四鷹頭周向均布波浪能浮標(biāo)模型試驗(yàn)

吳明東， 盛松偉， 張亞群， 姜家強(qiáng)

(1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640； 2.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640； 3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)，廣東 廣州 510640； 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

利用海洋能解決觀測(cè)浮標(biāo)的電力供給問題，實(shí)現(xiàn)海能海用、原位供電，將是未來海洋觀測(cè)浮標(biāo)高效、經(jīng)濟(jì)且可持續(xù)獲能方案，可支撐海洋觀測(cè)活動(dòng)大功率、批量化發(fā)展[1-2]。海洋中蘊(yùn)藏豐富的能源，其中波浪能分布范圍廣、適用范圍大，利于浮標(biāo)廣泛獲能。但波浪運(yùn)動(dòng)具有明顯的隨機(jī)性和分散性，在環(huán)境惡劣的海洋中收集和轉(zhuǎn)換波浪能供浮標(biāo)使用，需開發(fā)高效且可靠的能量轉(zhuǎn)換裝置。

有關(guān)波浪能的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，國(guó)內(nèi)外都有相關(guān)研究。盛松偉等[3-4]利用振蕩浮子技術(shù)研發(fā)的鷹式系列裝置，配備了自主研發(fā)的液壓式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，并對(duì)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化；Antnio等[5-7]對(duì)先進(jìn)的振蕩水柱技術(shù)進(jìn)行了闡述、對(duì)比，結(jié)合動(dòng)力學(xué)對(duì)振蕩水柱式浮標(biāo)波浪能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行了優(yōu)化；吳必軍等[8-9]對(duì)后彎管技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，通過改進(jìn)裝置的外型等要素提高轉(zhuǎn)換效率。

本文以海洋觀測(cè)用波浪能浮標(biāo)模型為研究對(duì)象，在三維水池中測(cè)量不同波況、不同負(fù)載下模型的俘獲總效率、4個(gè)鷹頭的做功占比、鷹頭的推力和標(biāo)體的運(yùn)動(dòng)傾角。通過試驗(yàn)和分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，總結(jié)了可進(jìn)一步優(yōu)化的方向，試驗(yàn)結(jié)果將用于實(shí)海況裝置的關(guān)鍵參數(shù)推算和裝置設(shè)計(jì)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、設(shè)備及工況設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图鞍惭b

模型將2種波浪能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)融為一體，以提高裝置整體俘獲效率，一種為振蕩浮子轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，另一種為振蕩水柱轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。振蕩浮子式機(jī)構(gòu)設(shè)置了4個(gè)按圓周均布的鷹式吸波浮子，通過浮體吸收波浪能，鷹式吸波浮子在波浪作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)液壓缸頂升重物做功，將波浪能轉(zhuǎn)換為重力勢(shì)能[10]。振蕩水柱式機(jī)構(gòu)是在裝置主體內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)特殊氣室，通過氣室中波浪水柱的振蕩獲得能量，將波浪能轉(zhuǎn)換為氣體動(dòng)能。

模型裝置由3個(gè)部分組成，如圖1所示，第1部分為柱狀主體，由多個(gè)不同直徑的圓柱體連接而成，高2.3 m，上部圓柱直徑最大0.72 m，該部分結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置氣室，頂部可安裝氣動(dòng)波浪能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，內(nèi)置氣室最大容量54.4 L，噴嘴比近似等于吃水線氣道橫截面積與上端開口橫截面積之比為0.07，3層底盤直徑分別為1.2、1.2、2 m，為提高浮標(biāo)的耐波性，四周焊接圍板以增加裝置的垂蕩阻力；第2部分為安裝在上部圓柱四周的2種鷹式吸波浮子，用以對(duì)比2種形狀浮子的俘獲性能，一種側(cè)面為直角階梯狀，另一種側(cè)面為斜角平面，通過鉸鏈與上部圓柱結(jié)構(gòu)連接，鷹式吸波浮體與圓柱上端剛性支架之間安裝有液壓缸，安裝了4個(gè)鷹頭后的裝置最大直徑為1.9 m，單個(gè)鷹頭正面迎波寬度1.2 m，側(cè)面迎波寬度0.5 m；第3部分為錨泊系統(tǒng)，裝置腰部連接3條錨鏈，向外均布，1根6 m錨鏈沿波浪走向布置于模型后方，2根7 m錨鏈布置于造波機(jī)側(cè)。模型安裝位置距離造波機(jī)側(cè)36 m，距離浪高儀30 m。

圖1 波浪能浮標(biāo)模型Fig.1 Wave energy buoy model

1.2 試驗(yàn)設(shè)施及設(shè)備

本文試驗(yàn)在國(guó)家海洋技術(shù)中心大比尺波浪水槽開展，該水槽長(zhǎng)130 m，寬18 m，試驗(yàn)段水深4.5 m，能夠產(chǎn)生多種規(guī)則波和不規(guī)則波，最大造波波高0.6 m，最大造波周期5 s，試驗(yàn)平臺(tái)離水面高3.5 m。水池示意圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)波浪水池Fig.2 Waving carriage

試驗(yàn)設(shè)備布置如圖3(a)所示，包括：波高儀，型號(hào)YWH201-A，量程1 m，頻率1 kHz，產(chǎn)品自帶計(jì)算軟件可用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型前端入射波況；鷹頭液壓缸，行程200 mm，活塞直徑20 mm；蓄能器液壓缸，行程600 mm，活塞直徑63 mm；位移傳感器，量程0～1 000 mm，精度0.5%，用來測(cè)量重塊頂升高度；風(fēng)壓變送器，型號(hào)JX-H260，量程±2 kPa，頻率為3 Hz，用來測(cè)量氣室內(nèi)外氣壓差；流量傳感器，型號(hào)HJTH-D80，量程0～180 N·m3/h，用來測(cè)量氣室內(nèi)氣體流量；航姿傳感器，型號(hào)BWD-VG220，量程俯仰-90°～90°，橫滾-180°～180°，頻率100 Hz，測(cè)量標(biāo)體傾角;拉力傳感器，量程0～2 000 N，精度0.5%，測(cè)量錨鏈拉力。

圖3 波浪能浮標(biāo)模型安裝示意Fig.3 Installation diagram of wave energy buoy model installation

1.3 工況設(shè)計(jì)

試驗(yàn)波況設(shè)計(jì)包括規(guī)則波和不規(guī)則波，不規(guī)則波采用Jonswap譜。浮標(biāo)目標(biāo)投放海域?yàn)槲覈?guó)南海，實(shí)海況波浪周期為4.5～6 s。為研究相對(duì)有利于裝置能量轉(zhuǎn)換效率的波況，規(guī)則波周期選取1.2、1.3、1.4、1.5 s，波高選取100、120、140 mm；不規(guī)則波譜峰周期選取1.25、1.5 s，有義波高選取156、187 mm。模型裝置推動(dòng)鷹頭液壓缸，每個(gè)鷹頭頂升1根重力式蓄能液壓缸，4根蓄能液壓缸頂部重塊重量相同，選取10～180 kg。單組試驗(yàn)重復(fù)3次，采集時(shí)間大于20個(gè)波浪周期，測(cè)得數(shù)據(jù)取中間值。具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1、2所示。

表1 規(guī)則波試驗(yàn)工況Table 1 Regular wave test conditions

表2 不規(guī)則波試驗(yàn)工況Table 2 Irregular wave test conditions

2 計(jì)算方法

試驗(yàn)中，鷹頭將俘獲的波浪能轉(zhuǎn)換為蓄能液壓缸內(nèi)液體的重力勢(shì)能和頂升重塊的重力勢(shì)能。因此，振蕩浮子的效率為單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)重力勢(shì)能增加之和與來波功率的比，計(jì)算公式為：

(1)

試驗(yàn)中氣動(dòng)裝置將俘獲的波浪能轉(zhuǎn)換為氣體動(dòng)能。因此，氣動(dòng)裝置的效率為單位時(shí)間內(nèi)氣室輸出的氣動(dòng)功率與來波功率的比，計(jì)算公式為：

(2)

式中：ΔP為氣室內(nèi)外氣壓差，Pa；V為氣體流量，L；t2為液面做功時(shí)間，s；b在此為柱狀主體的迎波寬度,b4=0.72 m。

由式(1)、(2)可得模型整體的轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式為：

(3)

式中b為裝置的最大迎波寬度，即四鷹頭的迎波寬度，b3=1.9 m 。

試驗(yàn)中液壓缸頂升重塊的加速度較小，對(duì)液壓缸活塞壓強(qiáng)的影響不計(jì)，近似為靜態(tài)壓強(qiáng)。管路內(nèi)鷹頭液壓缸活塞與蓄能液壓缸活塞的壓強(qiáng)近似相等，即：

(4)

故單個(gè)鷹頭推力計(jì)算公式為：

(5)

式中：A1、A2分別為鷹頭液壓缸、蓄能液壓缸活塞面積，m2；F為鷹頭推力，N。

四鷹頭做功單個(gè)鷹頭占比計(jì)算公式為：

(6)

式中h4表示單個(gè)鷹頭對(duì)應(yīng)液壓缸重塊升高高度,m。

3 試驗(yàn)曲線與結(jié)果

按照設(shè)定參數(shù)，取鷹頭液壓缸做功時(shí)間20個(gè)波浪周期以上，根據(jù)式(1)、(2)所得輸出功率為單個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)蓄能液壓缸所蓄能量、氣室輸出氣體動(dòng)能與時(shí)間的比值，故本試驗(yàn)所得振蕩浮子效率和振蕩水柱效率都是平均效率。

3.1 試驗(yàn)波況

本試驗(yàn)使用波高儀自帶計(jì)算軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型前端入射波況。工況設(shè)計(jì)選取的5種規(guī)則波的實(shí)測(cè)波況數(shù)據(jù)如圖4所示，2種不規(guī)則波的實(shí)測(cè)波況數(shù)據(jù)如圖5所示，其中截取時(shí)長(zhǎng)至少包含20個(gè)有效波浪周期。

圖4 規(guī)則波試驗(yàn)波況Fig.4 Regular wave test conditions

圖5 不規(guī)則波試驗(yàn)波況Fig.5 Irregular wave test conditions

3.2 轉(zhuǎn)換效率與出力

根據(jù)裝置實(shí)測(cè)做功數(shù)據(jù)和式(1)、(5)得四鷹頭總平均效率曲線如圖6、7所示。根據(jù)計(jì)算公式(5)得到不同波況下最優(yōu)負(fù)載對(duì)應(yīng)的鷹頭出力分布圖，如圖8所示。

由圖6、7可知，2種形狀的鷹頭俘獲性能相近。最優(yōu)的規(guī)則波況為周期1.4 s、波高120 mm，對(duì)應(yīng)最優(yōu)負(fù)載為60 kg；最優(yōu)的不規(guī)則波況為譜峰周期1.5 s、有義波高187 mm，對(duì)應(yīng)最優(yōu)負(fù)載為50 kg。依據(jù)計(jì)算公式(1)～(3)得2種最優(yōu)工況下的四鷹頭總效率分別為40%、26%，氣動(dòng)效率為17%、5%，裝置總效率為46%、28%(其中氣動(dòng)部分占比13%、7%)。

圖6 直角鷹頭迎波時(shí)的效率曲線Fig.6 The efficiency curves of right-angled eagle facing waves

圖7 斜角鷹頭迎波時(shí)的效率曲線Fig.7 The efficiency curves of beveled eagle facing waves

根據(jù)圖8結(jié)合上文可知，最優(yōu)規(guī)則波、不規(guī)則波況下的最優(yōu)負(fù)載對(duì)應(yīng)的單個(gè)鷹頭出力為59.3、49.4 N。

圖8 鷹頭出力Fig.8 The eagle output

3.3 鷹頭做功占比與效率

由圖9、10可知，在最優(yōu)波況、最優(yōu)負(fù)載下，同組試驗(yàn)測(cè)得側(cè)面迎波鷹頭和正面迎波鷹頭的做功占比相近，前者的效率高于后者，注意鷹頭的正面迎波寬度為b1=1.2 m，側(cè)面迎波寬度為b2=0.5 m，背面迎波鷹頭則做功較少。

圖9 最優(yōu)波況、最優(yōu)載時(shí)各鷹頭做功占比Fig.9 The proportion of work done by each eagle under optimal wave condition and optimal load time

圖10 最優(yōu)波況、最優(yōu)載時(shí)各鷹頭效率Fig.10 The efficiency of each eagle under the optimal wave condition and optimal load

根據(jù)模型設(shè)計(jì)尺寸分析，側(cè)面迎波鷹頭的浪向長(zhǎng)度為1.2 m，正面迎波鷹頭的浪向長(zhǎng)度為0.5 m，單個(gè)周期的波浪在傳遞過程中對(duì)前者做功時(shí)間大于后者，是導(dǎo)致側(cè)面迎波鷹頭吸收效率更高的主要原因，該結(jié)果說明吸波浮子的浪向長(zhǎng)度對(duì)該浮子的做功能力影響很大，加大吸波浮子的浪向長(zhǎng)度可有效提高俘獲效率。

3.4 姿態(tài)與傾角

通過航姿傳感器得到波浪能浮標(biāo)在波浪中的傾角曲線如圖12所示。

在造波起始階段標(biāo)體的傾角隨著波浪推力的增大同步增大，當(dāng)波況趨于穩(wěn)定時(shí)，標(biāo)體的傾角也趨于某一傾角(基準(zhǔn)傾角)附近一定范圍內(nèi)振蕩。模型試驗(yàn)照片如圖11所示。

圖11 模型姿態(tài)Fig.11 Model posture pictures

由圖12可知，在周期1.2 s、波高120 mm和周期1.4 s、波高120 mm 2種波況下，標(biāo)體縱搖基準(zhǔn)傾角分別為6.5°、6.7°，橫搖基準(zhǔn)傾角分別為2°、3.4°，縱搖傾角受波浪周期影響更大，但2種波況下橫搖、縱搖在基準(zhǔn)傾角上下振蕩的幅度基本不變。

圖12 不同波況下標(biāo)體的傾角Fig.12 The dip angle of the buoy under different wave conditions

4 結(jié)論

1)通過模型對(duì)比試驗(yàn)，得到規(guī)則波相對(duì)最優(yōu)波況為周期1.4 s、波高120 mm，不規(guī)則波相對(duì)最優(yōu)波況為譜峰周期1.5 s、有義波高187 mm，對(duì)應(yīng)最優(yōu)負(fù)載分別為60、50 kg。2種波況下模型的最大俘獲效率分別為46%、28%。

2)以上2種最優(yōu)工況下單個(gè)鷹頭出力分別為59、49 N，下一步將作為后端發(fā)電機(jī)功率選型的關(guān)鍵參數(shù)。

3)試驗(yàn)中安裝氣動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)對(duì)整體轉(zhuǎn)換效率的提升不明顯，分析原因?yàn)榇蟛糠秩肷洳ū恢鶢钪黧w前的迎波浮子吸收。

4)通過最優(yōu)工況下4個(gè)鷹頭做功占比和轉(zhuǎn)換效率對(duì)比，發(fā)現(xiàn)正面迎波鷹頭的轉(zhuǎn)換效率低于側(cè)面鷹頭，分析得到吸波浮子的浪向長(zhǎng)度對(duì)該浮子的做功影響很大，加大吸波浮子的浪向長(zhǎng)度可有效提高俘獲效率，該結(jié)果為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化吸波浮子的外形提供了指導(dǎo)方向，意義重大。