新型摆板式波浪能发电装置的设计与模型试验

2022-08-11陈远明周昭民樊天慧周斌珍何春杉

中国海洋平台 2022年3期

陈远明，周昭民，樊天慧，周斌珍*，何春杉

(1. 华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510641；2. 哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

传统化石能源难以满足未来能源需求，可再生能源的开发利用变得更加迫切[1]。全球可开发的波浪能年储量可达2 TW[2]，大力发展海洋波浪能对缓解我国能源压力、调整国家能源结构和发展海洋经济具有重要意义[3]。

波浪能发电装置按照波能俘获原理可分为振荡水柱式、摆式、筏式、聚波越浪式、点吸收式、鸭式等[4]。摆式装置的优点为设备制造相对简单、波浪能利用效率较高。但摆式装置外露的发电机和传动机构易受波浪冲击和海水腐蚀导致损坏[5]。国外较典型的摆式发电装置有丹麦Wavestar装置[6]、法国SEAREV装置[7]和英国Lancastar大学的Forg装置[8]。对于国内摆式波浪能发电装置：国家海洋技术中心2012年在大管岛建造1座装机功率为100 kW的摆式波浪能发电站，装置连续工作超过2个月：浙江大学提出漂浮摆式与漂浮摆-斜坡组合的浮力摆波浪能装置，对装置的水动力特性和功率控制技术进行数值仿真和模型试验[9-10]；中国科学院广州能源所设计的10 kW“鹰式一号”波浪能发电装置无故障海上连续运行6个月，装置提高发电性能的稳定性和连续性，始终保持高效运行[11-12]；广州能源所在“鹰式一号”基础上，设计120 kW的“万山号”发电装置，该装置为船舶与波浪能转换装置的结合体，并可在装置顶部加装太阳能电池板、风力发电机等多能互补装置[13]。

本文设计一种密闭型自适应潮位摆板式波浪能发电装置，该装置利用摆板与主体之间的相对运动将波浪能转换为机械能，再利用发电机转换为电能。先对装置外部结构、内部结构、摆板驱动单元结构和自适应锚索收放单元结构等设计进行介绍，阐明其工作原理；然后在波浪水池中进行物理模型试验，结合不同工况的试验结果分析，得到装置不同参数的运动响应规律；同时也验证发电装置设计的合理性，为实海况装置的优化设计提供理论依据。

1 摆板式波浪能发电装置设计

1.1 装置外部结构

密闭型自适应潮位摆板式波浪能发电装置由密闭主体及其内部传动机构、摆板、摆架、锚索和沉块构成，如图1所示。密闭主体下端通过锚索与海底沉块相连，四周通过摆架与4个摆板连接，摆板可绕摆架与密闭主体间的铰接横轴摆动，从而带动密闭主体内部传动机构驱动4个发电机旋转发电。

注：1. 密闭主体；2. 摆板；3. 摆架；4. 锚索；5. 沉块图1 密闭型自适应潮位摆板式波浪能发电装置外部结构

1.2 装置内部结构

装置内部结构如图2所示，其安装4组发电装置，每组发电装置由长短摆杆、摇臂、单向离合器、惯性轮和发电机等组成。每块摆板通过长摆杆带动摇臂驱动1个发电机发电。

注：1. 单向离合器；2. 发电机；3. 横轴；4. 惯性轮；5. 长摆杆；6. 短摆杆；7. 摇臂图2 密闭型自适应潮位摆板式波浪能发电装置内部结构

1.3 摆板驱动单元结构

摆板驱动单元结构如图3所示，其中摆板形状采用鹰式设计[14]，内部中空使其自身具有浮力。摆板上表面采用弧线形设计，由于在水线过高时波浪冲击可能会导致过多积水残留于上表面，会抑制摆板向上的浮力，从而影响摆动幅度，因此采用弧形设计能有效避免此问题。摆板下表面内凹，增大与波浪的接触面，可最大限度地利用波浪所提供的压力，更好地俘获波浪能。密闭主体四周对称设置4个鹰式摆板，能充分俘获各方向波浪能。

注：1. 轴承座；2. 轴承；3. 凸台；4. 密封垫圈；5. 球节点；6. 横轴；7. 喉箍；8. 锥形波纹软管；9. 管环图3 摆板驱动单元结构示例

摆架结构包含长摆杆和短摆杆，长、短摆杆通过球节点和横轴与密闭主体连接，连接处还设置凸台、锥形波纹软管和密封垫圈等，使摆杆既可自由摆动又可实现多重隔水密闭作用，有利于内部构件不受海水腐蚀。

1.4 自适应锚索收放单元结构

密闭主体内部由上至下分为发电舱、蓄电舱和锚索舱，如图4所示。发电舱所发电能输送至蓄电舱内蓄电池组储存。锚索舱设置电动绞车和压力传感器，通过压力传感器感应装置吃水大小，并自动控制电动绞车收放钢索，实现自动适应潮位，使装置处于最佳吃水状态。

注：1. 滑轮；2. 锚索；3. 发电舱；4. 蓄电舱；5. 蓄电池组；6. 电动绞车；7. 锚索舱；8. 喉箍；9. 底部挂钩塞；10. 波纹软管；11. 导缆管；12. 压力传感器；13. 隔水管图4 装置内部自适应锚索收放系统

2 模型试验及结果分析

2.1 试验设置

模型试验在华南理工大学波浪水池中进行，水池一端设置造波机，另一端设置消波堤，模型放置在距造波机10 m处，如图5所示。

图5 模型试验布置

模型总长为1.52 m，主体上半部分为正方体、边长为0.60 m，下半部分为倒置的正三角锥、斜边为0.55 m，设计吃水约0.35 m，重约68 kg，如图6所示。

单位：mm图6 模型尺寸

2.2 试验内容

在波浪水池中开展波高、周期等影响因素下装置性能试验。采用控制变量法改变装置中的单个参数以进行数据比较，开展摆板形状、锚泊方式、迎浪方向和负载能力的研究。试验摆板选择鹰式、窄平板式、宽平板式。锚泊方式选择四点悬链式和四点张紧式。摆板迎浪方向选择正向和斜45°浪向。负载能力选择4种不同劲度系数的弹簧。

2.3 试验结果及分析

2.3.1 不同形状摆板试验

试验波高选为0.06 m，波浪周期分别为0.8 s、0.9 s、1.0 s、1.1 s、1.2 s、1.3 s、1.4 s。选用四点悬链式锚泊，摆板形状选用鹰式、窄平板式和宽平板式等3种形式，如图7所示。图8为3种摆板在不同周期波浪作用下摆板相对主体的摆动角度关系图。由图8可知，鹰式摆板的摆动角度明显大于另外2种形式，更有利于波浪能的俘获。对于3种形式的摆板，使其摆角最大的最佳波浪周期均在1.0 s附近。现场试验分析表明，若采用悬链锚泊，当波浪周期相位可使摆板处于波峰而主体恰好处于波谷(或当摆板处于波谷、主体刚好处于波峰)时，摆板的相对运动最剧烈，此时的波浪周期也是装置的最佳周期。也就是说，当摆板入水部分的形心至主体入水部分的形心间的距离约为波长的一半时，摆板的相对运动最大。因此，在实际设计时，必须使该参数与实际海况的波长相匹配，才更有利于波浪能的吸收。

图7 摆板形状

图8 不同形状摆板摆角幅值

2.3.2 不同锚泊方式试验

波高选为0.06 m，波浪周期分别为0.7 s、0.9 s、1.4 s、1.8 s。摆板选用鹰式摆板，采用四点张紧式和四点悬链式两种锚泊方式，如图9所示。图10给出2种锚泊方式下4块摆板摆角总和随波浪周期变化曲线。由图10可知，由于悬链锚泊方式未能较好地限制主体的垂向运动，整个装置随波逐流，其存在一个摆角最大的最优波浪周期(该结论与第2.3.1节试验吻合)。对于张紧式锚泊方式，由于其限制了主体的垂向运动，因此摆板相对于主体的摆角明显增大，特别当波浪周期越大时，限制主体垂向运动对波浪能的吸收越有利。这也验证了本装置的自适应锚索收放系统使锚索一直处于张紧状态的必要性和重要性。

图9 锚泊示例

图10 不同锚泊方式下摆板总摆角幅值

2.3.3 不同迎浪方向试验

波高选为0.06 m，波浪周期分别为0.7 s、0.9 s、1.4s、1.8 s。锚泊方式为四点悬链式，波浪入射方向分别为0°(见图5)和45°(见图11)。图12给出不同周期情况下2种波浪入射方向的摆板摆角幅值总和对比。装置在2种浪向下均能吸收一定的波浪能，在0.7 s周期下，斜45°入射的装置摆角幅值总和大于0°入射，在0.9 s、1.4 s、1.8 s 周期下，0°入射的装置摆角幅值总和均大于斜45°入射。在一定的周期范围内，摆板正向迎浪布置更利于装置吸收波浪能量。

图11 45°浪向布置

图12 不同入射浪向下摆板总摆角幅值

2.3.4 不同负载能力试验

波高选为0.06 m，波浪周期为0.1 s，波浪正向入射，采用鹰式摆板和四点悬链式锚泊，选取劲度系数为163.33 N/m、980.00 N/m、1 225.00 N/m、4 620.70 N/m的弹簧模拟负载。图13给出装置的单个摆板吸收波浪能功率与弹簧劲度系数关系。在试验选取的范围内，当弹簧劲度系数为980 N/m时，摆板吸收功率(约0.77 W)达到最大。在对装置的发电功率进行优化时，应选择合适的负载以增大发电功率。