浮力摆式波浪能发电装置模型试验

王 锰 ，李 蒙 ，夏增艳，胡振峨 ，王兵振

浮力摆式波浪能发电装置模型试验

王 锰1，李 蒙1，夏增艳1，胡振峨2，王兵振1

(1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.山东省即墨市海洋与渔业局，山东 青岛 266200)

设计了一种浮力摆式波浪能发电装置，并根据其原理在实验室中开展比例模型试验。介绍了该装置的设计原理、试验原理，试验设计以及数据处理与结果分析，并在实验室模拟波况下，绘制出了波浪能装置的转换效率曲线。试验显示，该波浪能发电装置具有性能稳定，能量转换效率较高，能适应小波浪发电等特点。

浮力摆式；波浪能；发电装置；模型试验

在能源消费量持续攀升和传统能源日趋短缺的环境下，新能源开发已经成为大势所趋。波浪能作为其中的一个研究热点，在经过多年的技术积累后现已逐步接近实用化水平[1]。在多种形式的波浪能发电装置中，浮力摆式波浪能发电技术是新近发展起来的一项技术，同时也是研究的重点。目前，英国贝尔法斯特女王大学研制的Oyster波浪俘获装置已成功下水示范运行[2]。本文设计了一种浮力摆式波浪能俘获装置，通过开展1：5比例模型试验，对系统的可行性及装置的转换效率等问题进行了研究。

1 发电装置工作原理

1.1 系统工作原理

摆式波浪能发电系统模拟装置主要由波浪能俘获部分、液压转换部分及水轮机发电部分组成。其中摆板、液压缸、摆板底座、重力式基础位于水下。摆板的摆动轴线置于摆板的底部，液压缸与摆板、底座间均通过铰链连接。在波浪作用下，摆板绕转轴往复摆动，从而带动液压缸活塞实现往复直线运动。当液压缸做活塞运动时，将从液压缸中排出带有一定压力的水。通过管路将水输送到实验台上，带动水轮机发电。系统方案如图1所示。

1.2 摆式波浪能装置动力特性分析

摆式波浪能发电装置在波浪作用下的动力响应过程可以近似简化为一个二阶振动系统[3-4]，摆板的运动方程如以下方程式：

由稳态输出计算公式可以明显看出，当摆板在水中的固有圆频率和波浪的圆频率相等时，即可获得较大的摆动角度，从而得到能量转化效率的极限值。

不难看出，波浪周期是影响摆板转换效率的关键因素。设计工作重点围绕使摆板适应当地的波周期来开展。

2 装置设计

2.1 站址海域波浪周期特性

根据之前项目对站址海域进行的波浪、潮汐调查与分析等工作，得到的站址海域设计波要素和潮汐变化情况如图2所示。

根据图2分析可知全年平均周期约为3.22 s，但在波浪资源较好的夏季则平均周期约为4.0 s。因此拟研建的浮力摆式波浪能发电装置的最佳工作波况对应的平均周期应在1.9～4.0 s之间，且尽量靠近4.0 s。

2.2 装置尺寸

在数值分析的基础上，初步设计了摆板结构。摆板装置由5个空心钢管和筋板组成，摆板空心钢管外径为Φ920 mm，壁厚8 mm，宽度6 900 mm。总重约为11.74 t，摆板全部没入水中时浮力约为23 t。摆板结构如图3。

3 试验验证

3.1 模型比尺的确定

根据实型机的尺寸设计一种流体模型实验，确切地说是一种液流模型实验，它要求原型液流和模型液流在力学上相似。力学上相似的两液流应当满足几何相似、运动相似、动力相似和边界条件相似的要求。

实体和模型满足几何相似的条件是两者的所有各项相应的线性尺度之比为常数。

式中：λ为缩尺比。

实体和模型相应的体积Δs，Δm之比为：

实验主要是研究装置在波浪作用下的输出功率以及效率，这种情况下，重力和惯性力是决定其受力的的主要因素。因此模型实验中应满足弗劳德相似定律，即模型和实体的弗劳德数(Fr)相等，以保证模型和实体之间重力和惯性力正确的相似关系。此外，物体在波浪上的运动和受力带有周期变化的性质，模型和实体还必须保持斯特劳哈尔数(Sr)相似。

实验模型的尺度、材质的选择与实验目的密切相关。根据本实验的目的，对模型的主要控制要素是模型的大小、水槽的相关尺度、水槽所能模拟波浪的能力。由此确定本实验的模型比尺为1：5。由于加工等限制，难以完全实现几何相似。因此，对主体尺寸方面作了细微变化，装置基本满足几何相似原理。模型摆板绕其回转轴转动，在尺寸方面完全与设计方案成比例，因此满足运动相似准则。

表1 摆板主体原型和模型参数表

3.2 数据采集和处理系统

输出功率数据采集系统对模型实验的关键数据进行采集，通过实时显示、实时曲线监视及即时储存的方式将压力、流量相关数据进行记录，为后续的分析及处理提供数据支持。数据采集系统由三部分组成（如图4所示）：测量采集传感器、信号调理模块、数据采集板卡及上位PC机。

测量采集传感器主要用来对液压系统的流量和压力以及水流冲击水轮机过程中所产生电能的电压电流信号进行测量。

压力传感器选用TBP-3扩散硅压力传感器，精度范围0.5级；流量计选用LWGY-D40涡轮流量传感器，精度范围0.2级。输出均为标准电信号，为确保信号的可靠传输，在传感器后端加入信号调理模块进行信源分离。

数据采集卡选用USB数据采集板卡。输入量程为-5～+5 V，转换精度为 12 bit；采样速率为 31Hz～250 kHz；物理通道数为32单端通道。该板卡的AD转换参数指标可以充分满足本实验的需求。通过该板卡，将多路采集信号同时存储至上位PC机中。通过对数值进行筛选分析计算绘制系统的发电效率曲线。

3.3 数据计算方法

对瞬时功率进行积分能够得到能量，因此可以通过测量浮力摆式波浪能发电装置模型的输入端能量和输出端能量之比，来计算该模型整体的发电效率。

由于实验室条件所限，摆板模型体积较大，对波浪影响较大，故采用波浪功率估算公式计算摆板宽度上的入射波功率：

系统输出液压能量功率输出公式：

波浪从摆板入射端到液压缸输出端的能量转换效率：

式中：P'为单位宽度入射波功率；P为液压缸输出端的平均功率；B为摆板宽度；H1/3为波高；T为平均周期；pi为压力瞬时值；qi为流量瞬时值；nΔt为采集时间，Δt为 4 ms。

3.4 数据处理与分析

为检测该发电装置在实验室波况下的工作状况和性能，需针对理论计算结果及大管岛的实际波况为造波机设置波浪数据开展实验。现场试验照片如图5。

根据实际情况拟制定试验波况如表2。

在摆板波浪能发电系统装置的模拟测试中，观测量主要有波浪的波高、周期，液压系统的流量和压力等数据。波高和波周期信号的采集和处理由波流水槽数据采集系统完成。可直接输出最终相关数据。

同步采集到的压力和流量数据如图6。

通过利用上述公式计算出波浪输入能量、系统输出能量及系统转换效率。并绘制出效率转换曲线如图7。

通过实验室测试得出的效率曲线图及模型比尺可知，本装置的最佳工作周期在4～5 s之间，且更接近于4 s，这点与站址海域波况相符合。

表2 试验波况

4 结论

本文设计了一种浮力摆式波浪能发电装置，并对装置模型进行了试验研究。在实验室的模拟波况下，对该发电装置

进行模型测试，验证了二级转换部分系统设计思路的可行性，并通过计算分析得出该装置模型的能量转换效率等重要参数指标。采用该参数设计的浮力摆式波浪能发电装置，具有较好的能量转换效率，且能够在小波浪情况下收集并存储能量，适合在本项目选定的站址海域投入使用。

[1]任建莉,钟英杰,张雪梅.海洋波浪能发电的现状与前景[J].浙江工业大学学报,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]夏增艳,张中华,王兵振.摆式波浪能转换装置固有圆频率理论计算研究[J].海洋技术,2011,30(1)∶91-94.

[4]渡部富治，近藤俶郎，谷野贤二，等.关于在防波设施配备波浪能源吸收装置的研究 (2)[C]//第29回海岸工学报告会论文集 (1982),1982∶486-490.

[5]姚领田.MFC窗口程序设计[M].北京：水利水电出版社,2007.

[6]左健民.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社,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

国家科技支撑计划资助项目(2008BAA15B02)

王锰(1988-)，男，本科，研究方向为海洋能装置检测技术。