng)3個(gè)特征水平的具體數(shù)值

表3 L18矩陣各實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

續(xù)表

通過(guò)數(shù)值模擬得到18個(gè)裝置參數(shù)組合所對(duì)應(yīng)的俘能功率, 并求得每項(xiàng)參數(shù)3個(gè)特征水平所對(duì)應(yīng)的俘能功率均值(表4中第2~4列), 進(jìn)而求得3個(gè)特征水平對(duì)應(yīng)的俘能功率均值最大值與最小值之差, 即極差(表4中第5列), 最終計(jì)算極差占最優(yōu)水平時(shí)俘能功率的百分比(表4中第6列), 百分比越大說(shuō)明此項(xiàng)參數(shù)對(duì)裝置俘能功率的影響越顯著。

從表4可以看出, 當(dāng)考慮多參數(shù)綜合影響時(shí) PTO阻尼和波流夾角兩項(xiàng)參數(shù)對(duì)俘能功率的影響最為顯著, 極差占比分別為48%和56%。根據(jù)公式(8), 裝置在一段時(shí)間內(nèi)的平均俘能功率與PTO阻尼和兩浮子相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有直接關(guān)系, 而波流夾角會(huì)對(duì)浮子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生較大影響, 因此這兩項(xiàng)參數(shù)對(duì)俘能功率有顯著影響是并不意外的。具體來(lái)看, 隨著PTO阻尼的增大, 裝置的俘能功率也增大。當(dāng)波流同向時(shí), 裝置的俘能功率最大; 波流反向時(shí), 裝置的俘能功率最小。其余5項(xiàng)參數(shù)中, 浮子尺寸、海流流速、錨鏈與波浪在水平面內(nèi)夾角3項(xiàng)參數(shù)對(duì)俘能功率也有一定影響, 但與PTO阻尼、波流夾角兩項(xiàng)參數(shù)相比較小, 而PTO剛度、錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角兩項(xiàng)參數(shù)變化對(duì)俘能功率影響不明顯。

表4 極差分析

2.3 參數(shù)優(yōu)化組合

根據(jù)上述各參數(shù)孤立影響規(guī)律和多參數(shù)綜合影響規(guī)律研究, 可以確定目標(biāo)海域雙浮子直驅(qū)式點(diǎn)吸收波能轉(zhuǎn)換裝置的最優(yōu)參數(shù)組合, 以提供最佳的俘能功率。綜合實(shí)際海況, 重點(diǎn)考慮對(duì)俘能功率影響較大的幾個(gè)參數(shù), 提出以下參數(shù)設(shè)計(jì)方案:

(1) 目標(biāo)海域波頻多集中在0.25 Hz ~0.4 Hz, 此區(qū)間內(nèi)浮子半徑為1.2 m時(shí)俘能功率最大, 適應(yīng)的波頻寬度也最廣, 因此最優(yōu)浮子半徑設(shè)置為1.2 m。

(2) 在單參數(shù)對(duì)裝置俘能功率的影響研究中發(fā)現(xiàn), PTO阻尼在11 000 N·s·m–1~15 000 N·s·m–1內(nèi)俘能功率較高; 而在多參數(shù)綜合影響研究中, PTO阻尼在11 000 N·s·m–1和19 000 N·s·m–1時(shí)俘能功率相差不大, 這是由于多參數(shù)相互影響導(dǎo)致的。綜合考慮兩方面的研究以及目標(biāo)海域的常見(jiàn)波浪頻率, PTO阻尼設(shè)置在11 000 N·s·m–1~ 15 000N·s·m–1內(nèi)較好。

(3) 錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角變化對(duì)裝置俘能功率影響不明顯, 但卻對(duì)浮子漂移距離有較大影響, 當(dāng)錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角為50°時(shí)裝置俘能功率不會(huì)有大的改變, 但卻有很好的錨固效果, 因此錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角設(shè)置為50°。

(4) 根據(jù)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)波流夾角較小時(shí)裝置俘能功率較大, 為使裝置有總體較高的俘能功率, 裝置最好安裝于波流夾角約為0°的海域。

(5) 通過(guò)多參數(shù)對(duì)裝置俘能功率的綜合影響研究發(fā)現(xiàn), 裝置在海流流速0.5 m·s–1時(shí)俘能功率最大, 而目標(biāo)海域表層海流流速約為0.1 m·s–1~1.0 m·s–1, 因此裝置最好安裝于表層海流流速約為0.5 m·s–1的海域。

3 結(jié)語(yǔ)

作者根據(jù)齋堂島海域具體海況, 建立了雙浮子直驅(qū)式波能轉(zhuǎn)換裝置基礎(chǔ)模型, 并通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行了裝置的水動(dòng)力響應(yīng)分析, 提出了雙浮子直驅(qū)式點(diǎn)吸收波能轉(zhuǎn)換裝置參數(shù)研究方法。

(1) 通過(guò)穩(wěn)健設(shè)計(jì)的極差分析可以看出, 波流夾角、PTO阻尼、海流流速、浮子尺寸4項(xiàng)參數(shù)的極差占比分別達(dá)到56%、48%、38%和34%, 表明波流夾角、PTO阻尼、海流流速、浮子尺寸對(duì)裝置俘能功率的影響較大, 其中波流夾角、PTO阻尼影響最為突出, 在針對(duì)該類(lèi)型波能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化時(shí), 這幾項(xiàng)參數(shù)應(yīng)著重考慮。

(2) PTO剛度、錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角、錨鏈與波浪在水平面內(nèi)的夾角對(duì)發(fā)電效率影響不明顯, 其極差占比僅為10%、11%和25%, 與其他幾項(xiàng)參數(shù)相比有較大差距。另外研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角10°時(shí), 上浮子漂移距離最大, 約為4 m; 當(dāng)錨鏈與鉛垂線(xiàn)夾角50°時(shí), 上浮子漂移距離最小, 約為2.25 m。因此錨固形式的設(shè)置應(yīng)綜合考慮裝置俘能功率和錨固效果兩方面的影響。

(3) 提出的參數(shù)研究方法可為其他海域的點(diǎn)吸收式波能轉(zhuǎn)換裝置參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

本文采用數(shù)值模擬研究了雙浮子直驅(qū)式點(diǎn)吸收波能轉(zhuǎn)換裝置參數(shù)對(duì)裝置俘能功率的影響, 下一步將采用模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證本文結(jié)論。

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Parameter study of two-body point absorption wave energy converters

WANG Teng, LI Shu-bo, XIAO Wei-jie, BAO Xing-xian

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

A point absorption wave energy converter is a wave energy development and utilization device with good application prospects. Its parameter design directly affects the feasibility and effectiveness of wave energy development and utilization. In this study, considering the real sea conditions in Zhaitang Island, China, the effect of different parameters such as buoy’s size, anchorage form, the angle between the direction of wave propagation and that of the current, PTO damping and PTO stiffness on the two-body point absorption wave energy converter performance is analyzed using the single factor sensitivity analysis method. Further, a robust design method is used to comprehensively determine the influence of these parameters on the captured power efficiency of the converters. In this method, the captured power is considered as the evaluation criterion, the reasonable change levels of these parameters are considered, and an orthogonal experimental L matrix is constructed. Several cases of the captured power efficiency under various parameter combinations are analyzed. Results show that the PTO damping, buoy’s diameter, and the angle between the direction of wave propagation and that of the current significantly influence the captured power efficiency. However, the angle between the anchor chain and the plumb line, the angle between the projection of the anchor chain in the horizontal plane and the direction of the wave, and the PTO stiffness have little effect on the captured power efficiency. The proposed method can be used for the parameter design of the point absorption wave energy generator in other sea areas.

point absorption; two-body wave energy converters; parameters study; captured power; robust design method

Aug.6, 2020

P742

A

1000-3096(2021)04-0031-09

10.11759/hykx20200806002

2020-08-06;

2020-11-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51979283); 山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2018MEE053)

[National Natural Science Foundation of China, No. 51979283; Natural Science Foundation of Shandong Province, No.ZR2018MEE053]

王騰(1973—), 男, 山東海陽(yáng)人, 博士, 教授, 主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析方向的教學(xué)和科研工作, E-mail: wteng73@upc.edu.cn; 包興先(1981—),通信作者, 電話(huà): 13864244536, E-mail: baoxingxian@ upc.edu.cn

(本文編輯: 譚雪靜)