波浪能點(diǎn)吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值優(yōu)化

孫崇飛 羅自榮 朱一鳴 盧鐘岳 吳國(guó)恒 尚建忠

(1.國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410073； 2.曼徹斯特大學(xué)機(jī)械、航天與土木工程學(xué)院， 曼徹斯特 M17JR)

0 引言

海洋中蘊(yùn)含豐富的礦物資源、漁業(yè)資源和可再生能源等海洋資源[1-3]。由于海洋資源開(kāi)發(fā)的需求，水面航行器、海洋機(jī)器人、海洋浮標(biāo)等先進(jìn)無(wú)人海洋探測(cè)器大量出現(xiàn)并投入應(yīng)用[4-5]。這些探測(cè)器大多采用電池或電纜方式供電[6]。電池供電限制了單次最大工作時(shí)間[7]，而電纜供電限制了工作范圍和機(jī)動(dòng)性[8]。缺乏高效供電方式是制約各類無(wú)人海洋探測(cè)器商用化的技術(shù)瓶頸之一，解決其供電問(wèn)題具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

無(wú)人海洋探測(cè)器大多遠(yuǎn)離海岸且長(zhǎng)期無(wú)人維護(hù)，利用環(huán)境能源可從根本上解決供電問(wèn)題。波浪能作為一種分布廣泛且能流密度很大的可再生能源[9]，是無(wú)人海洋探測(cè)器供電的理想能源。近20年，波浪能技術(shù)逐步走向成熟，部分技術(shù)成果實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用[10-11]。當(dāng)前波浪能發(fā)電技術(shù)研究主要集中在大型裝置上，其主要部署在海岸或近海。英國(guó)Aquamarine電力公司的OYSTER擺式發(fā)電裝置的波浪能陣列可以為12 000戶家庭提供生活用電[12]。澳大利亞Oceanlinx公司的MK3振蕩水柱式波浪能裝置實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電，其產(chǎn)生的電能被送往當(dāng)?shù)氐腎ntergal Energy電力公司[13]。

無(wú)人海洋探測(cè)器的電能需求較小，且大多工作在遠(yuǎn)海[14]，很難直接采用現(xiàn)有波浪能技術(shù)。此外波浪能發(fā)電裝置需作為供電模塊集成到探測(cè)器中，對(duì)尺寸有限制。在諸多類型的波浪能發(fā)電裝置中，點(diǎn)吸收器的尺寸相對(duì)于入射波波長(zhǎng)最小[15-16]。點(diǎn)吸收器研究的典型產(chǎn)品有美國(guó)Ocean Power Technologies公司的PowerBuoy系列和英國(guó)Finavera Renewables公司的AquaBuOY系列。其中PowerBuoy PB3的浮體響應(yīng)波浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)于阻尼板的線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)內(nèi)置機(jī)械系統(tǒng)把線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為發(fā)電所需的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[17]；AquaBuOY 2.0則使用二沖程軟管泵對(duì)海水進(jìn)行加壓，利用加壓海水沖擊渦輪機(jī)發(fā)電[18]。上述兩種點(diǎn)吸收器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜且尺寸巨大。如PowerBuoy PB3的浮標(biāo)尺寸為2.7 m，整體高度為14.3 m[19]。所以上述點(diǎn)吸收器的工作原理和裝置尺寸使其不便于作為供電模塊集成到小功率海洋探測(cè)器，需進(jìn)一步簡(jiǎn)化和優(yōu)化。

結(jié)合當(dāng)前小功率海洋探測(cè)器普遍缺乏高效供電方式的現(xiàn)狀和點(diǎn)吸收器在裝置小型化上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，本文提出一種基于反轉(zhuǎn)自適應(yīng)機(jī)理的波浪能點(diǎn)吸收器。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

海浪是一種表面波，其振幅隨水深的增加急劇衰減[19]。在一定深度下的海水是相對(duì)平靜的，這為點(diǎn)吸收器提供了一種相對(duì)參考體。據(jù)此設(shè)計(jì)了一種可作為海洋探測(cè)器供電模塊的新型波浪能點(diǎn)吸收器，如圖1所示。當(dāng)無(wú)人海洋探測(cè)器(比如水面航行器)漂浮于海面時(shí)，可以釋放其供電模塊(即波浪能點(diǎn)吸收器)到水面以下。點(diǎn)吸收器中的雙層吸收器通過(guò)沖擊靜水產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電為水面航行器供電或蓄能。

圖1 點(diǎn)吸收器的概念圖Fig.1 Conceptual map of point absorber1.無(wú)人海洋探測(cè)器 2.系繩 3.供電模塊

如圖2所示，該點(diǎn)吸收器主要包括水面浮體和水下能量攝取(Power take-off，PTO)系統(tǒng)兩部分，并通過(guò)系繩連接。由于點(diǎn)吸收器被集成到無(wú)人海洋探測(cè)器中，其水面浮體由探測(cè)器充當(dāng)。水下PTO主要包括上下層吸收器、傳動(dòng)軸和內(nèi)置減速器的小型發(fā)電機(jī)等。吸收器是PTO的核心，主要由內(nèi)環(huán)、葉片和外環(huán)組成。內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間由徑向布置的8根支撐軸連接。8片具有限位裝置的扇形葉片被安裝在相應(yīng)的支撐軸上，采用中心對(duì)稱的圓周陣列布置。

圖2 點(diǎn)吸收器的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of point absorber1.水面浮體 2.系繩 3.水下PTO 4.小型發(fā)電機(jī) 5.上層吸收器 6.傳動(dòng)軸 7.下層吸收器 8.限位裝置 9.支撐軸 10.葉片 11.外環(huán) 12.內(nèi)環(huán)

新型點(diǎn)吸收器基于反轉(zhuǎn)自適應(yīng)機(jī)理，工作原理如圖3所示。①當(dāng)水面浮體上升時(shí)，水下PTO受到系繩拖拽而上升，如圖3a所示。上層吸收器葉片的上表面受水流沖擊，自適應(yīng)性下擺。葉片受限位裝置限制在達(dá)到最大傾角后，停止下擺并呈傾斜狀態(tài)。水流繼續(xù)沖擊傾斜的葉片，產(chǎn)生推力向前推動(dòng)葉片。由于葉片是圓周陣列布置，上層吸收器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同理，下層吸收器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。②當(dāng)水面浮體處于波峰或波谷時(shí)，葉片處于偏轉(zhuǎn)過(guò)程而無(wú)法提供推力，如圖3b所示。吸收器由于慣性會(huì)保持一定轉(zhuǎn)速。③當(dāng)水面浮體下沉?xí)r，水下PTO受重力作用而下沉，如圖3c所示。上層吸收器葉片的下表面受水流沖擊，自適應(yīng)性上擺，達(dá)到最大傾角后呈傾斜狀態(tài)。水流繼續(xù)沖擊葉片，產(chǎn)生推力向前推動(dòng)葉片。葉片的水平受力方向不變，上層吸收器保持逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同理，下層吸收器保持順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖3 波浪能點(diǎn)吸收器的工作原理Fig.3 Working principle diagrams of wave energy point absorber

由點(diǎn)吸收器的工作原理可得：吸收器葉片可根據(jù)水流沖擊方向自適應(yīng)地調(diào)整葉片偏轉(zhuǎn)方向，并保持單層吸收器的單向旋轉(zhuǎn)。葉片布置方向相反的雙層吸收器自動(dòng)平衡PTO的整體轉(zhuǎn)矩，并為發(fā)電機(jī)發(fā)電提供反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2 能量轉(zhuǎn)換過(guò)程及性能評(píng)估理論

結(jié)合新型點(diǎn)吸收器的工作原理和性能特性的分析，分析其能量轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖4所示。點(diǎn)吸收器通過(guò)水面浮體把波浪運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械能，再通過(guò)雙層吸收器將其轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械能，最終驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。當(dāng)前關(guān)于水面浮體的研究較多[20]，在此不多做分析。PTO系統(tǒng)作為核心部件，主要由雙層吸收器和小型發(fā)電機(jī)組成。

圖4 能量轉(zhuǎn)換過(guò)程Fig.4 Energy conversion process

點(diǎn)吸收器的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程分別涉及到浮體捕獲效率ηcap、吸收器水力效率ηhyd和發(fā)電機(jī)發(fā)電效率ηgen。點(diǎn)吸收器的總效率η可以表述為

η=ηcapηhydηgen

(1)

吸收器輸入功率Pin可以用單位時(shí)間內(nèi)吸收器水平截面通過(guò)的流體動(dòng)能來(lái)表示，即

(2)

式中Ek——時(shí)間t內(nèi)通過(guò)吸收器水平截面的圓柱體狀流體動(dòng)能

h——圓柱體狀流體高度

r——圓柱體狀流體半徑，即吸收器半徑

v——吸收器和水體之間的相對(duì)流速

ρ——水體密度

吸收器輸出功率Pout為

(3)

式中T——輸出轉(zhuǎn)矩,N·m

ω——角速度，rad/s

n——轉(zhuǎn)速，r/min

吸收器水力效率ηhyd為輸入功率Pin和輸出功率Pout之比，即

(4)

3 數(shù)值計(jì)算方法與配置

選用Fluent 16.0對(duì)點(diǎn)吸收器的水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值分析。波浪運(yùn)動(dòng)是一種隨機(jī)的不規(guī)則振蕩運(yùn)動(dòng)[21]，點(diǎn)吸收器升沉運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度不恒定且存在波動(dòng)。吸收器葉片的自適應(yīng)性擺動(dòng)使得葉片存在換向過(guò)程，期間葉片并非處于最大偏轉(zhuǎn)角，水流無(wú)法提供推力。另外吸收器的轉(zhuǎn)速受電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的綜合影響，也存在波動(dòng)。為便于評(píng)估點(diǎn)吸收器的性能特性，取葉片相對(duì)水流的沖擊速度、葉片相對(duì)水平面的最大偏轉(zhuǎn)角和吸收器轉(zhuǎn)速等典型的系統(tǒng)參數(shù)在單組數(shù)值分析中為常數(shù)，即對(duì)點(diǎn)吸收器在典型海況下的最大瞬時(shí)功率和效率進(jìn)行數(shù)值分析。

采用滑移網(wǎng)格[22]來(lái)模擬雙層吸收器與水體之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。SSTk-ω模型兼具了standardk-ω模型在邊界層逆壓梯度區(qū)間和k-ε模型在自由剪切流上的計(jì)算優(yōu)勢(shì)[23]，是本文數(shù)值優(yōu)化采用的湍流模型。點(diǎn)吸收器的標(biāo)準(zhǔn)模型如圖5所示，其中吸收器直徑為400 mm，上下層吸收器間距為400 mm，吸收器的整體高度約為560 mm。為減少次要特征對(duì)計(jì)算資源的過(guò)度消耗及其造成的網(wǎng)格畸變，用于數(shù)值分析的模型在標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化。

圖5 模型Fig.5 Models

如圖6所示，選取圓柱形計(jì)算域覆蓋吸收器，并采用四面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行分區(qū)劃分。計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格按照與點(diǎn)吸收器的距離進(jìn)行分區(qū)，與吸收器越近的區(qū)域的網(wǎng)格尺寸越小。中間區(qū)域①被細(xì)化為4個(gè)子區(qū)域，其中標(biāo)號(hào)為②、③的區(qū)域的運(yùn)動(dòng)形式設(shè)置為沿傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。滑移網(wǎng)格方法通過(guò)旋轉(zhuǎn)上述特定的網(wǎng)格區(qū)域來(lái)求解雙層吸收器與水體作用的時(shí)間精確解。區(qū)域②、③與其周圍區(qū)域之間的交界面設(shè)置為Interface，其他區(qū)域之間的交界面設(shè)置為Interior。

圖6 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分Fig.6 Calculation domain and meshing

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

基于上述對(duì)性能評(píng)估理論和數(shù)值配置方法的研究，對(duì)點(diǎn)吸收器的功率和效率特性進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化分析。

4.1 相對(duì)流速對(duì)點(diǎn)吸收器性能特性的影響

圖7顯示了相對(duì)流速對(duì)點(diǎn)吸收器性能特性的作用規(guī)律。不同葉片傾角的上層吸收器功率均隨相對(duì)流速的增加而加速增大。不同葉片傾角的上層吸收器的效率均隨相對(duì)流速的增加而最終減少，但具體變化規(guī)律有所不同。在低流速區(qū)(≤1.2 m/s)，20°葉片傾角的性能特性最優(yōu)；在中高速區(qū)(≥1.4 m/s)，35°葉片傾角的性能特性最優(yōu)。

圖7 不同相對(duì)流速下的吸收器的性能特性Fig.7 Performance characteristics of point absorber at different relative velocities

圖8顯示了35°葉片傾角的上層吸收器葉片受到水流沖擊時(shí)的壓力云圖。與水輪機(jī)的運(yùn)行原理相似，吸收器葉片在受到水流沖擊后，其壓力側(cè)和吸力側(cè)之間產(chǎn)生壓差。該壓差對(duì)葉片的推力最終形成吸收器的轉(zhuǎn)矩。葉片壓力側(cè)和吸力側(cè)的壓力分別主要為正壓力和負(fù)壓力。壓差沿著弦長(zhǎng)方向逐漸減小，在葉片后緣趨近于零。葉片的高壓差區(qū)主要集中在前緣，因此輸出轉(zhuǎn)矩主要由前緣提供。對(duì)比1.0 m/s和2.0 m/s相對(duì)流速的葉片壓力云圖發(fā)現(xiàn)，兩者葉片壓力分布規(guī)律類似，但后者的壓差明顯大于前者。因此，提高相對(duì)流速來(lái)提高吸收器功率主要是通過(guò)增大葉片前緣的壓差絕對(duì)值和作用面積來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖8 不同相對(duì)速度下的上層吸收器葉片壓力分布Fig.8 Pressure distribution of upper absorber blades with different relative velocities

4.2 葉片傾角對(duì)點(diǎn)吸收器性能特性的影響

圖9顯示了葉片傾角對(duì)點(diǎn)吸收器性能特性的作用規(guī)律。點(diǎn)吸收器的功率和效率隨葉片傾角的增加而呈拋物線式變化。隨著相對(duì)流速增加，最高性能取值的最佳傾角變大。也就是說(shuō)，點(diǎn)吸收器所在海域的海況等級(jí)越高，水流沖擊速度越大，其最佳傾角越大。此外，功率的最大值隨相對(duì)流速增加而增加，而效率的最大值卻隨之減少。即點(diǎn)吸收器所在海域的海況等級(jí)越高，輸出功率越高而效率反而越低。根據(jù)不同海況調(diào)整葉片傾角，可以優(yōu)化點(diǎn)吸收器的性能特性。

圖9 不同葉片傾角下的吸收器的性能特性Fig.9 Performance characteristics of point absorber under different blade angles

4.3 相對(duì)流速和葉片傾角對(duì)點(diǎn)吸收器性能特性的綜合影響

圖10顯示了相對(duì)流速和葉片傾角對(duì)點(diǎn)吸收器性能特性的作用規(guī)律。可以看出，吸收器的功率高值區(qū)在高流速區(qū)(≥1.8 m/s)，其對(duì)應(yīng)的最佳葉片傾角取值范圍為30°～45°；吸收器的效率高值區(qū)在低流速區(qū)(≤1.2 m/s)，其對(duì)應(yīng)的最佳葉片傾角取值范圍為20°～35°。

圖10 相對(duì)流速和葉片傾角對(duì)吸收器性能特性的綜合影響Fig.10 Combined effect of relative velocity and blade angle on performance of upper absorber

4.4 轉(zhuǎn)速對(duì)點(diǎn)吸收器性能特性的影響

圖11顯示了轉(zhuǎn)速對(duì)點(diǎn)吸收器性能特性的作用規(guī)律。35°葉片傾角的點(diǎn)吸收器具有較好的水動(dòng)力學(xué)特性，選其為本組數(shù)值優(yōu)化的研究對(duì)象。在中低流速區(qū)，轉(zhuǎn)速對(duì)吸收器功率的作用有限，功率隨轉(zhuǎn)速增加變化平緩；在高流速區(qū)，轉(zhuǎn)速對(duì)吸收器功率的作用顯著，功率隨轉(zhuǎn)速增加而大幅提升。吸收器效率在不同流速區(qū)間均隨轉(zhuǎn)速的增加而先增加后降低。相對(duì)流速越大的情況下，取得最大效率的最佳轉(zhuǎn)速也越大。也就是說(shuō)，點(diǎn)吸收器所在海域的海況等級(jí)越高，需適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速來(lái)使吸收器功率和效率最大化。而吸收器轉(zhuǎn)速的調(diào)整可以通過(guò)改變電機(jī)負(fù)載扭矩和減速箱傳動(dòng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下的吸收器的性能特性Fig.11 Performance characteristics of point absorber at different rational speeds

4.5 上層和下層吸收器的相互作用

上述4.1～4.4節(jié)中數(shù)值分析的研究對(duì)象為處于上升過(guò)程中的上層吸收器。即上層吸收器受到的沖擊水流豎直向下，且沒(méi)有受到擾動(dòng)。但水流在流過(guò)上層吸收器后流態(tài)會(huì)發(fā)生改變，沖擊下層吸收器的流向并非豎直向下。可見(jiàn)上下層吸收器的流場(chǎng)存在相互影響，這會(huì)影響裝置的能量轉(zhuǎn)換特性。由于點(diǎn)吸收器在上升和下沉過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的相似性，本節(jié)中僅對(duì)處于上升過(guò)程中的雙層吸收器進(jìn)行分析。

圖12顯示了雙層吸收器在相互作用后的性能特性。其中圖12a、12b、12c分別為35°、45°、55°葉片傾角的雙層吸收器的功率和效率；圖12d為上述3組雙層吸收器的總功率和效率的對(duì)比。可以看出：① 35°葉片傾角的上層吸收器的功率及效率在3組中最高，但其下層吸收器的功率和效率最低。其總的功率和效率在低流速區(qū)(≤1.2 m/s)是3組中最高的，并在相對(duì)流速為1.2 m/s時(shí)取得3組中的最高效率25.5%。② 45°葉片傾角的上層吸收器的功率和效率輕微降低，但下層吸收器的性能上升幅度很大。其總功率和效率在高流速區(qū)(≥1.8 m/s)是3組中最高的，基本穩(wěn)定在20%～25%。③ 55°葉片傾角的上層吸收器的性能繼續(xù)下降，其下層吸收器性能則繼續(xù)上升。整體性能低于45°葉片傾角的吸收器。但其上下層吸收器的性能接近，利于上下層吸收器轉(zhuǎn)矩的配平。

圖13為相對(duì)流速為2 m/s的點(diǎn)吸收器流場(chǎng)的豎截面速度云圖。可以看出，35°葉片傾角的雙層吸收器中間有一個(gè)明顯的低速水流區(qū)，區(qū)域內(nèi)的水流速度僅為周圍水域流速的50%左右。相比之下，55°葉片傾角的雙層吸收器所形成的低速水流區(qū)要小很多。

圖14顯示了上述情況下的點(diǎn)吸收器流場(chǎng)的豎截面速度矢量圖。可以看出，35°葉片傾角的點(diǎn)吸收器存在一個(gè)明顯的渦流區(qū)。渦流區(qū)形成了一個(gè)直徑接近吸收器直徑、高度接近雙層吸收器間距的圓柱體狀的循環(huán)流區(qū)。循環(huán)流區(qū)改變了沖擊下

圖12 不同葉片傾角下的上、下層吸收器之間的相互作用Fig.12 Interaction between upper and lower absorbers under different blade angles

圖13 不同葉片傾角的點(diǎn)吸收器的豎截面速度云圖Fig.13 Velocity contours of vertical section of point absorber under different blade angles

圖14 不同葉片傾角點(diǎn)吸收器的豎截面速度矢量圖Fig.14 Velocity vector plots of vertical section of point absorberunder different blade angles

層吸收器的水流流態(tài)，降低了沖擊水流流速，造成下層吸收器性能遠(yuǎn)低于上層吸收器。相比之下，55°葉片傾角的雙層吸收器產(chǎn)生的渦流小很多，且僅存在于傳動(dòng)軸附近流場(chǎng)。55°葉片傾角的上下層吸收器之間的相互作用被弱化，兩者性能接近。

上述雙層吸收器之間相互作用對(duì)總體性能影響的分析，主要是指兩者相互作用充分的情況。當(dāng)吸收器的運(yùn)動(dòng)幅值較小，位于水流上游的吸收器產(chǎn)生的尾流并不能擴(kuò)散到水流下游的吸收器。此時(shí)下游吸收器在未受到擾動(dòng)時(shí)就反向運(yùn)動(dòng)，兩者的相互作用就很弱。這種情況下，上游和下游吸收器的性能差異不大，即均接近于圖12中深紅色區(qū)域所表示的吸收器性能值。因此，當(dāng)點(diǎn)吸收器處于較高海況時(shí)，其運(yùn)動(dòng)幅值大且相互作用明顯；處于較低海況時(shí)，運(yùn)動(dòng)幅值小且相互作用弱。

通過(guò)上述分析可得出：當(dāng)點(diǎn)吸收器處于較高海況宜采用大于等于45°的葉片傾角。此時(shí)雙層吸收器相互作用較充分，較大的葉片傾角可以弱化兩者的相互作用，提高點(diǎn)吸收器的總體性能并有利于裝置的轉(zhuǎn)矩配平；當(dāng)點(diǎn)吸收器處于較低海況宜采用小于等于35°的葉片傾角。此時(shí)吸收器之間的相互作用較弱，上下層吸收器之間的性能接近，具有較小葉片傾角的單層吸收器的性能更高，有利于提高點(diǎn)吸收器的總體性能。

5 試驗(yàn)

為驗(yàn)證新型點(diǎn)吸收器工作原理的可行性及數(shù)值分析的準(zhǔn)確性，制作了點(diǎn)吸收器的物理樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)桶和造波池試驗(yàn)。樣機(jī)如圖15所示，吸收器的內(nèi)外環(huán)使用鋁合金，支撐軸和傳動(dòng)軸的套管為碳纖維管，吸收器葉片采用PE材質(zhì)，其余部分主要采用304不銹鋼。點(diǎn)吸收器采用內(nèi)置減速器的小型永磁直流發(fā)電機(jī)，最大功率為30 W。

圖15 點(diǎn)吸收器的物理樣機(jī)Fig.15 Physical prototype of point absorber1.發(fā)電機(jī)罩 2.內(nèi)置發(fā)電機(jī) 3.上層吸收器 4.下層吸收器 5.內(nèi)環(huán) 6.外環(huán) 7.傳動(dòng)軸 8.葉片 9.支撐軸

5.1 試驗(yàn)桶試驗(yàn)

圖16 試驗(yàn)桶試驗(yàn)Fig.16 Test platform with test pool1.電動(dòng)缸 2.試驗(yàn)桶 3.點(diǎn)吸收器樣機(jī) 4.數(shù)據(jù)采集卡 5.計(jì)算機(jī) 6.控制器

試驗(yàn)桶試驗(yàn)平臺(tái)如圖16所示，主要包含試驗(yàn)桶、電動(dòng)缸、控制器、數(shù)據(jù)采集卡和運(yùn)行LabVIEW的計(jì)算機(jī)等。基于現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，測(cè)試了低流速下的不同葉片傾角的點(diǎn)吸收器功率。葉片傾角分別設(shè)置為10°、15°、20°、25°。設(shè)置電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)方式為幅值S=150 mm、周期為t=2 s的正弦曲線，其最高速度Vmax=0.47 m/s。

試驗(yàn)輸出物理量為電壓U，電路電阻R為10 Ω，瞬時(shí)功率P可由P=U2/R求得。如圖17a所示，瞬時(shí)功率P在0～8 W之間波動(dòng)。為了便于試驗(yàn)和數(shù)值分析的數(shù)據(jù)比較，對(duì)上述瞬時(shí)輸出功率數(shù)據(jù)處理得出時(shí)均功率。再對(duì)雙層吸收器在最高速度Vmax下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，獲得輸出的機(jī)械總功率。對(duì)比試驗(yàn)中獲取的時(shí)均功率和數(shù)值分析獲取的機(jī)械功率，如圖17b所示。

圖17 試驗(yàn)桶試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及對(duì)比Fig.17 Experimental data and comparison of test pool experiments

通過(guò)試驗(yàn)桶試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算獲取的兩種功率曲線在變化趨勢(shì)上非常一致，但取值有所不同。原因如下：①試驗(yàn)輸出量為吸收器后端發(fā)電機(jī)的電流信號(hào)，而數(shù)值分析輸出量為吸收器的水動(dòng)力學(xué)性能，兩種輸出量是從不同方面反應(yīng)吸收器的功率特性。②試驗(yàn)中獲取的時(shí)均功率為發(fā)電機(jī)對(duì)吸收器輸出機(jī)械能的二次轉(zhuǎn)化，存在能量損失。③試驗(yàn)中獲取的時(shí)均功率為瞬時(shí)功率經(jīng)處理后得到的，而仿真中獲取的機(jī)械功率是在升沉運(yùn)動(dòng)中最大的相對(duì)流速下得到的。試驗(yàn)桶試驗(yàn)和數(shù)值分析中獲取的功率曲線高度一致，驗(yàn)證了兩種分析方法的合理性及準(zhǔn)確性。

5.2 造波池試驗(yàn)

試驗(yàn)桶由于尺寸限制具有阻塞效應(yīng)，可能對(duì)吸收器性能產(chǎn)生加強(qiáng)作用，有必要補(bǔ)充造波池試驗(yàn)。圖18為造波池試驗(yàn)平臺(tái)，造波池長(zhǎng)、寬、高分別為40、1.0、0.8 m。點(diǎn)吸收器樣機(jī)高度為0.56 m。為避免樣機(jī)與池底的碰撞并模擬海底靜水層，在池底挖有0.8 m深的正方體坑體。測(cè)試平臺(tái)由數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)行LabVIEW的計(jì)算機(jī)和其他電路元件組成。試驗(yàn)中的波浪譜為規(guī)范波譜，波高0.3 m，水深0.6 m。

圖18 造波池試驗(yàn)平臺(tái)Fig.18 Test platform with wave tank

基于當(dāng)前試驗(yàn)條件，對(duì)不同波浪周期下的點(diǎn)吸收器的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，如圖19所示。分析電壓曲線得出：①該新型點(diǎn)吸收器可以穩(wěn)定輸出電能，其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理可行。②當(dāng)前試驗(yàn)條件下產(chǎn)生的電壓峰值主要在3～4 V之間。③不同波浪周期值與電壓峰值數(shù)量具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是對(duì)電壓峰值的影響并不明顯。

圖19 點(diǎn)吸收器在不同波浪周期下的電壓曲線Fig.19 Voltage curves of point absorber under different wave periods

本次的造波池試驗(yàn)還出現(xiàn)了電壓偏低及電壓曲線中波谷偏大的現(xiàn)象。原因如下：①造波池的尺寸較小且波高僅為0.3 m。考慮到浮子對(duì)波浪的響應(yīng)，點(diǎn)吸收器的升沉運(yùn)動(dòng)幅值不會(huì)超過(guò)0.15 m。②吸收器葉片換向占用了較大的運(yùn)動(dòng)行程，且換向過(guò)程中水流無(wú)法對(duì)葉片產(chǎn)生推力，點(diǎn)吸收器的設(shè)計(jì)在大行程中的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)。

6 結(jié)論

(1)新型點(diǎn)吸收器的工作原理可行。帶限位裝置的葉片設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)在升沉運(yùn)動(dòng)中自適應(yīng)地調(diào)整偏轉(zhuǎn)方向，并保持吸收器的單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)方向相反的雙層吸收器可以實(shí)現(xiàn)PTO的整體轉(zhuǎn)矩配平，且不受升沉運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)行程的限制。

(2)點(diǎn)吸收器的性能特性受相對(duì)流速、葉片傾角、轉(zhuǎn)速的影響很大。功率高值區(qū)在高流速區(qū)，相應(yīng)的最佳葉片傾角為30°～45°；吸收器的效率高值區(qū)在低流速區(qū)，相應(yīng)的最佳葉片傾角為20°～35°。在典型海況下，50～90 r/min的轉(zhuǎn)速是合適的。點(diǎn)吸收器性能受轉(zhuǎn)速的影響還需考慮相對(duì)流速，相對(duì)流速越高其最佳轉(zhuǎn)速越高。

(3)上下層吸收器的相互作用對(duì)點(diǎn)吸收器的總體性能有重要影響。當(dāng)點(diǎn)吸收器處于較高海況時(shí)，葉片傾角宜大于等于45°。較大的傾角可以弱化上下吸收器之間的相互作用，利于轉(zhuǎn)矩平衡并最大化總體性能。當(dāng)點(diǎn)吸收器處于較低海況時(shí)，葉片傾角宜大于等于35°。較小傾角的單層吸收器性能更優(yōu)，利于提高總體性能。