底铰摆式波浪能转换装置实验研究❋

邱守强, 王冬姣, 叶家玮, 梁富琳, 苏 成

(1.华南理工大学土木与交通学院， 广东 广州 510640； 2.上海交通大学海洋工程国家重点实验室, 上海 200240)

底铰摆式波浪能转换装置实验研究❋

邱守强1,2, 王冬姣1❋❋, 叶家玮1, 梁富琳1, 苏 成1

(1.华南理工大学土木与交通学院， 广东 广州 510640； 2.上海交通大学海洋工程国家重点实验室, 上海 200240)

海洋波浪能的开发利用对解决当今社会环境压力、能源危机具有重要的现实意义。通过对一种底部铰接摆式波浪能转换装置的实验，研究装置不同能量转换阶段的效率特点。以电阻负载作为摆板波浪能转换的载体，代替常规动力负载阻尼进行能量吸收；以测量传动链条拉力和位移代替常规测量转轴扭矩和角度计算波浪能功率吸收，并给出由电阻负载换算为动力负载阻尼的公式。结果显示，以电阻为波浪能吸收的负载载体简单有效；摆式波浪能转换装置的一次转换效率较高，中间转换效率相对较低，因此总转换效率表现不是太高。

波浪能； 摆式； 转换装置； 发电

波浪能转换是将海洋中的波浪资源转换为其他方便利用的能量形式，如电能，机械能、液压能等。通过一种结构形式的某种运动方式，如垂荡，摇摆、旋转等单自由度或者多自由度运动响应吸收、传递能量。通常意义上的波浪能转换的最终目的是将波浪能转换为电能，也即所说的波浪发电，因为这种能量形式最方便传输、存储和利用。基于对人类社会日益严峻和无法逃避的能源危机、社会需求和环境压力等，海洋中丰富的波浪能资源成为人类寻找新能源的一片新大陆。理论和实验上的研究早已进行[1-3]。工程和商业实例上的波浪发电也已经开展，如苏格兰的Oyster[4]，丹麦的Wave Dragon[5]，芬兰的Waveroller[6]等。面对复杂的海洋环境，要求波浪能转换装置满足连续稳定、可靠高效、可维护性好等特点，摆式波浪能转换装置以其简单的结构形式和运动响应特点成为国内外研究的热点[7-13]。

根据实测海况波浪参数，利用流体力学相似原理，本文对底铰摆式波浪能转换装置进行了模型设计及实验研究。采用机械传动技术，摆板转动轴设在底端，波浪作用下摆板绕底部铰接轴摆动来驱动发电机发电。即通常讲的浮力摆，而不同于重力摆形式[14-16]。应用传统的对波浪能量转换的分类方式，本文物理模型为三级转换机构，即利用铰接式摆板实现波浪能的一次转换(波浪能转换为机械能)；其次由链条传动机构一端连接铰接摆板的转轴，另一端连接发电机驱动轴的中间能量传递；最后由发电机输出电能实现能量的总转换。目前对波浪能转换装置的研究大都集中在一次转换效率上，本文在研究摆式波浪能转换装置一次转换效率的同时，对中间能量转换/传递效率(二次效率)和总转换效率(三次效率)也进行了分析。

在波浪能转换装置的模型实验中，目前对负载阻尼的施加主要采用摩擦制动器[17]，涡流损耗阻尼器[18-19]，空气压缩[20]，磁粉制动器[9,21]等方法。上述阻尼与激励之间均会表现出一定的非线性，如与转速、滑差或电流等。而且上述阻尼器还需稳压电源或空气压缩机等激励装置的配套使用，增加了使用成本和内耗。R.Waters等人对一种振荡浮子直驱发电装置进行了海试研究，其采用电阻作为发电机负载的方法表现出较好的可控性和操作性[22]。基于上述分析，本文采用电阻负载直接连接发电机输出端，节省了配套激励装置，并且在实验阶段的短时间内电阻负载具有非常好的稳定性，同时对电阻负载的电压和电流进行采集简单而有效。文中还给出了由电阻负载换算为常规动力负载阻尼的公式。在对摆板转动扭矩的测量方面，本文采用测量传动链条拉力和线位移的方法，代替采用扭矩变送器和转角位移的常规方法，可以在一定程度上减少由于扭矩变送器内阻引起的误差源[21]。最后本文还对不同能量转换阶段的效率进行分析，初步探索并掌握了该种物理模型的动力响应过程及能量转换特点，为实际工程的应用和理论分析的验证提供参考。

1 模型实验

实验在华南理工大学波浪水槽中进行，水槽长宽高分别为32m×1.0m×1.5m，一端设有造波机，另一端设有消波堤(见图1)。实验主要研究规则波波况。由于实验条件限制，实验周期在T=0.8～3.2s范围进行。水槽水深d=1.23m，模型安装在距离水槽底部一定高度的支架上，距离造波板11.5m。测量波面位移的2个波高仪(波高仪1、波高仪2)距离模型分别为6.0和6.3m。摆板模型在波浪作用下绕底端转轴前后以一定倾角摆动，转轴一端连接有一个齿轮盘，通过链条和位于水面上部的传动轴连接，传动轴末端连接发电机(见图1)。本文以电阻作为发电机负载，代替常规阻尼器(如摩擦阻尼器、磁流变阻尼器等)。在链条的中间部位安装有拉力和位移传感器，用以测量波浪激励力矩作用下摆板运动对链条的张紧力以及链条线位移大小。发电功率则以发电机端电阻负载的电流和电压测量得到。

实验摆式模型见图3所示。值得说明的是，模型设计成不同的圆筒单元组合形式是考虑到以下两点：

(1)方便摆板几何高度的调整；可以通过拆卸或加装浮筒的数量来降低或增加摆板的几何高度；

(2)为研究压载水对波浪能装置能量转换效率的影响；圆筒是内空的，因此可以对不同数量和组合方式的圆筒内注入压载水来改变模型的物理参数(转动惯量、回复力矩等)，从而研究这些物理参数的变化对模型波浪能转换效率的影响。

图1 物理模型实验造波水池

图2 物理模型示意图

由流体力学理论可知，摆板宽度内入射波功率为[8]

(1)

其中：ρ为水密度；g为重力加速度；H为波高；d为波浪造波水槽内水深；k为波数；W为摆板宽度。摆板吸收的瞬时功率为：

(2)

其中：M(t)为实验中测得的摆板绕底端铰支轴的扭矩大小，实验中是通过测定传动链条拉力F(t)和相对应的拉力力臂的乘积求得；v(t)为链条传动线速度大小；Bp为负载阻尼系数(本实验为由电阻负载换算得到)；θ(t)为摆板摆角位移大小。

一个波周期T内摆板输出的平均功率Pm为

(3)

上式也可表示成

(4)

其中l为传动链条力臂。由此可得不同负载电阻R对应的负载阻尼力矩系数Bp

(5)

通过加载电阻负载R，作为电功率输出

P(t)=U2(t)/R,

(6)

(7)

将输出的平均电功率除以入射波平均功率得波浪能转换装置的总转换效率

(8)

2 结果与分析

2.1 一次转换功率

对模型进行了不同周期下的实验测试(T=0.8～3.2s)。其中周期T=1.0s时的实验结果如下。负载阻尼由连接于发电机输出端的电阻给予，换算为动力负载阻尼为Bp=142.1Nms/rad，波高H=14.52m。图3为波高仪采集的波面位移时历曲线。横坐标为数据采集点，纵坐标为波面位移。由于摆板在波浪作用下前后摆动，因此不同时刻摆板左右两条链条(见图1，2)传动的大小是不相同的，且拉力峰值应该是间歇出现，以下分别记为左侧拉力和右侧拉力。

实验对摆板进行单向施加负载阻尼，即摆板只在一半周期内做功。图4显示，传动链条两边的拉力差别较大，即原则上摆板摆动时只有一侧传动链条处于张紧状态，图示数值表示负载电阻和机构摩擦等阻尼作用于摆板的作用力。右侧的小值拉力表示回复过程中摆板克服机械摩擦、流体黏性等阻尼做功。

图3 波高采集

图4 链条拉力

图5 链条位移和线速度(单位: 速度/m·s-1; 位移/m)

图6 扭矩合力图

图5显示了摆板运动时链条传动位移和线速度时程曲线，表明位移和速度符合90度相位差关系。图6为图4所示左右两侧拉力相对应的扭矩关系，其中正值表示负载电阻的作用力矩，负值表示摆板回复过程中所克服的阻尼损耗。即扭矩正负值与摆板不同摇摆方向(做功方向)相对应，做功一侧较大，不做功一侧较小。实验现象同时表明，摆板单向做功时的平衡位置不在其竖直平面。Flocard在对底部铰接圆柱的实验研究时也发现了同样的现象[18]，Caska对此也做了解析模型的研究[23]。关于摆板双向全周期都做功的情况会在以后的研究中描述。

图7为根据公式(2)所求的摆板吸收功率的时程曲线，即波浪能转换的一次功率数值。在发电机不连接电阻负载的一半行程中仍旧会有少些功率出现，这是摆板克服摩擦损耗所做的无用功。

图7 波浪能一次转换功率

2.2 能量传递和总转换效率

除了上述的一次转换功率的实验研究外，本文还对模型的中间能量传递效率进行了跟踪研究，分析了整个系统的总转换效率的效果，以对系统的不同能量转换阶段进行了解和掌握。这里的总转换效率指的是波浪能转换为电能的效率值。

选取同上述一次转换功率实验相同的负载阻尼。直接测量得到电阻两端的电压输出值大小，根据式(6)可以得到模型的瞬时输出电功率P(t)，见图8。由于是单向施加负载阻尼，所以功率输出表现为不连续。

图8 发电装置输出电功率(Bp=142.1Nms/rad,T=1.2s)

实验周期范围取0.8～3.2s，研究不同负载阻尼下的一次转换效率和总效率的关系。对不同能量转换阶段进行分析对比研究，以了解各阶段转换形式的特点。波浪周期T=1.2s时的各能量转换阶段效率参数见表1。

表1 波浪能转换效率(T=1.2s)

表1以波浪周期T=1.2s为例说明了波浪能转换装置的不同转换阶段的转换效率。可以看出，中间能量传递效率约保持在60%左右，总转换效率在25%上下波动。针对波浪发电装置中间传递效率相对较低的事实，本文给出以下几点建议和改进措施，并在后续实验中进一步研究：(1)开展直驱发电模式。将摆板转轴直接连接发电机输出，去除中间链条传动机构；(2)发电机选配。不同用途发电机的特性不同，通过选配或研制合适的发电机与摆板运动响应匹配；(3)通过相位、功率跟踪等控制技术对摆板运动响应进行优化。

将不同周期模型一次转换效率和总转换效率比较(图9和10)可以看出，相同负载阻尼条件下一次转换效率和总转换效率对周期的曲线趋势大体相同。同时可以注意到有些周期时一次效率的最优工况并不是与总效率的最优工况相同，这些原因既可能是数据采集以及处理的误差引起，也提示出链条传动机构的中间传递效率随着转速的不同并不保持在一个常数，应该是一个和转速等外因相关的范围值，实验数据得出的参考范围在(55%～75%)上下。

图9 一次转换效率

由图10可知，随着波浪周期的增加，波浪能总转换效率先上升再下降。在相同负载条件下，周期为1.0s附近时的总波浪能转换效率较大。小于1.0s时效率明显降低，实验现象为摆板摆幅很小，摆动很快，电能输出较小。长周期时由于实验水槽的限制，波浪反射现象比较严重，转换效率并不高。对于此现象，文献(8)和(13)的研究均表明，摆式波浪能转换装置在波浪扰动力矩峰值周期附近可获得最大的输出功率。其中，文献(8)计算了一种梯形摆式波浪能转换装置(大小与本实验模型相近)的水动力系数和波浪扰动力矩，对装置在1.0s左右时的效率得出了和本文相似的研究结论。即周期1s左右时，波浪扰动力矩和辐射阻尼系数最大，周期大于1s时，波浪扰动力矩和辐射阻尼随着周期的增大而减小，而摆板宽度范围内的入射波功率则随周期增大而增大。

图10还表明不同负载阻尼对装置波浪能转换效率有着不同的影响。相同周期时不同负载阻尼下，Bp=153.1Nms·rad-1时的波浪能总转换效率较其它负载阻尼时要高，故在实验选取的负载阻尼范围内认为该波浪能转换装置模型的最优负载阻尼为Bp= 153.1 Nms·rad-1。因此应根据不同的入射波海况调节负载阻尼，以达到最佳工作状态，使波浪能转换效率具有较高的能效输出。

本文研究的圆筒型摆式波浪能转换装置与一种几何尺寸相似的梯形摆式波浪能转换装置进行了比较研究[24]，表明对圆筒进行压载控制可以适当地提高装置的转换效率。

图10 波浪能转换装置总转换效率

3 结论

现有波浪能转换装置的能量吸收载体多为动力机械阻尼或流体阻尼的形式，这些阻尼形式实际操作不方便，有的还需要额外配套附加激励。这样不仅增加了外部消耗，还使得阻尼的线性稳定性不是太好，因此造成实验和实际工程的复杂。同时考虑到波浪能转换多是以发电输出为最终目标，因此本文设计了以电阻负载阻尼为波浪能吸收载体的实验研究，并且推导了由电阻负载阻尼换算为动力负载阻尼的公式。同时以摆板摆动轴末端传动链条拉力和线速度的方式测量转换功率，结果表明这种方式简单有效。主要结论如下：

(1)单向发电时，摆板平衡位置偏离竖直面。下一步将进行双向发电的实验研究，以进行单双向发电摆板运动响应，能量转换效率等特点的比较；

(2)摆式波浪能转换装置的一次转换效率较高，中间转换效率相对较低，以至于总转换效率不高。因此对中间转换效率的选择和优化至关重要，是提高此类装置总效率的重要途径。同时对这种优化给出了几点提示，如，直驱发电、电机匹配、相位控制和功率跟踪等关键技术。

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责任编辑 陈呈超

Experimental Study on Bottom-Hinged Flap-Type Wave Energy Converter

QIU Shou-Qiang1,2, WANG Dong-Jiao1, YE Jia-Wei1, LIANG Fu-Lin1, SU Cheng1

(1. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640， China; 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240,China)

The development and utilization of ocean wave energy has important practical significance for solving current social environment pressure and energy crisis. Experiments were conducted on a bottom-hinged flap-type wave energy converter for the study of different wave energy conversion phases, including the primary phase, the secondary phase and the final phase. In this study, resistance damping was used for the final phase of wave energy absorption instead of the general dynamic damping types such as the friction damper, the magneto rheological damper and some others. In addition, the traditional way of measuring the torque and pitching angle of the rotating shaft was replaced by a new way of measuring the tension and displacement of the drive chain which was connected to the rotating shaft. Meanwhile, conversion equation between the resistance damping and the dynamic damping was given. Results showed that the new way applied in the present paper was simple and effective; the primary conversion efficiency was high for this type of wave energy converter, while the secondary conversion efficiency was relatively low and thus the final conversion efficiency is not high. Thus, the secondary and final phases of energy conversion should be given more detailed optimization in further studies.

wave energy； flap-type； converter; power generation

国家自然科学基金项目(51409105)；海洋工程国家重点实验室(上海交通大学)开放课题项目(1408)资助 Supported by National Natural Science Foundation(51409105); State Key Laboratory of Ocean Engineering(Shanghai Jiao Tong University)(1408)

2014-11-12；

2015-10-12

邱守强(1984-),男，博士后。E-mail:qiushouqiang@163.com

❋❋ 通讯作者： E-mail:djwang@scut.edu.cn

TK79

A

1672-5174(2017)05-121-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20140387

邱守强, 王冬姣, 叶家玮, 等. 底铰摆式波浪能转换装置实验研究 [J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(5)：121-127.

QIU Shou-Qiang, WANG Dong-Jiao, YE Jia-Wei， et al. Experimental study on a bottom-hinged flap-type wave energy converter[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(5)：121-127.