懸掛擺式波浪發電實驗裝置的開發

包興先，劉志慧，李昌良，張 敬

（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580）

0 引 言

發展波浪能對我國海洋強國建設及生態文明建設等具有重要意義。波浪發電裝置通常包括能量俘獲系統、二級能量轉換系統和三級能量轉換系統。根據能量俘獲系統的不同，波浪發電裝置可分為振蕩水柱式、振蕩體式、越浪式三大類［1-2］。近年來，我國有多個科研單位進行了不同形式的波浪發電裝置的理論及試驗研究，取得了很大進展［3-15］。擺式波浪發電裝置屬于振蕩體式，結構簡單，開發利用程度較高。擺式波浪發電裝置根據二級能量轉換系統的安裝位置不同，分為浮力擺式和懸掛擺式。浮力擺式的二級能量轉換系統位于水下，不影響景觀，但安裝與維護不便；懸掛擺式的二級能量轉換系統位于水上，安裝與維護較為方便。擺式波浪發電裝置的原理是通過擺板在波浪作用下的周期性往復擺動，俘獲波浪能，然后通過液壓式或機械式二級能量轉換系統轉換為液壓能或機械能，最后通過三級能量轉換系統帶動發電機發電［15］。現有的擺式波浪發電裝置的二級能量轉換系統通常為液壓裝置，可以將擺板往復擺動的機械能轉換為液壓能，之后再轉換成旋轉機械能，最終帶動發電機發電。可以看出，其總的能量轉換環節包括波浪能→機械能→液壓能→機械能→電能，轉換環節較多，能耗較大。

本文開發一種新的懸掛擺式波浪發電實驗裝置，特別是一種具有方向控制作用的新的二級能量轉換系統，可減少能量轉換環節，提高波能轉換效率。其主要功能為通過方向控制系統將擺板的雙向往復擺動轉換為發電機軸的單向旋轉運動，從而發電。其總的能量轉換環節包括波浪能→機械能→電能，轉換環節較少，能耗較小。

1 懸掛擺式波浪發電裝置開發

1.1 懸掛擺式波浪發電裝置組成

開發的懸掛擺式波浪發電實驗裝置如圖1 所示，主要包括擺板、支撐架、方向控制系統、變速箱和發電機系統。實驗裝置設有兩塊擺板，左右對稱，安裝在擺軸上，每塊擺板長0.35 m，寬0.15 m。發電裝置的核心部件——方向控制系統、變速箱和發電機都安裝在水面以上的工作平臺上，如圖2 所示。其中方向控制系統由兩個擺軸、兩個擺軸傘齒輪和兩個單向離合器組成［17］。兩個擺軸傘齒輪與變速箱上的傘齒輪嚙合，組成傘齒輪組，可以把擺軸的往復雙向擺動轉換成變速箱軸的單向旋轉運動，進而驅動發電機發電。

圖1 懸掛擺式波浪發電裝置整體結構圖

單向離合器是方向控制系統的關鍵部件，由內圈、若干滾珠和外圈構成，如圖3 所示。內圈和擺軸固定連接，外圈和傘齒輪固定連接。由于滾珠所在的兩個平面的傾角不相等，使得滾珠只能單向滾動。當內圈順時針轉動時，滾珠隨之滾動，而外圈不動；當內圈逆時針轉動時，滾珠將內、外圈鎖定，外圈隨內圈逆時針轉動，從而達到單向離合的目的。

圖2 方向控制系統、變速箱和發電機系統安裝圖

方向控制系統的工作機理如下：由于兩塊擺板在波浪驅動下同時擺動，從兩塊擺板中間分別向左、右兩邊看，當左擺板順時針擺動時，左擺軸順時針轉動，帶動左單向離合器的內圈順時針轉動，而外圈不動，即左傘齒輪保持不動；此時，右擺板逆時針擺動，右擺軸逆時針轉動，帶動右單向離合器的內圈逆時針轉動，而外圈在滾珠的作用下隨之逆時針轉動，從而右傘齒輪逆時針轉動，帶動變速箱上的傘齒輪順時針旋轉（從前向后看），進而驅動發電機的輸入軸順時針轉動。

同理，當左擺板逆時針擺動時，左擺軸逆時針轉動，帶動左單向離合器的內圈逆時針轉動，而外圈在滾珠的作用下隨之逆時針轉動，從而左傘齒輪逆時針轉動，帶動變速箱上的傘齒輪順時針旋轉（從前向后看），進而驅動發電機的輸入軸順時針轉動；此時，右擺板順時針擺動，右擺軸順時針轉動，帶動右單向離合器的內圈順時針轉動，而外圈不動，即右傘齒輪保持不動。

因此，不論擺板順時針還是逆時針擺動，發電機的輸入軸都順時針轉動，達到方向控制的目的。

1.2 懸掛擺式波浪發電裝置實驗

（1）實驗設備。發電裝置實驗在我校波浪水槽（見圖4（a））內進行。水槽長約15 m，寬0.4 m，深0.5 m。為了測得擺板在波浪作用下的擺角情況，在擺板上布設了角度傳感器，通過DHDAS 數據采集系統（見圖4（b））輸出相應的角度數值，同時，輸出發電裝置產生的實時電壓數據。

圖4 懸掛擺式波浪發電實驗設備

（2）數據采集。在5 種波浪周期及波高工況下（見表1），分別記錄了擺板的擺角、發電裝置實時輸出的電壓信號。由于發電裝置兩個擺板左右對稱，本文只列出一個擺板的擺角情況。實驗靜水深30 cm，采樣頻率0.05 s，采樣時間50 s。

表1 不同工況下最大擺角及峰值電壓均值

圖5 為工況2 下發電裝置輸出電壓穩定時（10 ～40 s），擺板的擺角隨時間變化情況。圖6 為工況2 下發電裝置輸出電壓穩定時（10 ～40 s），輸出電壓隨時間變化情況。圖7 表示發電裝置輸出的峰值電壓均值隨不同的波浪周期變化情況。圖8 表示擺板的最大擺角隨不同的波浪周期變化情況。圖9 為發電裝置輸出的峰值電壓均值與擺板的最大擺角的對應關系圖。

（3）實驗結論。由圖5 可以看出，擺板的擺角呈周期性變化，但擺角的正負幅值不同，正幅值較大。原因在于擺板在波浪推動下正向擺角逐漸增大至最大值，之后由于波浪力減小，擺板在重力作用下回擺，并由于慣性回擺到負向最大值，此后隨之波浪力的再次逐漸增大，擺板又向正向擺動，如此往復運動。

圖5 工況2時擺板的擺角隨時間變化圖

圖6 工況2時發電裝置輸出電壓隨時間變化圖

圖7 發電裝置輸出的峰值電壓均值隨波浪周期變化圖

圖8 擺板的最大擺角隨波浪周期變化圖

圖9 發電裝置輸出的峰值電壓均值與擺板的最大擺角對應關系圖

由圖6 可以看出，由于方向控制系統的作用，不管擺板正向擺動還是逆向擺動，裝置輸出電壓均為正值，而且呈周期性變化。

由圖7 和表1 可以看出，裝置輸出的峰值電壓均值隨著波浪周期的增大，逐漸增大到最大值，然后開始減小。當波浪周期為3.5 s 時，裝置輸出的峰值電壓均值達到最大值，為836 mV。此時，裝置的發電性能較好。

由圖8 和表1 可以看出，擺板的最大擺角隨著波浪周期的增大，逐漸增大到最大值，然后開始減小。當波浪周期為3.5 s時，擺角達到最大值，為26.6°。

由圖9 可以看出，隨著擺板的最大擺角逐漸增大，裝置輸出的峰值電壓均值也逐漸增大，兩者呈正相關的關系。當擺角達到最大值，為26.6°時，裝置輸出的峰值電壓均值也達到最大值，為836 mV。

2 結 語

本文通過開發具有方向控制功能的懸掛擺式波浪發電實驗裝置，并開展實驗教學，不僅可以加深學生對擺式波浪發電裝置實際運行的感性認識，而且可以使學生深入理解影響擺式波浪發電裝置運行性能的主要參數，歸納總結波浪周期、波高等因素與擺式波浪發電裝置的擺角及輸出電壓之間的影響規律。

波浪發電是一個較為復雜的系統工程，涉及到海洋工程、機械工程及力學等多個學科，包含多種影響因素。如，擺板與波浪之間的耦合作用、擺板的安全性與穩定性、齒輪傳動、電能的儲存與輸送等對擺式波浪發電裝置的性能也有影響，在下一步裝置的優化開發中將深入研究。