漂浮式波浪能发电装置电功率测试*

王标极，李政清，肖 扬，朱承峰，任博恒

(三亚学院理工学院，海南 三亚 572022)

0 引言

目前，我国对波浪发电装置的研究已突破关键技术，但波浪发电装置投入实际运行的数量较少，对实际应用的发电装置进行有效的现场功率特性测试还不是很多，波浪能发电装置的功率特性测试领域在我国仍存在不足。目前国内多数研究大都基于对波浪能发电系统进行建模，根据实际使用的海况利用比较成熟的Morison方法，Froude-Krylov理论，绕射理论对发电装置建模，对功率的测试计算大都处于理论阶段，但波浪能波动很大而且规律性不明显，理论的分析计算往往与实际测试有较大的差别。本文通过研究发电装置浮子的运动状态，测试其海洋实际情况下发电状态下的功率，最终得出最佳发电状态下的装置相关参数[1]。

1 波浪能的转换

根据波浪转换方式的不同，波浪能有多种转换方式如点吸收式、波浪衰减式、水柱振荡式，沉潜压差式等，虽然形式各异但总体上可以分为三个环节[2]。波浪能转换的环节及作用如图1所示。

图1 波浪能三级转换图

1) 第一级转换

第一级转换通常由一对实体构成：受能体和定体。定体通常为固定在海岸或者海洋平台上，受能体则与海浪直接接触，与定体之间形成相对运动，接受波浪能。本装置为海洋漂浮式发电装置，定体为装置外框架浮子和配重阻尼部分，受能体为振荡浮子，转换方式采用目前运用最为常见的波浪能转换为机械能的转换方式。

2) 第二级转换

受能体不同，中间转换装置也不相同。装置的受能体转换方式属于机械式，在波浪作用浮子上下运动，能量的传递主要通过链条这种机械传动装置完成。链条传动相较与水力式和气动式灵活性较差但波浪能的转换效率较高，但也不可避免存在一定的腐蚀问题。

3) 第三级转换

第三级主要是将转换后的不同形式的机械能、液压能、空气能等转化为电能。装置将浮子运动的机械能转换为旋转动能输入到永磁同步发电机，实现机械能到电能的转化。

振荡浮子随起伏运动的波浪做振荡运动，由导轨约束振荡浮子只能沿导轨做垂荡直线运动，振荡浮子将吸收到的波浪动能传递给了链条并带动链轮旋转，单向链轮仅当浮子下降时将浮子的势能传递给变速器，将较慢的转速提高，驱动发电机旋转完成波浪能到电能的转换。为保证电能输出的连续性，发电机一端与飞轮相连接，通过飞轮的能量存储和释放功能，使发动机能够连续发电[3]。

2 测试方法

功率可以用来描述做功快慢的物理量，分为电功率，机械功率。电功率与流过负载两端的电流和电压相关，通过测量流过负载的电流和电压可由p=ui测得瞬时功率，在纯阻性的状态下可由p=i2R=u2/R。机械功率是力在单位时间内所作的功，由定义可知只要知道浮子所受的实时拉力和浮子运动速度可得出瞬时的机械功率p=fv。根据图2测试流程图，将测得的拉力、速度、电压、电流物理量通过PLC的模拟量输入口对其进行采集，使用计算机对PLC采集数据实时显示与记录。

图2 测试流程图

2.1 机械系统功率直接测试法

将一个拉力传感器接入与浮子相连的链条，用于测量浮子向下做功时的拉力。在链轮处使用接近开关测量链轮转速。使用PLC对测量信号进行分析处理，利用PLC的时实监控功能可以很好的对功率进行测量跟踪。通过在发电机的输入接入一个可变的负载电阻，可测出装置的最大发电功率。

2.2 电功率测试装置

电功率的测量从电功率的定义P=UI出发，装置采用电阻丝为负载，通过改变电阻丝的阻值来调节装置的输出负载。发电机输出端接入负载会产生磁阻，发电机的磁阻会影响装置的发电效率。当输出端负载过大时会产生较大的磁阻，使浮子不能正常下落甚至无法运动；当负载接入过小时，浮子会下落过快浸入波浪中大大降低装置的发电效率。在测试中不断调节阻值大小来改变负载的大小，使得发电装置工作在最佳发电状态。

测量负载的功率可以通过一个电压表和电流表测出负载UI值，选用发电机为三相交流发电机。由于波浪能发电的特性，发电机输出有效电压以及电压的频率有较大的波动，通用实验室已有的设备不能很好对其输出功率进行测量。为方便测量，也为提高输出电压的稳定性，先对发电机的输出电压进行整流滤波稳压。装置使用三相交流发电机，输出为有效值12 V～24 V三相交流电。由于波浪能发电的不稳定性，为方便接入阻性负载测量功率，使用二极管不控整流。在输出端接入一个稳压电容，减少电流的波动给测量带来的影响，加电容滤波还可以提高输入交流电源的功率因数，减小谐波。

3 测试结果

海洋测试海况复杂且不可控性较高，与陆地测试和实验室水池测试相比存在不确定因素更多，对装置的改进和应用推广更具有实际意义。测试地点水深约七米，测试过程波浪大小随天气和时间有较大的差异。为了测试的科学性，在不同的海况下进行了两次测试。

1) 第一次测试

测试时间：2019年4月21日

测试地点：某海域栈桥端头

测试海况：波高H=2 m，风力2～3级，天气晴，最高温度35 ℃

图3 不同负载电阻和浮子质量与最大电功率关系实测图

在平均波高H=0.5 m时经图像可测得波浪周期T=6.445 s，测试过程中浮子可以满行程做功，波浪周期稳定发电连续性高测试效果较好。

2) 第二次测试

测试时间：2019年4月27日

测试地点：某海域栈桥端头

测试海况：波高H=0.5 m，风力2～3级，天气晴，最高温度33 ℃

在平均波高H=0.5 m时经图像可测得波浪周期T=5.007 s，测试过程中浮子做功行程较短，波浪周期波不稳定，在采样测试时间内波浪重复性较差使测试结果存在一定的误差，装置依旧可以进行发电但发电效果一般。

图4 39.5 kg/9Ω负载下PLC实测图

图5 不同负载电阻和浮子质量与最大电功率关系实测图

图6 42.8 kg/9Ω负载下PLC实测图

4 数据分析

在海洋测试得到最大发电功率与负载电阻和浮子质量的关系，当浮子质量不变的情况下最大电功率随着负载电阻值的变化而变化存在最佳组合，当负载电阻阻值都小于某一个值时最大电功率随着阻值的减小而增大，当负载电阻阻值都大于某一个值时，输出最大电功率随着阻值的增大而增大。

图7 42.5 kg/9Ω负载机械功率与电功率测试曲线

实验最终得到浪高2 m周期6.544 s状态下浮子质量为42.5 kg负载电阻阻值为9Ω时发电效率最佳。图7为浮子质量42.5 kg负载电阻阻值为9Ω时实海况测试时实时机械功率与电功率的变化曲线图。对功率曲线进行积分后可以得出浮子做功和负载电阻吸收的功，计算得在87 s内浮子机械能做功2 423J电功率做功1 246J，机械能电能平均转化率为51.4%。

5 结论

该研究结合波浪能振荡浮子发电装置发电的特点，对现有不同形式的波浪能发电装置功率测试的测试方法，设计了符合波浪能振荡浮子发电装置功率测试的方案，对PLC原始采样功率曲线利用Origin Pro分析和MATLAB对测得数据处理，较好的得到装置最佳发电状态时的各项参数。测试方案和测试结果符合该装置的实际工作特性，对于装置今后的优化改进提供了宝贵的参考数据，对于今后设计实用的发电装置具有重要意义。