摇臂式波浪发电实验平台浮子的水动力分析

李德堂 张伟 蒋志勇 谢永和

摘 要：为进一步提高波浪能发电装置的捕获效率，本文创新设计了一种摇臂式波能发电装置。该装置的核心是依靠浮子的垂荡和纵荡捕获波浪能，将波浪能转换为浮子的机械能，由于能量的第一级转换对发电装置的能量转换效率有重要影响，而浮子的形状是影响浮子捕获波能效率的重要因素，因此，对波浪及浮子进行水动力理论分析，并建立了浮体的运动方程。设计了6种不同形状的浮子，采用SESAM软件系统的Patran-pre模型对6种常见的典型浮子形状建立水动力模型并进行仿真分析，研究不同形状下的受力特点，从而确定浮子的最佳形状，对该形状的浮子进一步分析，确定最佳吃水深度。

关键词：波浪能;浮子形状;SESAM仿真分析;能量捕获效率

中图分类号：TM612;P743.2文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）32-0134-04

Hydrodynamic Analysis of the Floating Platform for Rocker Arm

Wave Power Generation Experiment Platform

LI Detang1 ZHANG Wei2 JIANG Zhiyong1 XIE Yonghe3

（1. Marine Equipment and Technology Institute， Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003;2.College of Mechanical and Electrical Engineering， Shandong Architectural University，Jin，an Shandong 250101;3.Zhejiang Ocean University，Zhoushan Zhejiang 316022）

Abstract：In order to further improve the capture efficiency of wave power generation device， this paper innovatively designed a rocker-arm wave power generation device. The core of the device was to capture the wave energy by the sag and surge of the float and convert the wave energy into the mechanical energy of the float. Because the first stage of energy conversion had an important influence on the energy conversion efficiency of the power generation device， and the shape of the float was an important factor affecting the wave energy efficiency of the float. Therefore， the wave and the float were carried out. The hydrodynamic theory was analyzed and the motion equation of the floating body was established. Six kinds of floats with different shapes were designed. Patran-pre model of SESAM software system was used to establish hydrodynamic models for six typical float shapes and simulate them. The force characteristics under different shapes were studied to determine the optimum shape of the float. The float of this shape was further analyzed to determine the optimum draft depth.

Keywords：wave energy;float shape;SESAM simulation analysis;energy capture efficiency improvement

1 研究背景

從理论上来说，海洋中蕴含的能量足以满足全球的电力需求。其中，波浪能储量最大，发电量可达700亿kW，开发前景广阔。因此，在世界能源发展战略调整之际，立足我国国情，紧跟国际能源技术革命新趋势，通过海洋新能源技术创新示范应用，推动能源生产和利用方式的变革尤为必要。目前，石化能源的大量使用使二氧化碳排放过量，带来了“温室效应”，严重威胁人类社会的可持续发展[1，2]。建立以清洁、可再生能源为主的能源结构，逐渐取代以化石能源为主的能源架构，关系着人类的生存和未来[3，4]。

可再生能源储量丰富，具有可再生性且分布广泛的特点，便于实现小规模的分散利用[5，6]，是实现人类社会可持续发展目标的必要条件[7]。但是，可再生能源同时具有能量波动性大、开发利用成本较高的特点，在一定程度上制约其自身的快速发展[8]。

占地球表面约71%的海洋储藏着巨大的能源[9]，包括波浪能等大量的可再生资源。通过研发不同的装置实现海洋能源的开发和利用，有利于实现经济的可持续发展。

2 波浪及浮子形状水动力理论分析

2.1 线性随机波浪理论

线性随机波浪理论假定波浪是有多个波系叠加而相互不引起干扰，即在一般情况下，波浪视为由无限多个频率不等、方向不同、振幅变化而相互杂乱的微幅简谐波叠加而成的不规则波系，对于空间[x，y]处、时间t时的波面位移[ζ]为：

[ζx，y，z=i=1∞j=1∞aijcoskixcosθj+ysinθj-ωi+εij]（1）

各波浪的平均能量是与其振幅的平方成正比的，故这种谱密度称为能量谱。

2.2 P-M谱

Pierson和Moskowitz提出了一种新的能量谱形式，该谱的表达如式（2）所示：

[Sω=αg2ω-5exp-βgUω40≤ω<+∞]     （2）

式中，[α=0.008 1]和[β=0.74]为两个常数;U为平静海面上空19.5m处的风速。

2.3 浮体运动方程的建立

浮子在波浪上的运动是以刚体在无限介质中的运动为基础的，运用质心运动定理和绕质心的动量矩定理可得：

[dGdt=FdQdt=M]                                    （3）

式中，[G]为刚体运动的动量;[Q]为绕质心的动量矩;[F]和[M]分别为外力矢量和绕质心的外力矢量。

浮体在波浪上摇荡运动时，考虑与其摇荡运动相关的流体作用力时，若假设流场中压力p为已知，则作用于浮体的外力（[Fi]）和外力矩（[Mi]）分别为：

[Fi=Spnids                          i=1，2，3Mi=Spni+3ds   ]                   （4）

式中，[ni]为广义法线矢量的分量;S为物体的瞬时湿表面。船舶的运动方程可记为：

[mijx0j=sopnidS   i，j=1，2，…，6]               （5）

进一步处理式（5），引入表达式（6）和式（7）：

[x0j=x0，y0，Z0，α，β，γ]                      （6）

[mijx0j=sopnidS   i，j=1，2，…，6]                 （7）

得到到浮体的运动方程为：

[mij+μijx0j+λijx0j+Cijx0j=Fkwi+Fdwii、j=1，2，…，6]（8）

式中，[mij]为船体质量;[μij]附加质量;[λij]为阻尼系数;[Cij]为恢复力系数;[Fkwi]为佛汝德-克雷洛夫力;[Fdwi]为波浪绕射力。

3 不同形状浮子水动力分析

3.1 不同形状浮子

对目前几种常见的典型形状浮子的水动力性能进行分析，采用SESAM软件系统的Patran-pre模块建立水动力模型，网格尺寸大小基本相等。形状如图1所示。形状参数见表1。

3.2 相同排水体积下不同形状浮子水动力分析

波浪振幅为1m，计算波频为[ω]为0.1～5rad/s，海水密度[ρ]=1025kg/m3，分别计算6种形状浮子在相同排水体积下的水动力性能。计算工况见表2。

3.3 相同浸没深度下不同形状浮子水动力分析

同样波浪振幅为1m，计算波频为[ω]为0.1～5rad/s，海水密度[ρ]=1 025kg/m，重力加速度g=9.8N/kg，分别计算6种形状浮子在相同浸没深度下的水动力性能。计算得到6种形状浮子垂荡、纵荡运动、水平力、垂向力的响应传递函数见图2至图5。

从图2可知，结构④的垂荡运动幅值随波浪频率增加而缓慢减小;当波浪频率接近某一频率值时，结构①②⑤⑥垂荡运动幅值存在明显的突变，说明此时产生共振;6种结构的垂荡运动峰值大小关系为①>②>⑤>⑥>③>④;在波浪频率较小时（小于1.5rad/s），6种结构的垂荡运动幅值相差不大。

从图3可知，除结构③外，其余5种结构的纵荡运动幅值随波浪频率的增加出现突增和突减现象;在波浪频率较小时，6种结构的纵荡运动幅值相差不大;结构③的纵荡运动幅值随波浪频率增加而逐渐减小。

从图4可知，6种结构的水平力随波浪频率增加而先增加后减小;水平力响应峰值的大小关系为②>①>⑥>⑤>③>④。

从图5可知，6种结构的垂向力均随波浪频率的增加而减小;波浪频率较低时，6种结构的垂向力响应值大小关系为②>⑥>①>③>⑤>④;当波浪频率较高时，6种结构的垂向力响应值大小关系变为③>⑥>④>⑤>①>②。

4 结论

本文主要对波浪发电平台浮子水动力特性进行理论分析，并根据实验波况信息，利用仿真软件对浮子的形状及初始吃水深度进行分析，确定了浮子的最佳形状为下部水淹没部分为球面，上部为柱体，并确定了基本尺寸和浮子的吃水深度，为摇臂式波浪发电技术的发展提供了参考。

参考文献：

[1]程正顺.浮子式波浪能转换装置机理的频域及时域研究[D].上海：上海交通大学，2013.

[2]赖向军，戴林.石油与天然气：机遇与挑战[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3]陈韦，余顺年，詹立垒，钟启茂.波浪能发电技术研究现状与发展趋势[J].能源与境，2014（3）：83-84.

[4]肖惠民，于波，蔡維由.世界海洋波浪能发电技术的发展现状与前景[J].水电与新能源，2011（1）：67-69.

[5]白文亭.2017年中国新能源重点细分行业发展现状、新能源行业发展趋势及投资前景分析[J].电气时代，2017（2）：34-38.

[6]周家骢.新能源“十二五”发展规划与政策建议[J].中国工程咨询，2011（9）：46-48.

[7]王霞.全球大力发展可再生能源[J].生态经济，2008（7）：12-17.

[8]李盈.新再生能源发电的电气特性分析及其联合系统的优化设计[D].镇江：江苏科技大学，2010.

[9]李芳.直流微电网实验平台的监控系统设计与实现[D].南宁：广西大学，2016.