封闭式波浪能发电装置受力与俘能功率研究

陈 飞，段德荣，张 辉，杨学锋，赵 方

(济南大学机械工程学院，山东 济南 250022)

0 引言

面对不可再生能源日益枯竭和环境污染日益严重的局面[1]，可再生的清洁波浪能已成为解决人类能源危机的重要能源之一[2-3]。尽管人类对波浪能发电装置的研究已取得一定成果[4]，但波浪能发电装置的俘能功率和转换效率等依然不尽人意。为此，李雪临[5]对摆板的质量进行研究，发现减少摆板质量可使平均输出功率增加2.73 kW，使一级转换效率提高14.03%；胡珊[6]和张亮[7]对浮标质量进行研究，发现浮标俘能效率随质量的增加下降7.58%，俘获宽度增大了6.80%。研究表明，质量作为波浪能发电装置水动力性能的重要影响因素，将是低能流密度海域波浪能发电装置的关键研究内容[8]。这对适用于该类海域的波浪能发电装置研究具有重要的商业和社会价值。

1 封闭式波浪能发电装置

封闭式波浪能发电装置由俘能系统-浮标和能量转换系统-齿轮变速箱、电机等系统组成。能量转换系统运用磁悬浮技术，使磁性质量滑块运转时减少能量损失，进一步提高能量转换效率[9]。运行过程中，波浪的运动通过浮标间接使磁性质量滑块倾覆θ°。获取重力势能后的磁性质量滑块绕圆形磁性导轨旋转φ°，将重力势能转化为齿轮变速箱的机械能，再通过发电机实现机械能到电能的转换。封闭式波浪能发电装置结构如图1所示。

图1 封闭式波浪能发电装置结构图

2 仿真环境设置

数值计算中，选择四边形网格对浮标模型进行网格划分，每个波长范围至少覆盖7个绕射单元[10-11]。采用锚链将封闭式波浪能发电装置系泊于海中，并对其施加波浪载荷。山东半岛海洋数据如表1所示[12-14]。

表1 山东半岛海洋数据

3 受力与俘能功率分析

3.1 质量对F-K力的影响

运用控制变量法，在控制浮标各尺寸不变的条件下，通过在浮标底部内侧均匀增加质量块的方式来改变封闭式波浪能发电装置的整体质量，研究质量对F-K力的影响。研究发现，当封闭式波浪能发电装置浮标直径为5 m时，纵摇F-K力的幅值受质量影响变化34.50%，垂荡F-K力值变化较小。封闭式波浪能发电装置浮标直径为10～20 m时，纵摇和垂荡F-K力值受质量的影响较小。封闭式波浪能发电装置纵荡F-K力变化曲线如图2所示。

图2中，F-K力随波浪频率的增加呈正弦曲线状变化，F-K力先增大后减小，响应幅值和变化周期不断衰减；F-K力随质量的增加逐渐增大，最大增大量为127%。造成这种现象的原因，一方面是浮标的吃水随质量的增加逐渐增大，波浪作用在浮标上的等效面积增加，浮标受入射波的作用力进一步增加；另一方面是沿波浪传播方向浮标受到锚链拉力束缚的作用。在考虑增大或减弱F-K力的影响时，本项研究表明可从增加或减少质量入手。

图2 纵荡F-K力变化曲线图

3.2 质量对波浪绕射力的影响

绕射力是浮标所受波浪力之一。本文基于山东半岛水文信息，并借助水动力计算软件AQWA，对其进行仿真研究。研究发现，当封闭式波浪能发电装置浮标直径为5 m时，纵摇方向上的波浪绕射力幅值受质量影响变化24%，垂荡方向上波浪绕射力变化较小。当封闭式波浪能发电装置浮标直径为10～20 m时，纵摇和垂荡方向上波浪绕射力受质量的影响较小。纵荡绕射力变化曲线如图3所示。

图3 纵荡绕射力变化曲线图

图3中，波浪绕射力随波浪频率的增加先增大后减小，呈正弦曲线状变化，响应幅值和变化周期逐渐衰减。波浪绕射力随质量的增加逐渐增大，最大增大量为88%。造成这种现象的原因是浮标水下部分面积随质量的增加而增大，波浪在传播方向上受到的阻碍增大，导致浮标受到的波浪绕射力增大。波浪能发电装置在海上往往呈阵列布置，以提高对波浪能的俘获和利用效率。通过对波浪绕射力的研究，得到了质量与波浪绕射力的关系。该关系可为因遮蔽效应导致阵列中波浪能发电装置俘能功率的减小提供一定的优化方法，从而进一步提高对波浪能的利用。

3.3 质量对俘能功率的影响

借助水动力计算软件AQWA，对不同质量下封闭式波浪能发电装置俘能功率进行研究。假设封闭式波浪能发电装置机械传动效率为0.90，磁性质量滑块质量为30 kg[15]，依据浮标纵摇时程响应，得到如图4所示的5～20 m浮标直径封闭式波浪能发电装置的俘能功率曲线图。

图4 俘能功率曲线图

图4中，同等浮标直径的封闭式波浪能发电装置俘能功率呈相同周期正弦曲线状变化，负功率表示磁性质量滑块逆时针旋转时产生的功率。随着质量的增加，俘能功率有不同程度的增加，俘能功率极值间平均相对变化量分别为47%、23.50%、26.90%和36.40%。极值间出现47%的较大平均相对变化量的原因，一方面是浮标直径小于平均波浪波长，受多种波长波浪的影响，浮标稳定差；另一方面是质量的增大使浮标吃水增加，受到的F-K力和波浪绕射力增加，浮标运行惯性和不稳定性增加。极值间出现23.50%和26.90%的较小平均相对变化量的原因是浮标直径接近平均波浪波长，浮标稳定性高。较高的稳定性抵消了部分吃水增加带来的F-K力和波浪绕射力的影响。极值间出现36.40%的较大平均相对变化量的原因是由于浮标直径较大，吃水深度太小，浮标稳定性差。根据俘能功率曲线变化，在8～14 t的质量范围内，俘能功率随着质量的增加而增加。俘能功率极值间平均相对变化量的大小因浮标直径的不同而有所差异，在8～14 t的质量范围内，俘能功率极值间平均相对变化量呈先减小后增大的变化趋势。

4 结束语

封闭式波浪能发电装置借助磁悬浮技术，在低能流密度海域运行发电中优势。基于山东半岛海洋环境，运用时域分析法分析8～14 t的质量对新型封闭式波浪能发电装置所受F-K力、绕射力和俘能功率的影响。研究发现，纵荡方向上的F-K力随质量的增加逐渐增大，最大增加量为127%，响应幅值和变化周期随波浪频率逐渐衰减，纵摇和垂荡方向上的F-K力受质量的影响较小。纵荡方向上的波浪绕射力随质量的增加逐渐增大，最大增加量为88%，响应幅值和变化周期随波浪频率逐渐衰减，纵摇和垂荡方向上的波浪绕射力受质量的影响较小。俘能功率随质量的增加逐渐增大，俘能功率极值间的最大平均相对变化量为47%，俘能功率极值间平均相对变化量随浮标直径的增加呈先减小后增大的趋势。