往復式海浪發電系統力學分析

楊鈞達 陳衛興 謝敏怡 劉俊笙 房偉權 丁 南 胡佩菊

（廣州工商學院 電子信息工程系，廣東 廣州510850）

在地球的整體面積中，海洋占據了其中的71%。而我國也擁有著綿長的海岸線，洶涌起伏的海浪蘊藏著無盡的能量。了解分析本實驗物中系統的力學特性，改善浮子和曲柄桿各參數有利于提高系統得發電能利用率。為了改善這種狀況，本文有必要進行該系統的運動學分析和動力學分析。

1 系統的組成

本文系統模仿發動機活塞運動原理，如圖1 所示，該往復式海浪發電系統由浮子、傳動輪組件、曲柄連桿、變速齒輪、三相交流發電機、整流器等組件構成。利用運動模塊的浮子部件在水流中通過質點的簡諧振動形成動能，海浪起伏能產生勢能，由傳動系統的振動特性、發電機電磁感應現象原理、杠桿、彈性力學、三相穩壓技術等多個物理模塊結合，從而將海浪能轉換成電能。

2 系統分析

圖1 往復式海浪發電系統結構圖

海流和海浪共存于海水中，其中海流是在水平方向或者垂直方向上從一個地區向另一個地區大規模非周期性的運動。其產生是外力作用下的運動，如在海平面上的風力引起的海流稱之為風生海流，也稱為漂流。海浪主要是在海洋中由風產生的波動現象，不同風速、風向和地形條件下，海浪的尺寸變化很大，波長從幾十厘米到幾百米之間。由于海流與海浪相比其運動方向比較穩定和緩慢，研究對象體積較小，所以本文分析時忽略海流對系統的影響[1]。

圖2 往復式海浪發電系統實物圖

2.1 海浪動力學分析。海面上常見的海浪一般可用不規則波來描述，波浪的運動在水中產生動壓力，其強弱與波幅大小有關。該系統主要運動部分在浮子處，水平方向上的動力能相抵消，動能主要作用于浮子的上下底面。下面主要研究海況下浮子下底面的動力特性，由文獻[2]可知

式中ξa為自由水面的波幅，表自由水面波動液體每一質點沿圓形軌道勻速運動，為水深T處的波幅，波數為波長）。從流體力學得知，波幅隨水深按指數關系減小。

漂浮物相對于O-XYZ坐標系有六個自由度運動，由于漂浮物在波浪上的橫搖運動，縱搖運動和升沉運動較其他分量的震蕩運動顯著，本系統中浮子橫波是為相向動壓力大小相同，因此只考慮浮子在規則波中的縱搖和升沉運動?？紤]到海浪中動壓力梯度和靜壓力梯度不同經過史密斯修正系數修正后的波型坐標使用切片法，橫剖段與波面的垂向相對位移為

波動產生的等效波面方程可表示為[3]

作用在垂向運動的切片上的流體動力組成有流體靜力、興波阻力和附加慣性力，將各橫剖段上的流體動力對x積分得到垂蕩力F，則得到浮子垂直方向動力。

2.2 曲柄連桿動力學分析。曲柄連桿機構是利用海浪的往復運動實現工作循環，完成能量轉換的傳動機構，用來傳遞力和改變力的運動方向。工作中，曲柄連桿機構在做功過程中把海浪的上下往復運動轉變成曲軸的旋轉運動，對外輸出動力，在海浪的起伏往復過程中又把曲軸的旋轉運動轉變成浮子往復起伏運動。因此，曲柄連桿機構是海浪借以產生并傳遞動力的機構，通過它把海浪的動能轉變為機械能[4，5]。

如圖3，曲柄連桿上面的重錘輪（重錘的轉輪）增加了曲柄連桿的離心質量，令曲柄連桿可以獲得更高的旋轉離心質量，以減少曲柄連桿所需的旋轉動能，令海浪往復起伏動能利用率達到更高。浮子產生的P 與連桿l 上所受的力Pc之間存在關系

且在結點A點處，曲柄方向上的力Pc和曲柄頸所受切線力PT關系

由轉矩T為曲柄頸所受切線力PT與半徑r 的乘積，即

聯立式4、5、6 得：

在該系統中，曲柄半徑r 遠小于曲柄連桿L，φ 角趨近于零，即公式7 近似于

根據平面圓的分析及余弦定理得到P 與行程s 的關系

3 模擬真實發電環境測試

表1 是本實物系統在平靜湖面經過人工制浪模擬環境測試得到參數：輸出電壓和電流，通過觀測外接LED燈發光強弱進行比較功率大小。

表1 往復式海浪發電系統的實測數據

圖3 曲柄杠機構結構圖

實驗結果表明：系統運行穩定，整流器輸出直流電壓隨著人工制浪振動頻率增大而以非線性凸曲線增大，輸出的直流通過擬合方式發現以線性增大。

整個系統對結構材料有一定的要求，需要運動學分析計算出大致的受力，由于浮子在海浪中受到水質點對其的垂直方向的動力，利用海浪波動方程可以得到垂直壓力，選取合適的結構材料。由于海浪情況的隨機性和多變性，本文化繁為簡，將無規則波動運動簡化問規則運動進行參數設置并尋找修正系數，各參數的確定需要根據情況做改動。實驗結果證明本系統在理論基礎上還可以進行修正改善以提高能量傳動效率。