陳遠(yuǎn)明， 周昭民， 樊天慧， 周斌珍*， 何春杉

(1. 華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510641；2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

傳統(tǒng)化石能源難以滿足未來(lái)能源需求，可再生能源的開(kāi)發(fā)利用變得更加迫切[1]。全球可開(kāi)發(fā)的波浪能年儲(chǔ)量可達(dá)2 TW[2]，大力發(fā)展海洋波浪能對(duì)緩解我國(guó)能源壓力、調(diào)整國(guó)家能源結(jié)構(gòu)和發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)具有重要意義[3]。

波浪能發(fā)電裝置按照波能俘獲原理可分為振蕩水柱式、擺式、筏式、聚波越浪式、點(diǎn)吸收式、鴨式等[4]。擺式裝置的優(yōu)點(diǎn)為設(shè)備制造相對(duì)簡(jiǎn)單、波浪能利用效率較高。但擺式裝置外露的發(fā)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)易受波浪沖擊和海水腐蝕導(dǎo)致?lián)p壞[5]。國(guó)外較典型的擺式發(fā)電裝置有丹麥Wavestar裝置[6]、法國(guó)SEAREV裝置[7]和英國(guó)Lancastar大學(xué)的Forg裝置[8]。對(duì)于國(guó)內(nèi)擺式波浪能發(fā)電裝置：國(guó)家海洋技術(shù)中心2012年在大管島建造1座裝機(jī)功率為100 kW的擺式波浪能發(fā)電站，裝置連續(xù)工作超過(guò)2個(gè)月：浙江大學(xué)提出漂浮擺式與漂浮擺-斜坡組合的浮力擺波浪能裝置，對(duì)裝置的水動(dòng)力特性和功率控制技術(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)[9-10]；中國(guó)科學(xué)院廣州能源所設(shè)計(jì)的10 kW“鷹式一號(hào)”波浪能發(fā)電裝置無(wú)故障海上連續(xù)運(yùn)行6個(gè)月，裝置提高發(fā)電性能的穩(wěn)定性和連續(xù)性，始終保持高效運(yùn)行[11-12]；廣州能源所在“鷹式一號(hào)”基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)120 kW的“萬(wàn)山號(hào)”發(fā)電裝置，該裝置為船舶與波浪能轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)合體，并可在裝置頂部加裝太陽(yáng)能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等多能互補(bǔ)裝置[13]。

本文設(shè)計(jì)一種密閉型自適應(yīng)潮位擺板式波浪能發(fā)電裝置，該裝置利用擺板與主體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。先對(duì)裝置外部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、擺板驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)錨索收放單元結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，闡明其工作原理；然后在波浪水池中進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，結(jié)合不同工況的試驗(yàn)結(jié)果分析，得到裝置不同參數(shù)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律；同時(shí)也驗(yàn)證發(fā)電裝置設(shè)計(jì)的合理性，為實(shí)海況裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 擺板式波浪能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

1.1 裝置外部結(jié)構(gòu)

密閉型自適應(yīng)潮位擺板式波浪能發(fā)電裝置由密閉主體及其內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、擺板、擺架、錨索和沉塊構(gòu)成，如圖1所示。密閉主體下端通過(guò)錨索與海底沉塊相連，四周通過(guò)擺架與4個(gè)擺板連接，擺板可繞擺架與密閉主體間的鉸接橫軸擺動(dòng)，從而帶動(dòng)密閉主體內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)4個(gè)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。

注：1. 密閉主體；2. 擺板；3. 擺架；4. 錨索；5. 沉塊圖1 密閉型自適應(yīng)潮位擺板式波浪能發(fā)電裝置外部結(jié)構(gòu)

1.2 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，其安裝4組發(fā)電裝置，每組發(fā)電裝置由長(zhǎng)短擺桿、搖臂、單向離合器、慣性輪和發(fā)電機(jī)等組成。每塊擺板通過(guò)長(zhǎng)擺桿帶動(dòng)搖臂驅(qū)動(dòng)1個(gè)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

注：1. 單向離合器；2. 發(fā)電機(jī)；3. 橫軸；4. 慣性輪；5. 長(zhǎng)擺桿；6. 短擺桿；7. 搖臂圖2 密閉型自適應(yīng)潮位擺板式波浪能發(fā)電裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 擺板驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)

擺板驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中擺板形狀采用鷹式設(shè)計(jì)[14]，內(nèi)部中空使其自身具有浮力。擺板上表面采用弧線形設(shè)計(jì)，由于在水線過(guò)高時(shí)波浪沖擊可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)多積水殘留于上表面，會(huì)抑制擺板向上的浮力，從而影響擺動(dòng)幅度，因此采用弧形設(shè)計(jì)能有效避免此問(wèn)題。擺板下表面內(nèi)凹，增大與波浪的接觸面，可最大限度地利用波浪所提供的壓力，更好地俘獲波浪能。密閉主體四周對(duì)稱設(shè)置4個(gè)鷹式擺板，能充分俘獲各方向波浪能。

注：1. 軸承座；2. 軸承；3. 凸臺(tái)；4. 密封墊圈；5. 球節(jié)點(diǎn)；6. 橫軸；7. 喉箍；8. 錐形波紋軟管；9. 管環(huán)圖3 擺板驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)示例

擺架結(jié)構(gòu)包含長(zhǎng)擺桿和短擺桿，長(zhǎng)、短擺桿通過(guò)球節(jié)點(diǎn)和橫軸與密閉主體連接，連接處還設(shè)置凸臺(tái)、錐形波紋軟管和密封墊圈等，使擺桿既可自由擺動(dòng)又可實(shí)現(xiàn)多重隔水密閉作用，有利于內(nèi)部構(gòu)件不受海水腐蝕。

1.4 自適應(yīng)錨索收放單元結(jié)構(gòu)

密閉主體內(nèi)部由上至下分為發(fā)電艙、蓄電艙和錨索艙，如圖4所示。發(fā)電艙所發(fā)電能輸送至蓄電艙內(nèi)蓄電池組儲(chǔ)存。錨索艙設(shè)置電動(dòng)絞車和壓力傳感器，通過(guò)壓力傳感器感應(yīng)裝置吃水大小，并自動(dòng)控制電動(dòng)絞車收放鋼索，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)適應(yīng)潮位，使裝置處于最佳吃水狀態(tài)。

注：1. 滑輪；2. 錨索；3. 發(fā)電艙；4. 蓄電艙；5. 蓄電池組；6. 電動(dòng)絞車；7. 錨索艙；8. 喉箍；9. 底部掛鉤塞；10. 波紋軟管；11. 導(dǎo)纜管；12. 壓力傳感器；13. 隔水管圖4 裝置內(nèi)部自適應(yīng)錨索收放系統(tǒng)

2 模型試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)置

模型試驗(yàn)在華南理工大學(xué)波浪水池中進(jìn)行，水池一端設(shè)置造波機(jī)，另一端設(shè)置消波堤，模型放置在距造波機(jī)10 m處，如圖5所示。

圖5 模型試驗(yàn)布置

模型總長(zhǎng)為1.52 m，主體上半部分為正方體、邊長(zhǎng)為0.60 m，下半部分為倒置的正三角錐、斜邊為0.55 m，設(shè)計(jì)吃水約0.35 m，重約68 kg，如圖6所示。

單位：mm圖6 模型尺寸

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

在波浪水池中開(kāi)展波高、周期等影響因素下裝置性能試驗(yàn)。采用控制變量法改變裝置中的單個(gè)參數(shù)以進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，開(kāi)展擺板形狀、錨泊方式、迎浪方向和負(fù)載能力的研究。試驗(yàn)擺板選擇鷹式、窄平板式、寬平板式。錨泊方式選擇四點(diǎn)懸鏈?zhǔn)胶退狞c(diǎn)張緊式。擺板迎浪方向選擇正向和斜45°浪向。負(fù)載能力選擇4種不同勁度系數(shù)的彈簧。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 不同形狀擺板試驗(yàn)

試驗(yàn)波高選為0.06 m，波浪周期分別為0.8 s、0.9 s、1.0 s、1.1 s、1.2 s、1.3 s、1.4 s。選用四點(diǎn)懸鏈?zhǔn)藉^泊，擺板形狀選用鷹式、窄平板式和寬平板式等3種形式，如圖7所示。圖8為3種擺板在不同周期波浪作用下擺板相對(duì)主體的擺動(dòng)角度關(guān)系圖。由圖8可知，鷹式擺板的擺動(dòng)角度明顯大于另外2種形式，更有利于波浪能的俘獲。對(duì)于3種形式的擺板，使其擺角最大的最佳波浪周期均在1.0 s附近?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析表明，若采用懸鏈錨泊，當(dāng)波浪周期相位可使擺板處于波峰而主體恰好處于波谷(或當(dāng)擺板處于波谷、主體剛好處于波峰)時(shí)，擺板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)最劇烈，此時(shí)的波浪周期也是裝置的最佳周期。也就是說(shuō)，當(dāng)擺板入水部分的形心至主體入水部分的形心間的距離約為波長(zhǎng)的一半時(shí)，擺板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，必須使該參數(shù)與實(shí)際海況的波長(zhǎng)相匹配，才更有利于波浪能的吸收。

圖7 擺板形狀

圖8 不同形狀擺板擺角幅值

2.3.2 不同錨泊方式試驗(yàn)

波高選為0.06 m，波浪周期分別為0.7 s、0.9 s、1.4 s、1.8 s。擺板選用鷹式擺板，采用四點(diǎn)張緊式和四點(diǎn)懸鏈?zhǔn)絻煞N錨泊方式，如圖9所示。圖10給出2種錨泊方式下4塊擺板擺角總和隨波浪周期變化曲線。由圖10可知，由于懸鏈錨泊方式未能較好地限制主體的垂向運(yùn)動(dòng)，整個(gè)裝置隨波逐流，其存在一個(gè)擺角最大的最優(yōu)波浪周期(該結(jié)論與第2.3.1節(jié)試驗(yàn)吻合)。對(duì)于張緊式錨泊方式，由于其限制了主體的垂向運(yùn)動(dòng)，因此擺板相對(duì)于主體的擺角明顯增大，特別當(dāng)波浪周期越大時(shí)，限制主體垂向運(yùn)動(dòng)對(duì)波浪能的吸收越有利。這也驗(yàn)證了本裝置的自適應(yīng)錨索收放系統(tǒng)使錨索一直處于張緊狀態(tài)的必要性和重要性。

圖9 錨泊示例

圖10 不同錨泊方式下擺板總擺角幅值

2.3.3 不同迎浪方向試驗(yàn)

波高選為0.06 m，波浪周期分別為0.7 s、0.9 s、1.4s、1.8 s。錨泊方式為四點(diǎn)懸鏈?zhǔn)?，波浪入射方向分別為0°(見(jiàn)圖5)和45°(見(jiàn)圖11)。圖12給出不同周期情況下2種波浪入射方向的擺板擺角幅值總和對(duì)比。裝置在2種浪向下均能吸收一定的波浪能，在0.7 s周期下，斜45°入射的裝置擺角幅值總和大于0°入射，在0.9 s、1.4 s、1.8 s 周期下，0°入射的裝置擺角幅值總和均大于斜45°入射。在一定的周期范圍內(nèi)，擺板正向迎浪布置更利于裝置吸收波浪能量。

圖11 45°浪向布置

圖12 不同入射浪向下擺板總擺角幅值

2.3.4 不同負(fù)載能力試驗(yàn)

波高選為0.06 m，波浪周期為0.1 s，波浪正向入射，采用鷹式擺板和四點(diǎn)懸鏈?zhǔn)藉^泊，選取勁度系數(shù)為163.33 N/m、980.00 N/m、1 225.00 N/m、4 620.70 N/m的彈簧模擬負(fù)載。圖13給出裝置的單個(gè)擺板吸收波浪能功率與彈簧勁度系數(shù)關(guān)系。在試驗(yàn)選取的范圍內(nèi)，當(dāng)彈簧勁度系數(shù)為980 N/m時(shí)，擺板吸收功率(約0.77 W)達(dá)到最大。在對(duì)裝置的發(fā)電功率進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，應(yīng)選擇合適的負(fù)載以增大發(fā)電功率。

圖13 不同勁度系數(shù)下擺板發(fā)電功率

3 結(jié) 論

(1) 提出一種新型密閉式自適應(yīng)潮位擺板式波浪能發(fā)電裝置：密閉型主體使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)密封于主體內(nèi)，不與海水接觸，耐腐蝕、易維護(hù)；通過(guò)自適應(yīng)錨索收放系統(tǒng)使裝置適應(yīng)潮位的變化，且使錨索始終處于張緊狀態(tài)，有利于波浪能的吸收；采用搖臂直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，省去中間環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)化效率更高。

(2) 通過(guò)模型試驗(yàn)得到波浪作用下裝置在不同參數(shù)下的響應(yīng)規(guī)律：鷹式擺板俘獲波浪功率最優(yōu)、張緊式錨泊方式更有利于波浪能的吸收、擺板正向迎浪布置較斜浪更好、擺板的發(fā)電功率與負(fù)載大小存在最佳匹配關(guān)系。在對(duì)裝置尺寸進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際海況進(jìn)行綜合考慮。

(3) 更多參數(shù)包括主體形狀、主體與擺板間的大小比例、擺板和主體的各自配載、裝置的不同吃水狀態(tài)等工況還需進(jìn)一步研究。