封閉式波浪能發(fā)電裝置受力與俘能功率研究

陳 飛，段德榮，張 輝，楊學(xué)鋒，趙 方

(濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

0 引言

面對(duì)不可再生能源日益枯竭和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的局面[1]，可再生的清潔波浪能已成為解決人類能源危機(jī)的重要能源之一[2-3]。盡管人類對(duì)波浪能發(fā)電裝置的研究已取得一定成果[4]，但波浪能發(fā)電裝置的俘能功率和轉(zhuǎn)換效率等依然不盡人意。為此，李雪臨[5]對(duì)擺板的質(zhì)量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)減少擺板質(zhì)量可使平均輸出功率增加2.73 kW，使一級(jí)轉(zhuǎn)換效率提高14.03%；胡珊[6]和張亮[7]對(duì)浮標(biāo)質(zhì)量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)浮標(biāo)俘能效率隨質(zhì)量的增加下降7.58%，俘獲寬度增大了6.80%。研究表明，質(zhì)量作為波浪能發(fā)電裝置水動(dòng)力性能的重要影響因素，將是低能流密度海域波浪能發(fā)電裝置的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容[8]。這對(duì)適用于該類海域的波浪能發(fā)電裝置研究具有重要的商業(yè)和社會(huì)價(jià)值。

1 封閉式波浪能發(fā)電裝置

封閉式波浪能發(fā)電裝置由俘能系統(tǒng)-浮標(biāo)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)-齒輪變速箱、電機(jī)等系統(tǒng)組成。能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運(yùn)用磁懸浮技術(shù)，使磁性質(zhì)量滑塊運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)減少能量損失，進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換效率[9]。運(yùn)行過程中，波浪的運(yùn)動(dòng)通過浮標(biāo)間接使磁性質(zhì)量滑塊傾覆θ°。獲取重力勢(shì)能后的磁性質(zhì)量滑塊繞圓形磁性導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)φ°，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為齒輪變速箱的機(jī)械能，再通過發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。封閉式波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 封閉式波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖

2 仿真環(huán)境設(shè)置

數(shù)值計(jì)算中，選擇四邊形網(wǎng)格對(duì)浮標(biāo)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)波長(zhǎng)范圍至少覆蓋7個(gè)繞射單元[10-11]。采用錨鏈將封閉式波浪能發(fā)電裝置系泊于海中，并對(duì)其施加波浪載荷。山東半島海洋數(shù)據(jù)如表1所示[12-14]。

表1 山東半島海洋數(shù)據(jù)

3 受力與俘能功率分析

3.1 質(zhì)量對(duì)F-K力的影響

運(yùn)用控制變量法，在控制浮標(biāo)各尺寸不變的條件下，通過在浮標(biāo)底部?jī)?nèi)側(cè)均勻增加質(zhì)量塊的方式來改變封閉式波浪能發(fā)電裝置的整體質(zhì)量，研究質(zhì)量對(duì)F-K力的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)封閉式波浪能發(fā)電裝置浮標(biāo)直徑為5 m時(shí)，縱搖F-K力的幅值受質(zhì)量影響變化34.50%，垂蕩F-K力值變化較小。封閉式波浪能發(fā)電裝置浮標(biāo)直徑為10～20 m時(shí)，縱搖和垂蕩F-K力值受質(zhì)量的影響較小。封閉式波浪能發(fā)電裝置縱蕩F-K力變化曲線如圖2所示。

圖2中，F(xiàn)-K力隨波浪頻率的增加呈正弦曲線狀變化，F(xiàn)-K力先增大后減小，響應(yīng)幅值和變化周期不斷衰減；F-K力隨質(zhì)量的增加逐漸增大，最大增大量為127%。造成這種現(xiàn)象的原因，一方面是浮標(biāo)的吃水隨質(zhì)量的增加逐漸增大，波浪作用在浮標(biāo)上的等效面積增加，浮標(biāo)受入射波的作用力進(jìn)一步增加；另一方面是沿波浪傳播方向浮標(biāo)受到錨鏈拉力束縛的作用。在考慮增大或減弱F-K力的影響時(shí)，本項(xiàng)研究表明可從增加或減少質(zhì)量入手。

圖2 縱蕩F-K力變化曲線圖

3.2 質(zhì)量對(duì)波浪繞射力的影響

繞射力是浮標(biāo)所受波浪力之一。本文基于山東半島水文信息，并借助水動(dòng)力計(jì)算軟件AQWA，對(duì)其進(jìn)行仿真研究。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)封閉式波浪能發(fā)電裝置浮標(biāo)直徑為5 m時(shí)，縱搖方向上的波浪繞射力幅值受質(zhì)量影響變化24%，垂蕩方向上波浪繞射力變化較小。當(dāng)封閉式波浪能發(fā)電裝置浮標(biāo)直徑為10～20 m時(shí)，縱搖和垂蕩方向上波浪繞射力受質(zhì)量的影響較小。縱蕩繞射力變化曲線如圖3所示。

圖3 縱蕩繞射力變化曲線圖

圖3中，波浪繞射力隨波浪頻率的增加先增大后減小，呈正弦曲線狀變化，響應(yīng)幅值和變化周期逐漸衰減。波浪繞射力隨質(zhì)量的增加逐漸增大，最大增大量為88%。造成這種現(xiàn)象的原因是浮標(biāo)水下部分面積隨質(zhì)量的增加而增大，波浪在傳播方向上受到的阻礙增大，導(dǎo)致浮標(biāo)受到的波浪繞射力增大。波浪能發(fā)電裝置在海上往往呈陣列布置，以提高對(duì)波浪能的俘獲和利用效率。通過對(duì)波浪繞射力的研究，得到了質(zhì)量與波浪繞射力的關(guān)系。該關(guān)系可為因遮蔽效應(yīng)導(dǎo)致陣列中波浪能發(fā)電裝置俘能功率的減小提供一定的優(yōu)化方法，從而進(jìn)一步提高對(duì)波浪能的利用。

3.3 質(zhì)量對(duì)俘能功率的影響

借助水動(dòng)力計(jì)算軟件AQWA，對(duì)不同質(zhì)量下封閉式波浪能發(fā)電裝置俘能功率進(jìn)行研究。假設(shè)封閉式波浪能發(fā)電裝置機(jī)械傳動(dòng)效率為0.90，磁性質(zhì)量滑塊質(zhì)量為30 kg[15]，依據(jù)浮標(biāo)縱搖時(shí)程響應(yīng)，得到如圖4所示的5～20 m浮標(biāo)直徑封閉式波浪能發(fā)電裝置的俘能功率曲線圖。

圖4 俘能功率曲線圖

圖4中，同等浮標(biāo)直徑的封閉式波浪能發(fā)電裝置俘能功率呈相同周期正弦曲線狀變化，負(fù)功率表示磁性質(zhì)量滑塊逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的功率。隨著質(zhì)量的增加，俘能功率有不同程度的增加，俘能功率極值間平均相對(duì)變化量分別為47%、23.50%、26.90%和36.40%。極值間出現(xiàn)47%的較大平均相對(duì)變化量的原因，一方面是浮標(biāo)直徑小于平均波浪波長(zhǎng)，受多種波長(zhǎng)波浪的影響，浮標(biāo)穩(wěn)定差；另一方面是質(zhì)量的增大使浮標(biāo)吃水增加，受到的F-K力和波浪繞射力增加，浮標(biāo)運(yùn)行慣性和不穩(wěn)定性增加。極值間出現(xiàn)23.50%和26.90%的較小平均相對(duì)變化量的原因是浮標(biāo)直徑接近平均波浪波長(zhǎng)，浮標(biāo)穩(wěn)定性高。較高的穩(wěn)定性抵消了部分吃水增加帶來的F-K力和波浪繞射力的影響。極值間出現(xiàn)36.40%的較大平均相對(duì)變化量的原因是由于浮標(biāo)直徑較大，吃水深度太小，浮標(biāo)穩(wěn)定性差。根據(jù)俘能功率曲線變化，在8～14 t的質(zhì)量范圍內(nèi)，俘能功率隨著質(zhì)量的增加而增加。俘能功率極值間平均相對(duì)變化量的大小因浮標(biāo)直徑的不同而有所差異，在8～14 t的質(zhì)量范圍內(nèi)，俘能功率極值間平均相對(duì)變化量呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

封閉式波浪能發(fā)電裝置借助磁懸浮技術(shù)，在低能流密度海域運(yùn)行發(fā)電中優(yōu)勢(shì)。基于山東半島海洋環(huán)境，運(yùn)用時(shí)域分析法分析8～14 t的質(zhì)量對(duì)新型封閉式波浪能發(fā)電裝置所受F-K力、繞射力和俘能功率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，縱蕩方向上的F-K力隨質(zhì)量的增加逐漸增大，最大增加量為127%，響應(yīng)幅值和變化周期隨波浪頻率逐漸衰減，縱搖和垂蕩方向上的F-K力受質(zhì)量的影響較小。縱蕩方向上的波浪繞射力隨質(zhì)量的增加逐漸增大，最大增加量為88%，響應(yīng)幅值和變化周期隨波浪頻率逐漸衰減，縱搖和垂蕩方向上的波浪繞射力受質(zhì)量的影響較小。俘能功率隨質(zhì)量的增加逐漸增大，俘能功率極值間的最大平均相對(duì)變化量為47%，俘能功率極值間平均相對(duì)變化量隨浮標(biāo)直徑的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)。