浮力擺式波浪能發電裝置模型試驗

王 錳 ，李 蒙 ，夏增艷，胡振峨 ，王兵振

浮力擺式波浪能發電裝置模型試驗

王 錳1，李 蒙1，夏增艷1，胡振峨2，王兵振1

(1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.山東省即墨市海洋與漁業局，山東 青島 266200)

設計了一種浮力擺式波浪能發電裝置，并根據其原理在實驗室中開展比例模型試驗。介紹了該裝置的設計原理、試驗原理，試驗設計以及數據處理與結果分析，并在實驗室模擬波況下，繪制出了波浪能裝置的轉換效率曲線。試驗顯示，該波浪能發電裝置具有性能穩定，能量轉換效率較高，能適應小波浪發電等特點。

浮力擺式；波浪能；發電裝置；模型試驗

在能源消費量持續攀升和傳統能源日趨短缺的環境下，新能源開發已經成為大勢所趨。波浪能作為其中的一個研究熱點，在經過多年的技術積累后現已逐步接近實用化水平[1]。在多種形式的波浪能發電裝置中，浮力擺式波浪能發電技術是新近發展起來的一項技術，同時也是研究的重點。目前，英國貝爾法斯特女王大學研制的Oyster波浪俘獲裝置已成功下水示范運行[2]。本文設計了一種浮力擺式波浪能俘獲裝置，通過開展1：5比例模型試驗，對系統的可行性及裝置的轉換效率等問題進行了研究。

1 發電裝置工作原理

1.1 系統工作原理

擺式波浪能發電系統模擬裝置主要由波浪能俘獲部分、液壓轉換部分及水輪機發電部分組成。其中擺板、液壓缸、擺板底座、重力式基礎位于水下。擺板的擺動軸線置于擺板的底部，液壓缸與擺板、底座間均通過鉸鏈連接。在波浪作用下，擺板繞轉軸往復擺動，從而帶動液壓缸活塞實現往復直線運動。當液壓缸做活塞運動時，將從液壓缸中排出帶有一定壓力的水。通過管路將水輸送到實驗臺上，帶動水輪機發電。系統方案如圖1所示。

1.2 擺式波浪能裝置動力特性分析

擺式波浪能發電裝置在波浪作用下的動力響應過程可以近似簡化為一個二階振動系統[3-4]，擺板的運動方程如以下方程式：

由穩態輸出計算公式可以明顯看出，當擺板在水中的固有圓頻率和波浪的圓頻率相等時，即可獲得較大的擺動角度，從而得到能量轉化效率的極限值。

不難看出，波浪周期是影響擺板轉換效率的關鍵因素。設計工作重點圍繞使擺板適應當地的波周期來開展。

2 裝置設計

2.1 站址海域波浪周期特性

根據之前項目對站址海域進行的波浪、潮汐調查與分析等工作，得到的站址海域設計波要素和潮汐變化情況如圖2所示。

根據圖2分析可知全年平均周期約為3.22 s，但在波浪資源較好的夏季則平均周期約為4.0 s。因此擬研建的浮力擺式波浪能發電裝置的最佳工作波況對應的平均周期應在1.9～4.0 s之間，且盡量靠近4.0 s。

2.2 裝置尺寸

在數值分析的基礎上，初步設計了擺板結構。擺板裝置由5個空心鋼管和筋板組成，擺板空心鋼管外徑為Φ920 mm，壁厚8 mm，寬度6 900 mm。總重約為11.74 t，擺板全部沒入水中時浮力約為23 t。擺板結構如圖3。

3 試驗驗證

3.1 模型比尺的確定

根據實型機的尺寸設計一種流體模型實驗，確切地說是一種液流模型實驗，它要求原型液流和模型液流在力學上相似。力學上相似的兩液流應當滿足幾何相似、運動相似、動力相似和邊界條件相似的要求。

實體和模型滿足幾何相似的條件是兩者的所有各項相應的線性尺度之比為常數。

式中：λ為縮尺比。

實體和模型相應的體積Δs，Δm之比為：

實驗主要是研究裝置在波浪作用下的輸出功率以及效率，這種情況下，重力和慣性力是決定其受力的的主要因素。因此模型實驗中應滿足弗勞德相似定律，即模型和實體的弗勞德數(Fr)相等，以保證模型和實體之間重力和慣性力正確的相似關系。此外，物體在波浪上的運動和受力帶有周期變化的性質，模型和實體還必須保持斯特勞哈爾數(Sr)相似。

實驗模型的尺度、材質的選擇與實驗目的密切相關。根據本實驗的目的，對模型的主要控制要素是模型的大小、水槽的相關尺度、水槽所能模擬波浪的能力。由此確定本實驗的模型比尺為1：5。由于加工等限制，難以完全實現幾何相似。因此，對主體尺寸方面作了細微變化，裝置基本滿足幾何相似原理。模型擺板繞其回轉軸轉動，在尺寸方面完全與設計方案成比例，因此滿足運動相似準則。

表1 擺板主體原型和模型參數表

3.2 數據采集和處理系統

輸出功率數據采集系統對模型實驗的關鍵數據進行采集，通過實時顯示、實時曲線監視及即時儲存的方式將壓力、流量相關數據進行記錄，為后續的分析及處理提供數據支持。數據采集系統由三部分組成（如圖4所示）：測量采集傳感器、信號調理模塊、數據采集板卡及上位PC機。

測量采集傳感器主要用來對液壓系統的流量和壓力以及水流沖擊水輪機過程中所產生電能的電壓電流信號進行測量。

壓力傳感器選用TBP-3擴散硅壓力傳感器，精度范圍0.5級；流量計選用LWGY-D40渦輪流量傳感器，精度范圍0.2級。輸出均為標準電信號，為確保信號的可靠傳輸，在傳感器后端加入信號調理模塊進行信源分離。

數據采集卡選用USB數據采集板卡。輸入量程為-5～+5 V，轉換精度為 12 bit；采樣速率為 31Hz～250 kHz；物理通道數為32單端通道。該板卡的AD轉換參數指標可以充分滿足本實驗的需求。通過該板卡，將多路采集信號同時存儲至上位PC機中。通過對數值進行篩選分析計算繪制系統的發電效率曲線。

3.3 數據計算方法

對瞬時功率進行積分能夠得到能量，因此可以通過測量浮力擺式波浪能發電裝置模型的輸入端能量和輸出端能量之比，來計算該模型整體的發電效率。

由于實驗室條件所限，擺板模型體積較大，對波浪影響較大，故采用波浪功率估算公式計算擺板寬度上的入射波功率：

系統輸出液壓能量功率輸出公式：

波浪從擺板入射端到液壓缸輸出端的能量轉換效率：

式中：P'為單位寬度入射波功率；P為液壓缸輸出端的平均功率；B為擺板寬度；H1/3為波高；T為平均周期；pi為壓力瞬時值；qi為流量瞬時值；nΔt為采集時間，Δt為 4 ms。

3.4 數據處理與分析

為檢測該發電裝置在實驗室波況下的工作狀況和性能，需針對理論計算結果及大管島的實際波況為造波機設置波浪數據開展實驗。現場試驗照片如圖5。

根據實際情況擬制定試驗波況如表2。

在擺板波浪能發電系統裝置的模擬測試中，觀測量主要有波浪的波高、周期，液壓系統的流量和壓力等數據。波高和波周期信號的采集和處理由波流水槽數據采集系統完成。可直接輸出最終相關數據。

同步采集到的壓力和流量數據如圖6。

通過利用上述公式計算出波浪輸入能量、系統輸出能量及系統轉換效率。并繪制出效率轉換曲線如圖7。

通過實驗室測試得出的效率曲線圖及模型比尺可知，本裝置的最佳工作周期在4～5 s之間，且更接近于4 s，這點與站址海域波況相符合。

表2 試驗波況

4 結論

本文設計了一種浮力擺式波浪能發電裝置，并對裝置模型進行了試驗研究。在實驗室的模擬波況下，對該發電裝置

進行模型測試，驗證了二級轉換部分系統設計思路的可行性，并通過計算分析得出該裝置模型的能量轉換效率等重要參數指標。采用該參數設計的浮力擺式波浪能發電裝置，具有較好的能量轉換效率，且能夠在小波浪情況下收集并存儲能量，適合在本項目選定的站址海域投入使用。

[1]任建莉,鐘英杰,張雪梅.海洋波浪能發電的現狀與前景[J].浙江工業大學學報,2006,34(1)∶69-73.

[2]Trevor Whittaker.The development of Oyster-A shallow water surging wave energy converter[EB/OL].2007.http∶//www.aquamarinepower.com/sites/resources/Conferencepapers/2472/The development ofOyster-Ashallowwater surgingwave energyconverter.pdf

[3]夏增艷,張中華,王兵振.擺式波浪能轉換裝置固有圓頻率理論計算研究[J].海洋技術,2011,30(1)∶91-94.

[4]渡部富治，近藤俶郎，谷野賢二，等.關于在防波設施配備波浪能源吸收裝置的研究 (2)[C]//第29回海岸工學報告會論文集 (1982),1982∶486-490.

[5]姚領田.MFC窗口程序設計[M].北京：水利水電出版社,2007.

[6]左健民.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業出版社,1997.

Model Test of Buoyant Pendulum Wave-power Generation Device

WANG Meng1,LI Meng1,XIA Zeng-yan1,HU Zhen-e2,WANG Bing-zhen1
(1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;2.Ocean&Aquaculture Bureau of Jimo City,Qingdao Shandong 266200,China)

A type of buoyant pendulum wave-power generation device was designed and its model test in the laboratory was given according to its principle.The principles of the test,experimental design,data processing and results analysis were briefly introduced.Under wave simulation in the lab,the wave energy conversion efficiency curve was obtained.According to the results of such test,it has been proved that this wave power generation device has stable,high energy conversion efficiency and can be suitable for small wave power generation.

buoyant pendulum;wave energy;power generation device;model test

P743.2

A

1003-2029（2013）01-0079-04

2012-04-11

國家科技支撐計劃資助項目(2008BAA15B02)

王錳(1988-)，男，本科，研究方向為海洋能裝置檢測技術。