阵列筏式波浪能发电装置建模与仿真分析

张明镛，杨绍辉，何宏舟，张 军，李 晖

(1. 集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021; 2. 福建省能源清洁利用与开发重点实验室, 福建 厦门 361021; 3. 福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术研究中心，福建 厦门 361021)

阵列筏式波浪能发电装置建模与仿真分析

张明镛1，杨绍辉2, 3，何宏舟2, 3，张 军2, 3，李 晖2, 3

(1. 集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021; 2. 福建省能源清洁利用与开发重点实验室, 福建 厦门 361021; 3. 福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术研究中心，福建 厦门 361021)

为了提高阵列筏式波浪能发电装置采能效率,对不同排列方式的振荡浮子与不同楔形角的试验平台模型进行组合，优化水动力结构模型装置。建立了振荡浮子和采能装置试验平台三维模型，并进行了仿真分析。分别分析了由3种排列方式的振荡浮子和3种楔形角情况下的9种模型在水深15 m、平台吃水1.2 m、振荡浮子吃水0.5 m海况下垂直方向的时域响应和频域响应，结果发现当模型的振荡浮子以错开方式排列且试验平台楔形角为60°时，振荡浮子在垂直方向的振荡速度最快，其RAO值也最大,说明该组合模型更有利于提高筏式波浪能发电装置的采能效率。

阵列筏式；波浪能；振荡浮子；发电装置；采能效率

Abstract: In order to improve the efficiency of the array-raft-type wave power generation device, this paper combines different arrangement of oscillating floats with test platforms of different wedge angles to seek the optimized hydrodynamic structure model. We create 3D models of the oscillation floats and energy collection devices of test platforms, and make a simulation analysis of them. The responses in time and frequency domains of 9 kinds of models are analyzed, which consist of 3 kinds of arrangement of the oscillating floats and 3 kinds of wedge angles of the test platforms in vertical direction, with a depth of 15 m, the test platform draft 1.2 m,oscillating floats draft 0.5 m of the sea. The result shows that the oscillation floats get the fastest speed in combination of staggered oscillating floats arrangement with the test platform of 60 degree wedge angle in vertical direction, and theRAOvalues are the largest. It indicates that the combined model is more favorable for improving the efficiency of raft-type wave power generation device.

Keywords: raft;array-raft-type; wave energy; oscillating float; power generation device; efficiency of power collection

海洋能蕴藏丰富，具有清洁环保且可再生的优点,但是较难提取利用。波浪能发电技术是通过波浪能捕获装置将波浪能首先转换为机械能，然后再转换成电能[1]。利用波浪能发电可以缓解我国部分地区的能源紧张，同时，海洋能源也得到了合理有效的开发和利用。

目前已有的波浪能发电装置发电功率小、效率低，而且稳定性不好。“海蟒”式发电装置的整体机构尺寸大，而且对海况要求较高，适用于大波况下；英国Cork大学和女王大学联合研究的McCabe波浪泵筏式波力装置能够携带的浮子数量有限，影响装置的发电量；阵列筏式波浪能发电装置不仅适用于中国海域小波况的特点，而且一个平台上能够携带的浮子数目多，大大提高了装置整体的发电量，但能量转化效率较低。

针对现有装置的不足，提出一种阵列筏式波浪能发电装置，它的主体是一个楔形船体，两侧各布放五个浮子，可以多方位地俘获波浪能。利用AQWA软件建模并进行仿真分析，对模型中浮子不同的排列方式和试验平台不同的楔形角进行时域和频域分析，得到最佳的排列方式和楔形角组合，以此优化整个装置的结构，提高了波浪能的采集效率。结果证明模型中浮子以错开排列的方式、试验平台楔形角为60°时，其RAO值比较大，更有利于波浪能的获取。

图1 波浪能发电装置整体结构Fig. 1 Integral structure of wave energy generating device

1 装置结构和原理

图1所示为波浪能发电装置的整体结构[2]，主要包括海上漂浮式试验船、阵列浮子波浪能收集装置、波浪能机械传递与发电装置、机电控制系统、风力发电装置、锚定装置、海底电缆等几部分。每组振荡浮子通过浮子杆与转换齿轮相连，转换齿轮组可将振荡浮子和浮摆搜集的波浪能转化为水平旋转轴的旋转机械能，使得波浪能在浮子振荡过程中全程做功，通过联轴器将各段水平旋转轴连接，通过增速齿轮箱后带动发电机发电。

2 仿真分析模型

2.1理论基础

频域分析用于求解运动方程系数为频率函数的线性形式的解，浮体的频域运动方程[3]为：

式中：ξ是浮体运动的幅值阵列；A是波幅；Y是波浪力幅值阵列；ω是波浪圆频率；Mij为广义质量矩阵;aij为附加质量系数矩阵；bij为阻尼系数矩阵；cij为静水恢复力系数矩阵。时域分析可用于分析浮体在一段时间范围内的运动和受力情况，能反应整个时间段内浮体的综合响应特点，浮体的时域运动方程[4]为：

式中：MS为结构质量矩阵；Ma为附加质量矩阵；C为附加阻尼矩阵；KS为恢复力矩矩阵；X为运动响应振幅阵列；F为结构受到的外部波浪力阵列。其中结构的质量矩阵Ma和恢复力矩矩阵KS为已知条件，为得到浮体的运动响应振幅阵列X，需求解附加质量矩阵Ma、附加阻尼矩阵C和外部波浪力阵列F。

对发电机负载的处理，根据：

式中：T为转矩(N/m)，n为转速(rad/s)，P为功(W)。

又根据：

式中：F为转轴切向力(N)，R为转轴半径(m)，c为旋转阻尼系数(N·s/rad)。

2.2三维模型建立

AQWA软件主要用于分析计算各种流体动力学方面的问题，计算精度高、处理器功能强大，影响广泛[2]。

图2为用SolidWorks软件建立的三组共9种简化试验平台的三维网格划分模型，振荡浮子分别采用如图所示的方式布放，各组的平台楔形角分别为30°、45°、60°。建模完成后，将其导入ANSYS软件的AQWA模块中，采用频域在同种平台楔形角的情况下，对比不同排列方式下各浮子在Z轴方向的运动响应，在时域分析中采用斯托克斯二阶规则波分析同样排列方式的浮子与不同楔形角的平台组合后Z轴方向的运动响应。

将9种模型分别编为模型1到模型9，具体建模过程为：

1)通过三维建模软件SolidWorks建立三维模型，另存为IGS格式导入到ANSYS软件的AQWA模型中。设置海水深度15 m,海域面积为100 m2，平台吃水为1.2 m，振荡浮子吃水0.5 m；

2)计算振荡浮子和平台的质心，设置浮子与平台连接方式为铰接；

3)设置好浮子与平台铰接点后，进行网格划分，采用默认四边形主导的网格划分方式，最小单元尺寸为0. 2 m，最大单元尺寸为0.5 m；

4)频域分析部分设置频率为20个波浪频率，时域部分设置规则波波高0.5 m,周期为7 s,计算时间为60 s,步长为0.1 s，波浪入射角为-180°。

图2 9种简化三维网格划分模型Fig. 2 9 Kinds of simplified 3D meshed models

3 仿真分析

波浪能的采集主要靠装置中的浮子在波浪作用下做垂荡运动，经齿轮组传递到发电机，因此浮子Z轴方向的运动响应最能反映波浪能的采集情况。

3.1浮子在Z轴方向的振荡速度分析

相同海况下，模型中的阻尼系数恒定，浮子受到的阻尼力恒定，浮子的振荡速度越快，波浪力做功的功率也越大。(P=F×V，P为功率，F为浮子所受阻尼力，V为浮子振荡速度)。能够带动发电机转动的功率也越大，即波浪能转化为电能的效率越高。图3分析了三组不同模型浮子在Z轴方向的振荡速度，其中第一组平台为模型1、模型2和模型3，第二组平台为模型4、模型5和模型6，第三组平台为模型7、模型8和模型9。每组平台的楔形角分别为30°、45°、60°。

图3到图5说明第一组中模型1和模型3的浮子平均振荡速度相差不大，模型2中的浮子平均振荡速度最快，峰值略有波动；第二组中模型4的浮子平均振荡速度最快，而模型5略大于模型6；而第三组中模型8的浮子平均振荡速度最快，模型7的浮子平均振荡速度略大于模型9。说明模型2、模型4和模型8是每组中波浪能采能效果比较理想的模型。

图3 第一组浮子的平均振荡速度Fig. 3 Average oscillation rate of floats in the first group

图4 第二组浮子的平均振荡速度Fig. 4 Average oscillation rate of floats in the second group

图5 第三组浮子的平均振荡速度Fig. 5 Average oscillation rate of floats in the third group

3.2不同试验平台楔形角及不同浮子排列方式对RAO值的影响

RAO可用来描述波浪中浮体自由漂浮运动状态下的运动响应，它是浮体运动响应无因次化的响应振幅算子，一个波浪到浮体的传递函数。RAO[4]可表示为：

式中：ηi为漂浮装置第i个自由度的幅值；ξ为某一波浪频率下波浪高度的幅值。当波幅一定时，垂荡的RAO值越大，浮子垂荡的幅值也越大，即浮子吸收波浪能越充分，波浪能转化效率越高。

图6 三种模型的平均RAO值Fig. 6 Average RAO values of three models

图6所示为三种模型的试验平台在不同频率下浮子在Z轴方向平均RAO的比较，其中模型8的浮子RAO值总体均大于模型2和模型4，在频率为0.58 Hz时达到了最大，在0.58～0.72 Hz随着频率增大而减小；而模型2和模型4在频率为0.22～0.4 Hz之间，浮子的RAO值随着频率增大而增大，在0.4～0.58 Hz之间随着频率增大RAO值减小，之后随着频率增大RAO值曲线上升。

综上可知，三种模型中模型8在频率0.22～0.58 Hz之间总体具有较好的RAO值，它的频率响应宽度最大，在较大频率范围内具有良好的采集效率。说明在试验平台楔形角为60°，浮子之间错开排列更能对起伏的波浪做出快速响应，更有利于波浪能的采集，具有更高的波浪能转化效率。

3.3对三种试验平台模型浮子Z轴方向的运动响应进一步分析

由表1可知，模型4的平均振幅最低，模型8的平均振幅最高，模型2 的平均振幅居于两者之间，但其振幅方差最大，浮子在Z轴方向做垂荡响应时偏离平均振幅的程度最大。模型8的振幅方差比模型2的大，但是两者相差不大，而且模型8的平均振幅大于模型2，所以，三种模型中模型8的浮子在Z轴方向具有更好的垂荡响应，是较好的采能模型。

表1 三种模型浮子Z轴方向的振幅比较Tab. 1 Comparison of the amplitude of the three models’ floats in the Z axis direction

4 结 语

阵列筏式波浪能发电装置由振荡浮子吸收海上波浪的动能与势能，经齿轮传动机构带动发电机进行发电。为提高波浪能的采集效率，建立9种三维模型对整体结构进行仿真分析及优化，发现试验平台模型楔形角为30°时，浮子采用距离渐增方式排列时，整个试验平台具有较好的波浪能采集能力；在试验平台模型楔形角为45°时，浮子之间采用直线排列时，整个试验平台波浪能采集效果比较好；在试验平台模型楔形角为60°时，浮子之间采用错开排列的方式，整个试验平台波浪能采集效率较高；对浮子在Z轴方向的振幅以及RAO值进一步分析之后，发现试验平台模型楔形角为60°，浮子之间距离采用错开排列的方式比其它两种试验平台模型具有更好的波浪能采集能力，并且在频率0.22～0.58 Hz之间的RAO值较大，更有利于波浪的的吸收、利用。

分析过程中还发现不同波向以及浮子不同直径对波浪能的采集均有影响，可进一步细化分析不同波向以及浮子直径来提高波浪能的采集效率。

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Modeling and simulation analysis of array-raft-type wave power generation device

ZHANG Mingyong1, YANG Shaohui2,3, HE Hongzhou2,3, ZHANG Jun2,3, LI Hui2,3

(1. Marine Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, China; 2. Key Laboratory of Clean Energy Utilization and Development of Fujian Province, Xiamen 361021, China; 3. Fujian Engineering Technology Research Center of Cleanburning and Efficientuse of Energy, Xiamen 361021, China)

1005-9865(2017)02-0083-06

P743.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.012

2016-06-29

国家自然科学基金资助项目(51209104, 51409118)；福建省自然基金资助项目(2016J01247)；福建省新世纪优秀人才资助项目(JA13170)

张明镛(1991-)，男，福建三明人，硕士研究生，主要从事船舶与海洋工程机电一体化研究。E-mail:myz6280@163.com

杨绍辉。E-mail: 13163996278@163.com