擺式波浪發電裝置一級轉化效率模型試驗研究

田育豐，黃 焱，史慶增

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

擺式波浪發電裝置一級轉化效率模型試驗研究

田育豐，黃 焱，史慶增

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

一級轉換裝置是一個波浪能發電裝置中的關鍵技術，而如何提高能量轉化效率，是一級轉換過程研究的重點問題。為確定一級轉換裝置的能量轉化效率與哪些因素有關，對擺式波浪能發電裝置的擺板機構進行了模型試驗研究，測試了擺板模型在多種波浪條件下的動力響應參數，確定了擺板的動力輸出特性及其控制因素;測試了在極限波浪作用下，擺板模型裝置的受力狀況。通過試驗，為擺式波浪能發電裝置的設計提供了必要的參考依據。

擺式波浪發電裝置;能量轉化效率;模型試驗

面對石化能源危機和環境問題的巨大挑戰，作為主要可再生能源之一的海洋能事業取得了很大發展。海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通過各種物理過程接收、儲存和散發能量，這些能量以潮汐、波浪、溫度差、鹽度梯度、海流等形式存在于海洋之中。其中，波浪能以其儲量大、能量高、污染少、可再生等優點，越來越受到重視［1-5］。

擺式波能發電裝置是利用擺板與波浪間的相互作用，擺板在波浪的作用下繞擺軸擺動，將波浪能轉化為擺軸的機械能，通過與擺軸相連接的液壓裝置帶動發電機發電。該裝置由水室擺板機構、機電轉換機構、發配電機構三部分組成。其中，水室擺板機構是一級轉換裝置，為了收集不穩定的波浪能，需要波浪能發電裝置通過兩級能量轉換將波浪能中的機械能轉化為我們可以方便使用的電能［6-8］。其中二級轉換裝置一般是普通的發電機，將機械能、液壓能等轉化為電能。而一級轉換裝置是一個波浪能發電裝置中的關鍵技術，通過一級轉換將不穩定的波浪能轉化為穩定的、可用來帶動發電機工作的機械能或液壓能。一級轉換裝置工作的穩定性和對波浪能的轉化效率決定了該波浪發電裝置的能量轉化效率、穩定性和經濟性。而確定一級轉換裝置的能量轉化效率與哪些因素有關，與影響因素間呈何種變化關系，如何提高能量轉化效率，就成為對一級轉換過程研究的重點問題。

針對上述問題，對擺式波浪能發電裝置的擺板機構進行模型試驗研究，測試擺板模型在多種波浪條件下的動力響應參數，確定擺板的動力輸出特性及其控制因素;測試在極限波浪作用下，擺板模型裝置的受力狀況。通過試驗，為擺式波浪能發電裝置的設計提供必要的參考依據，為數值模擬分析提供驗證數據。

1 模型試驗

1.1 試驗設施

試驗在波浪水槽中進行。水槽長80 m，寬2 m，高2 m，兩端分別設置造波系統和消波系統，如圖1所示。

圖1 波浪試驗水槽Fig.1 The wave test channel

造波系統主要由機械裝置、驅動裝置和控制系統組成。機械裝置主要包括推波板及其支撐和附屬構件，波浪的產生是靠推波板往復運動來實現的，波高取決于推波板的行程和速度，波長則取決于往復運動的頻率。驅動裝置由交流伺服電機、滾珠絲杠和直線運動單元組成。控制系統對造波機運動的控制通過對伺服電機進行控制實現，通過工控機，根據設置的波浪參數計算造波機的時間序列控制信號，經D/A卡轉換成模擬電壓信號輸出給伺服驅動器，控制伺服電機的轉速和轉向，實現造波機的運動調節數字化。造波控制過程中，其它輔助控制電路的反饋信號經控制采集卡輸入到主控機中，以實現對造波機的智能化控制。

消波系統由兩部分組成，即網格消波裝置和斜坡式消波墻。網格消波裝置布置在測試區域后20 m處，沿水槽高度方向布置兩層間隔0.5 m、與水槽寬度相同的塑料網格。斜坡式消波墻設置在水槽的末端，這樣造波系統生成的波浪，經過網格消波裝置的二次消波與斜坡式消波墻的一次消波作用后，可達到忽略波浪反射對試驗影響的效果。

1.2 相似準則

本文所進行的試驗是一種流體模型試驗，確切地說是一種液流模型試驗，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。試驗主要研究波浪對裝置的作用，這種情況下，重力和慣性力是決定其受力的主要因素。因此模型試驗中應滿足弗勞德相似定律，即模型和原型的弗勞德數(Fr)相等，以保證模型和原型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，模型和原型還必須保持斯特勞哈爾數(Sr)相似。由此可建立本次試驗的相似體系，模型和原型中對應物理量的比尺如表1所示。

1.3 試驗模型

試驗模擬原型為靠岸式波浪發電裝置，裝置由水室、擺板、擺板軸等部分組成。擺板軸的軸承座固定在水室的側墻上，擺板可以繞擺軸轉動。在波浪的作用下，擺板繞擺軸前后擺動，從而將波浪能轉化為擺軸轉動的機械能。擺軸的機械能通過液壓系統，帶動發電機發電。

表1 主要物理量相似比尺Tab.1 The main scaled physical factors

試驗中，考慮造波水槽中可能出現的邊界效應以及實際的造波能力，將物理模型的幾何比尺確定為1∶10。水室模型結構由側墻、后墻、底板和聚波喇叭口組成(見圖2)，材料為紅松，并經浸油防水處理。其中，為觀測聚波裝置對波浪能轉化效率的影響，聚波喇叭口設計為可組合構件，這樣試驗中，依次對安裝和不安裝聚波喇叭口裝置的模型結構進行了測試，分別命名為模型1試驗和模型2試驗。

擺板模型的尺寸在圖3中給出。擺板模型由鋁板及松木組合而成，擺板擺臂的上端固定于擺軸上，擺軸模型系鋁質，通過滾動軸承安裝在水室側墻的支墩上。擺板結構總質量為4.67 kg，為考察擺板質量分布變化對波浪能轉化效率的影響，試驗中進行了兩種縱向重心位置的擺板測試，分別命名為擺板1試驗和擺板2試驗。擺板1試驗重心位置:z1=360 mm;擺板2試驗重心位置:z2=230 mm。擺板縱向重心位置的改變靠調整擺板上配重滑塊的位置實現。

圖2 水室模型結構圖(單位:mm)Fig.2 Sketch of the water room(mm)

圖3 擺板模型結構圖(單位:mm)Fig.3 Sketch of the pendulum model(mm)

擺式波力發電裝置中，發電裝置施加給擺軸的阻力稱為負荷阻尼。為研究負荷阻尼對能量轉換效率的影響，須人為地改變負荷阻尼的量值，為此，需要有施加并改變負荷阻尼的裝置。

試驗中，擺軸的一端與扭矩傳感器通過螺栓緊密連接(扭矩傳感器質量已計入擺板模型質量)，扭矩傳感器另一端再以螺栓緊密連接鋁環，使得鋁環的周長較擺軸增大，在鋁環外側以環狀皮質摩擦片包裹，該摩擦片以支架固定于水槽底面上。環狀摩擦片一端固定，另一端連接細鋼絲，鋼絲通過滑輪伸出水槽外可懸掛重物。當懸掛重物進行加載時，摩擦片抱緊，擺軸轉動阻尼增大，重物質量增加時阻尼也隨之增大。當無重物加載時，摩擦片松開，擺軸轉動阻尼可忽略不計。采用改變加載重物質量來調節負荷阻尼的方法可以使阻尼近似線性變化，方便在試驗中調節負荷阻尼的大小，從而研究負荷阻尼對能量轉換效率的影響。試驗模型設置在距造波板40倍試驗最大波長的位置，而試驗中的有效試驗波數為30個，從而可避免裝置和造波板之間造成的多次反射對試驗結果的影響。

1.4 測試系統

試驗中共布置了17個傳感器，其中包括:1個扭矩傳感器、1個轉角傳感器、10個波壓力傳感器、2個測力傳感器和3個波高儀。扭矩傳感器的一端與擺板擺軸相連，另一端受負荷阻尼施加系統的控制，這樣扭矩傳感器將在與擺軸一起轉動的過程記錄擺板的轉矩輸出。擺板的擺角由轉角傳感器測量，轉角傳感器主要由旋轉電位器構成，與擺軸的另一端緊密連接，隨擺軸一起轉動。為量測擺板在擺動中的受力大小，在擺板模型上安裝了十個壓力傳感器。其中，五個安裝在擺板的迎浪面，另五個安裝在擺板的背浪面。迎浪面和背浪面的壓力傳感器布置見圖3。兩側的軸承座通過測力傳感器與水室模型連接，該測力傳感器可同時紀錄水平向和垂向受力情況。在波浪傳播方向上沿程布置3個波高儀，其中兩個在靠近擺板前方布置，用來測量波浪在傳播過程中的波高變化。

1.5 試驗條件

試驗條件包括規則波和不規則波兩項測試，由于篇幅所限，本文僅對規則波試驗結果進行分析和討論。試驗中的波浪條件共包括:7種水深、8種波高和9種波周期，具體試驗參數見表2。

表2 試驗參數Tab.2 Test parameters

2 試驗結果

試驗中，擺板模型的動力輸出特性是重點測試內容。擺板模型的動力輸出特性包括:擺軸輸出轉矩隨擺角變化情況、擺軸單周期內輸出能量隨擺角變化情況、各波浪條件下擺板波浪能的最大轉化效率及對應轉角。其中，擺板的能量轉換效率指擺板輸出的機械能與擺板寬度上的波浪能量之比。擺板輸出的機械能由擺軸上的扭矩應變計和擺角電位器量測，擺板寬度上的波浪能量由計算求出。

擺板輸出的機械能:擺軸上扭矩應變計測到的扭矩設為M(t)，擺角電位器測到的擺板擺角設為α(t)，取擺板豎直擺放時的擺角為零度，順波向擺動時的擺角為正，逆波向擺動時的擺角為負，則一個波周期T內擺板輸出的能量W為［9-10］:

一個波周期T內擺板寬度上入射波的能量為:

式中:ρ為水的密度;g為重力加速度;H為波高;B為擺板寬度;Cg為波群速度，由下式給出:

其中:ω為波浪圓頻率;d為水深;K為波數，與波浪圓頻率ω以及水深d滿足色散關系:

這樣，擺板的能量轉換效率η可描述為:

由上述關系可得到不同工況(即不同水深、不同波高、不同波周期、不同負載)下，擺板的能量轉換效率。

波浪試驗開始前，首先采用靜位移釋放法，對擺板在空氣中、零負載情況下的自由振動情況進行了測試，通過對其自振衰減曲線的分析得到了兩種擺板的自振周期:擺板1為1.34 s;擺板2為1.12 s。這樣，在波高70 mm、波周期1.26 s試驗組次中，出現了擺板自身的動力特性與波浪周期相匹配的情況。以該波浪條件下模型1-擺板1試驗中的紀錄為例，對擺板模型的動力輸出特性進行描述。

以該組試驗中擺板擺動平均幅值為±6.75°時的試驗為例，圖4顯示了擺角的時程，圖5為轉矩時程。由兩條時程曲線可以清楚地看到，擺角與轉矩在經歷了初期大約10 s的小幅值波動瞬態響應段后，進入了穩定的較大幅值響應水平。

圖4 模型1-擺板1試驗轉角時程Fig.4 The time history of swaying degree for model-I＆pendulum-I in one test

圖5 模型1-擺板1試驗轉矩時程Fig.5 The time history of torque for model-I＆pendulum-I in one test

觀察圖4還可以看到，擺板的動力響應是一個由初始平衡位置向動力平衡位置過渡的過程。試驗中，將擺板順波浪作用方向擺動角度設為正值，逆波浪作用方向擺動角度設為負值，由此可見，在擺板進入穩態響應段后，擺板新的平衡位置出現在順應波浪作用方向，即向后傾斜大約18°的位置上。擺板動力平衡位置的偏移，主要是由于擺板在行進波中沿波行進方向和逆波行進方向所受到的水動力阻尼具有顯著的差別。

如前所述，為準確把握擺板的動力輸出特性，試驗中通過調整外加阻尼的方式實現了對擺板擺動幅值的控制，圖6給出了擺軸輸出轉矩隨擺角變化情況。可以看出，擺軸輸出轉矩隨擺角的下降呈線性增長的趨勢。將每種擺角情況下一個波周期T內擺板輸出的能量W進行計算后，可得到W隨擺角的變化趨勢，如圖7所示。

圖6 模型1-擺板1試驗轉矩隨擺角分布情況Fig.6 Plotted results of torque against swaying degree for model-I＆pendulum-I tests

圖7 模型1-擺板1試驗輸出能量W隨擺角分布情況Fig.7 Plotted results of output energy W against swaying degree for model-I＆pendulum-I tests

由圖7可以看出，一個波周期T內擺板輸出的能量W隨擺角呈二次曲線分布，圖中的二次擬合曲線的方程可表述為:

式中:α為擺板擺動角度。對α進行求導，可推算得到該波況下擺板輸出的最大能量值及其所對應的擺角幅值，分別為7.89J和 ±5.46°。

3 分析與討論

3.1 聚波裝置影響

喇叭口形狀的結構形式之所以被認為具有聚波功能，主要是由于這種結構型式使得進入水室的水量增加，從而達到雍高水位加大波浪作用的目的。但聚波喇叭口的存在，同時對波浪形成了干擾，造成波浪在到達水室前首先受到較大的擾動，從而導致波形發生破壞。這樣一來，就很難直接評價喇叭口是否具備積極的聚波功效。試驗中發現，不同的擺板型式對喇叭口的影響具有不同的響應水平。

不同模型和擺板在水深345 mm下，試驗的各波況最佳波浪能轉化效率在圖8中給出。可以看到，除波高125 mm的試驗以外，模型1擺板1的波浪能轉化效率在各波況下均為最高，當撤除聚波喇叭口結構后，即模型2擺板1，其波浪能轉化效率大幅度降低，成為四種結構型式中轉化效率最低的情況。由此可見，低重心的擺板對喇叭口的聚波功效最為敏感。同時，對于高重心擺板，即擺板2來說，波浪的規則作用對其轉化效率的影響占主導地位，表現為擺板2在無喇叭口情況下的轉化效率高于有喇叭口時的情況。這表明，喇叭口的聚波功效對于高重心擺板的影響是消極的。

同時還可以看到，盡管低重心的擺板在有喇叭口時的轉化效率最高，對喇叭口的聚波功效也最為敏感，但喇叭口對波浪形成干擾所帶來的影響也是很明顯的。由圖8可以看到，除模型1擺板1外，其他三種結構型式的最大波浪能轉化效率分布具有較為一致的規律性，而在模型1擺板1情況下，這種規律性被打亂，尤其是在波高較小的情況下。

以波高175 mm的試驗為例，圖9給出了四種結構型式下的輸出能量W隨擺角變化的擬合曲線比較，從而可以更直觀地反映上面的論述。

不同模型和擺板試驗中結構的最大受力情況在表2中進行了匯總，結構受力包括擺板最大受力、擺軸最大水平力以及擺軸最大垂直力。可以看出，聚波喇叭口對結構受力狀況的影響與對波浪能轉化效率的影響是一致的，即模型1擺板1受力最大，而模型1擺板2的受力最小，其它兩種結構型式的受力水平居于中間。

圖8 水深345 mm各波況最佳波浪能轉化效率分布情況Fig.8 Plotted results of the best energy converting efficiency against wave height in 345 mm water depth tests

圖9 波高175 mm試驗各模型W隨擺角變化的擬合曲線比較Fig.9 Plotted results of W against swaying degree in 175 mm water depth tests

3.2 水深影響

試驗中共考慮三種潮差，即100、200和250 mm，這樣加上平均水位試驗，共進行了7個水位的試驗。每種水位均進行至少3種波況的測試，水室模型為模型1，擺板模型為擺板1和擺板2。圖10和圖11分別給出了兩種擺板在不同水深情況下的最佳能量轉換效率分布。

可以看到，對于擺板1，即低重心擺板來說，在波浪條件一致的情況下，水位越高，擺板的波浪能轉化效率越高。導致這種變化規律的原因是顯而易見的，水位越高，擺板在水中體積越大，從而受到的波浪作用越大，進而吸收并轉化為機械能的波浪能比例也越大。同時值得注意的是，當波高為300 mm時，即便在最低水位345 mm時，波浪作用范圍也覆蓋了整個擺板，因此，擺板對波浪能的轉化效率并不隨水位有明顯變化。

圖10 擺板1各水深情況下的最佳能量轉換效率分布Fig.10 Plotted results of the best energy converting efficiency against water depth for pendulum-I tests

圖11 擺板2各水深情況下的最佳能量轉換效率分布Fig.11 Plotted results of the best energy converting efficiency against water depth for pendulum-II tests

對于擺板2，即高重心擺板來說，在波浪條件一致的情況下，擺板1所體現出來的水位越高，擺板的波浪能轉化效率越高的規律性不再出現，取而代之的是一種更為復雜的變化過程。這種變化過程體現為，對不同波浪條件來說，水位變化的影響具備不同的規律性。例如，當波高為100 mm時，規律體現為中間水位轉化效率高，而高水位和低水位情況下轉化效率均較低的變化趨勢;而當波高為200 mm時，則出現了與擺板1截然相反的規律，即水位越高—擺板的波浪能轉化效率越低的規律性。

由此可見，擺板2，即高重心擺板，對波浪的響應水平，也可描述為其運動情況受波浪的控制水平，明顯低于擺板1，即低重心擺板。這是這樣的特征，才導致擺板2動力特征的規律性表現為較為雜亂的特征。同樣，當波高為300 mm時，即便在最低水位345 mm時，波浪作用范圍也覆蓋了整個擺板，因此，擺板對波浪能的轉化效率并不隨水位有明顯變化。

圖12 試驗中的越浪現象Fig.12 The wave springing phenomenon in one test

3.3 波高與波周期影響

觀察圖8，還可以看到試驗中最佳能量轉換效率隨波高的變化趨勢。可以看出，在大部分試驗中，盡管擺板的輸出轉矩和輸出能量隨波高成線性增長態勢，但由于波浪能量密度隨波高成二次增大的關系，擺板能量轉換效率隨波高的增大呈現下降的變化趨勢。值得注意的是，當波高條件升至200 mm以上時，所有試驗組次中均出現了越浪現象。這里所謂的越浪現象是指波浪作用經擺板傳遞后，水室內的水體躍出水室后墻。在部分試驗中，水室內水體的飛濺高度甚至達到2 m以上，如圖12所示。這種現象造成了大波高下擺板的能量轉換效率出現突降。

試驗中，針對波周期1.58 s情況下考慮了三種波高作用，即70、100和150 mm，水室模型為模型1，擺板模型為擺板1和擺板2。圖13給出了兩種擺板在同周期、不同波高情況下的最佳能量轉換效率分布。從兩幅圖中同樣可以看到，擺板能量轉換效率隨波高的增大呈現下降的變化趨勢。

試驗中，還針對波高100 mm情況下考慮了三種周期作用，即1、1.58和1.83 s，水室模型為模型1，擺板模型為擺板1和擺板2。圖14給出了兩種擺板在同周期、不同波高情況下的最佳能量轉換效率分布。從兩幅圖中可以看到，兩種擺板能量轉換效率隨波周期的變化趨勢截然相反。由此可見，擺板2，即高重心擺板對短周期波更為敏感，而擺板1，即低重心擺板對長周期波更為敏感。

圖13 同周期、不同波高情況下的最佳能量轉換效率分布Fig.13 The best energy converting efficiency against wave height in constant wave period tests

圖14 同波高、不同周期情況下的最佳能量轉換效率分布Fig.14 The best energy converting efficiency against wave period in constant wave height tests

4 結語

通過模型試驗研究，可以看到，擺式波浪發電裝置的一級轉化效率受多種因素的影響控制。同時，通過前面進行的一系列分析還可以看到，擺板結構重心的不同會直接導致動力輸出特性的變化，現將這兩種擺板所體現出來的不同性質總結如下。

1)在大部分試驗中，擺板1的波浪能轉化效率均高于擺板2，由此可見，低重心擺板對波浪能的轉化更有效;

2)模型1擺板1的波浪能轉化效率在各波況下均為最高，當撤除聚波喇叭口結構后，即模型2擺板1，其波浪能轉化效率大幅度降低，成為四種結構型式中轉化效率最低的情況。由此可見，低重心的擺板對喇叭口的聚波功效最為敏感。同時，對于高重心擺板，即擺板2來說，波浪的規則作用對其轉化效率的影響占主導地位，表現為擺板2在無喇叭口情況下的轉化效率高于有喇叭口時的情況。這表明，喇叭口的聚波功效對于高重心擺板影響是消極的;

3)對于擺板1，即低重心擺板來說，在波浪條件一致的情況下，水位越高，擺板的波浪能轉化效率越高。擺板2，即高重心擺板，對波浪的響應水平也可描述為其運動情況受波浪的控制水平，明顯低于擺板1。

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Model test study of the primary energy converting efficiency of pendulum wave power device

TIAN Yu-feng，HUANG Yan，SHI Qing-zeng
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The primary energy converting equipments are the key technology in the wave power device.At the same time，the ways to enhance the energy converting efficiency are the core problems in the study of primary energy converting process.To identify the factors that control the energy converting efficiency of primary energy converting equipments，a model test study of the pendulum wave power device was performed.In these tests，the dynamic response of the pendulum model was measured.As a result，the dynamic output characteristics of the pendulum model and the key factors were revealed.At the same time，the loading status of the pendulum model in different wave conditions was also measured.The test results provide necessary references for the design of pendulum wave power devices.

pendulum wave power device;energy converting efficiency;model test

TK79

A

1005-9865(2012)03-0177-08

2011-10-10

國家自然科學基金創新研究群體科學基金資助項目(51021004)

田育豐(1986-)，男，黑龍江人，博士生，主要從事海洋工程專業研究。E-mail:2519200@163.com

黃 焱。E-mail:hjacyky@tju.edu.cn