摆式波能发电装置性能的时域分析

张虎　樊后朋

摘 要：摆式波能发电装置具有较高的转换效率，近年来获得众多学者的关注。本文首先基于势流理论在频域分析了摆板厚度对于摆式波能发电装置水动力特性的影响。在此基础上求解考虑动力摄取系统的Cummins方程计算瞬时功率和平均功率。进一步分析了摆板厚度对摆式波能发电装置瞬时功率的影响和动力摄取系统的阻尼系数对摆式波能发电装置平均功率的影响。

关键词：波浪能;势流理论;频域;时域;瞬时功率;平均功率

在众多的海洋可再生能源中，波浪能以能量密度大，分布范圍广而受到人们的青睐，许多波能发电装置被开发出来[1]。其中摆式波能发电装置（如图1所示）主要由摆板、动力摄取系统和发电机等组成，摆板在波浪作用下绕轴前后摆动带动活塞液压杆运动，进而将波浪能转化为电能[2]。

1 频域势流理论

假定流体不可压缩，无粘性，运动无旋。速度势满足拉普拉斯方程：

4 水动力特性数值模拟及结果分析

4.1 装置模型

本研究中简化的浮力摆波能转换装置由摆板和基座组成（它们之间由平面铰连接，同时通过线性阻尼器转换能量MPTO（t）=-BPTOθ·（t），BPTO为线性阻尼系数），其主要参数如下表所示[5]，分别建立1.8m和0.6m两种厚度的摆板，计算时选择水深h=10.9m。建立的简化的浮力摆与坐标系统如图2所示。

ANSYS AQWA是基于边界元法的水动力分析软件，只需摆版的表面模型并划分网格（如图3所示）。坐标系原点定义在水面与摆板交界面的中心，Z轴垂直向上，X轴为波浪传播方向。

4.2 水动力特性分析结果

图4-图9分别是两种厚度摆板和基座的激振力、辐射阻尼、附加质量与波浪周期的关系，从图4和图6可以看到，摆板的激振力和辐射阻尼随着波浪周期先增大后减小，有一个明显的峰值，辐射阻尼最后趋于0;从图8可以看到，摆板的附加质量也有一个明显的峰值，随着波浪周期的增大，最后趋于一个固定值;从图5、7和9可以看到，基座的水动力计算结果和摆板类似，但峰值远小于摆板，对装置的影响很小;两种不同厚度装置的水动力系数曲线形状相同，有些部分几近重合，说明摆板和基座厚度对装置的水动力特性影响很小。

5 时域分析及结果

将AQWA的水动力分析结果导入开源分析软件WEC-Sim[5]，并在WEC-Sim里设置波浪参数，本文采用规则波和线性动力摄取系统。数值分析时，前100s为启动时间，100s波浪趋于稳定。

5.1 摆板厚度对功率的影响

时域模拟时取波高为1.75m，波浪周期为8.12s，选取动力摄取系统的阻尼系数为6e6Nms/rad。使用WEC-Sim进行时域分析，得到摆板运动情况和瞬时发电功率变化曲线如下图所示。

由图10和11可以看出，两种厚度摆板的运动和发电功率变化趋势一样，但1.8m厚度摆板的运动幅值大，导致其发电效率较0.6m厚度摆板高。

5.2 动力摄取系统阻尼对发电效率的影响

在时域分析中保持波高为1.75m，波浪周期为8.12s不变，改变阻尼系数BPTO导致平均发电功率的变化如图12所示：

由图可见，当BPTO→0时，平均功率趋近于0;当BPTO→∞时，平均功率趋近于0，平均功率在所研究范围内存在最大值，对应的最优线性阻尼系数为5e7Nms/rad。

6 结论

本文使用ANSYS AQWA软件建立摆板水动力计算模型，分析两种厚度摆板和基座的水动力特性，结果表明摆板厚度对装置水动力特性几乎没有影响;基座对装置水动力特性的影响远远小于摆板。研究中将ANSYS AQWA分析的水动力结果导入WEC-Sim中进行时域分析，采用规则波和线性动力摄取系统，在时域分析了摆板厚度和阻尼系数对发电功率的影响。结果表明，1.8m厚度的摆板摆幅较大，其发电功率较高;波浪条件固定时，存在最佳阻尼系数，使发电装置的平均功率最大。

参考文献：

[1]陈韦，余顺年，詹立垒，等.波浪能发电技术研究现状与发展趋势[J].能源与环境，2014（03）：83-84.

[2]滕斌，陈文.摆式波能转换装置的水动力分析模型[C].第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会，中国山西太原，2011.

[3]Cummins WE.The impulse response function and ship motions[J].Schiffstechnik，1962，9：101-109.

[4]李松剑，潘卫明，刘靖飙，等.浮力摆式波浪能发电装置时域研究[J].太阳能学报，2017，38（02）：543-550.

[5]Yu YH，Lawson M，Ruehl K，Michelen C.Development and demonstration of the WEC-Sim wave energy converter simulation tool[C].The 2nd Marine Energy Technology Symposium，METS 2014，Seattle，WA，2014.