擺式波能發電裝置性能的時域分析

張虎　樊后朋

摘 要：擺式波能發電裝置具有較高的轉換效率，近年來獲得眾多學者的關注。本文首先基于勢流理論在頻域分析了擺板厚度對于擺式波能發電裝置水動力特性的影響。在此基礎上求解考慮動力攝取系統的Cummins方程計算瞬時功率和平均功率。進一步分析了擺板厚度對擺式波能發電裝置瞬時功率的影響和動力攝取系統的阻尼系數對擺式波能發電裝置平均功率的影響。

關鍵詞：波浪能;勢流理論;頻域;時域;瞬時功率;平均功率

在眾多的海洋可再生能源中，波浪能以能量密度大，分布范圍廣而受到人們的青睞，許多波能發電裝置被開發出來[1]。其中擺式波能發電裝置（如圖1所示）主要由擺板、動力攝取系統和發電機等組成，擺板在波浪作用下繞軸前后擺動帶動活塞液壓桿運動，進而將波浪能轉化為電能[2]。

1 頻域勢流理論

假定流體不可壓縮，無粘性，運動無旋。速度勢滿足拉普拉斯方程：

4 水動力特性數值模擬及結果分析

4.1 裝置模型

本研究中簡化的浮力擺波能轉換裝置由擺板和基座組成（它們之間由平面鉸連接，同時通過線性阻尼器轉換能量MPTO（t）=-BPTOθ·（t），BPTO為線性阻尼系數），其主要參數如下表所示[5]，分別建立1.8m和0.6m兩種厚度的擺板，計算時選擇水深h=10.9m。建立的簡化的浮力擺與坐標系統如圖2所示。

ANSYS AQWA是基于邊界元法的水動力分析軟件，只需擺版的表面模型并劃分網格（如圖3所示）。坐標系原點定義在水面與擺板交界面的中心，Z軸垂直向上，X軸為波浪傳播方向。

4.2 水動力特性分析結果

圖4-圖9分別是兩種厚度擺板和基座的激振力、輻射阻尼、附加質量與波浪周期的關系，從圖4和圖6可以看到，擺板的激振力和輻射阻尼隨著波浪周期先增大后減小，有一個明顯的峰值，輻射阻尼最后趨于0;從圖8可以看到，擺板的附加質量也有一個明顯的峰值，隨著波浪周期的增大，最后趨于一個固定值;從圖5、7和9可以看到，基座的水動力計算結果和擺板類似，但峰值遠小于擺板，對裝置的影響很小;兩種不同厚度裝置的水動力系數曲線形狀相同，有些部分幾近重合，說明擺板和基座厚度對裝置的水動力特性影響很小。

5 時域分析及結果

將AQWA的水動力分析結果導入開源分析軟件WEC-Sim[5]，并在WEC-Sim里設置波浪參數，本文采用規則波和線性動力攝取系統。數值分析時，前100s為啟動時間，100s波浪趨于穩定。

5.1 擺板厚度對功率的影響

時域模擬時取波高為1.75m，波浪周期為8.12s，選取動力攝取系統的阻尼系數為6e6Nms/rad。使用WEC-Sim進行時域分析，得到擺板運動情況和瞬時發電功率變化曲線如下圖所示。

由圖10和11可以看出，兩種厚度擺板的運動和發電功率變化趨勢一樣，但1.8m厚度擺板的運動幅值大，導致其發電效率較0.6m厚度擺板高。

5.2 動力攝取系統阻尼對發電效率的影響

在時域分析中保持波高為1.75m，波浪周期為8.12s不變，改變阻尼系數BPTO導致平均發電功率的變化如圖12所示：

由圖可見，當BPTO→0時，平均功率趨近于0;當BPTO→∞時，平均功率趨近于0，平均功率在所研究范圍內存在最大值，對應的最優線性阻尼系數為5e7Nms/rad。

6 結論

本文使用ANSYS AQWA軟件建立擺板水動力計算模型，分析兩種厚度擺板和基座的水動力特性，結果表明擺板厚度對裝置水動力特性幾乎沒有影響;基座對裝置水動力特性的影響遠遠小于擺板。研究中將ANSYS AQWA分析的水動力結果導入WEC-Sim中進行時域分析，采用規則波和線性動力攝取系統，在時域分析了擺板厚度和阻尼系數對發電功率的影響。結果表明，1.8m厚度的擺板擺幅較大，其發電功率較高;波浪條件固定時，存在最佳阻尼系數，使發電裝置的平均功率最大。

參考文獻：

[1]陳韋，余順年，詹立壘，等.波浪能發電技術研究現狀與發展趨勢[J].能源與環境，2014（03）：83-84.

[2]滕斌，陳文.擺式波能轉換裝置的水動力分析模型[C].第十五屆中國海洋（岸）工程學術討論會，中國山西太原，2011.

[3]Cummins WE.The impulse response function and ship motions[J].Schiffstechnik，1962，9：101-109.

[4]李松劍，潘衛明，劉靖飆，等.浮力擺式波浪能發電裝置時域研究[J].太陽能學報，2017，38（02）：543-550.

[5]Yu YH，Lawson M，Ruehl K，Michelen C.Development and demonstration of the WEC-Sim wave energy converter simulation tool[C].The 2nd Marine Energy Technology Symposium，METS 2014，Seattle，WA，2014.