史宏達， 曲 娜， 曹飛飛， 韓桂萍(.中國海洋大學工程學院，山東 青島 26600；2.中國海洋大學山東省海洋工程重點實驗室，山東 青島 26600；.即墨港航管理局，山東 青島 266200)

振蕩浮子波能發(fā)電裝置浮子運動性能的試驗研究?

史宏達1,2， 曲 娜1， 曹飛飛1， 韓桂萍3
(1.中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學山東省海洋工程重點實驗室，山東 青島 266100；3.即墨港航管理局，山東 青島 266200)

振蕩浮子是當下波浪能發(fā)電裝置中的一種典型形式，其能量俘獲裝置的設計及水動力學分析是波浪能開發(fā)利用技術中的一項關鍵技術。振蕩浮子波能發(fā)電裝置采用液壓機構驅動發(fā)電機作為PTO系統(tǒng)，研究通過水工物理模型試驗的方法，以浮子的水動力性能為主要內(nèi)容，討論了浮子在波浪場作用下的運動狀態(tài)，以及考慮PTO后浮子的運動特性。通過兩者對比，得出了振蕩浮子在液壓式非線性PTO作用下運動性能，為該類裝置的實用化設計提供了參考依據(jù)。

波浪能； 振蕩浮子； PTO系統(tǒng)； 物理模型試驗

波浪能發(fā)電裝置一般涉及能量的三次轉換過程：一級轉換為吸收波浪能轉換為某種載體的機械能；二級轉換為通過一定的機械形式傳輸一級轉換的機械能并轉為穩(wěn)定的能量；三級轉換為通過發(fā)電機將機械能最終轉換為電能。根據(jù)能量一次轉換過程中機械能的形式，目前波浪能發(fā)電裝置一般分為三種形式：振蕩水柱型、越浪型、振蕩體型[1]。其中，振蕩體型被稱為第三代波浪能發(fā)電裝置，其利用漂浮或淹沒的振蕩體與波浪直接作用吸收波浪能，轉化效率高，可在不同水深條件(特別是水深超過40 m的近海區(qū)域)下工作，這些特點使得振蕩體型裝置成為當下波浪能發(fā)電裝置研發(fā)的熱點。

振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置為振蕩體型裝置的一種典型類型，因浮子尺寸相對于入射波長較小，又被稱為點吸收裝置。目前，已建成的振蕩浮子式裝置裝機容量一般在十千瓦級到百千瓦級之間，代表性裝置有美國俄勒岡州立大學的樣機L-10、瑞典IPS公司的浮子裝置、加拿大Finavera公司的AquaBuOY、愛爾蘭的Wavebob、美國OPT公司的PowerBuoy以及丹麥的Wavestar陣列裝置[2-6]。

國內(nèi)對振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置的研究開展的雖然較晚，但在近幾年取得了明顯的進步。中科院廣州能源所游亞戈、吳必軍團隊基于線性波理論研究了10 kW漂浮式直驅型發(fā)電裝置的能量轉換與負載控制等問題[7-8]。 中國海洋大學史宏達團隊研發(fā)了10 kW組合型液壓式發(fā)電裝置，針對陀螺體型浮子水動力性能與錨固等問題開展了數(shù)值模擬及物理模型試驗[9]，并完成了裝置樣機的加工與海試。

從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢來看，漂浮式振蕩浮子波能發(fā)電裝置的技術研發(fā)還存在以下環(huán)節(jié)有待進一步深入：(1)裝置在波浪與其他海洋環(huán)境作用下的六自由度運動響應，(2)錨固系統(tǒng)對裝置整體運動狀態(tài)的影響，(3)直線電機或液壓系統(tǒng)等能量二次轉換設備對浮子運動的反饋作用，(4)浮子陣列布置的優(yōu)化。

本文以振蕩浮子波浪能發(fā)電裝置為研究對象，以裝置浮子的水動力性能及液壓系統(tǒng)對浮子運動的影響為主要研究內(nèi)容，以浮子運動位移及速度作為主要表征參數(shù)，通過水工物理模型試驗，考察了波浪場對浮子運動的作用，以及考慮能量輸出系統(tǒng)(PTO系統(tǒng))后浮子的運動特性，分析了浮子在液壓系統(tǒng)作用下的俘獲寬度比，為優(yōu)化該波浪能發(fā)電裝置能量一級轉換及二級轉換環(huán)節(jié)的工作性能提供了依據(jù)。

1 振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置介紹

1.1 裝置的工作原理

波浪能發(fā)電裝置按結構功能一般可分為能量俘獲系統(tǒng)、PTO系統(tǒng)、電力變換及檢測系統(tǒng)三部分。

本文闡述的振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置其基本工作原理為：采用陀螺體型浮子隨波浪產(chǎn)生往復的垂蕩運動，完成能量一次轉換；浮子帶動液壓缸活塞桿運動，通過雙回路液壓系統(tǒng)，將浮子運動的機械能轉換為液壓能，完成能量二次轉換；后通過液壓馬達帶動發(fā)電機發(fā)電，完成能量三次轉換。示意圖如圖1所示。該裝置中，浮子結構構成裝置的能量俘獲系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)及發(fā)電機組構成裝置的能量輸出系統(tǒng)實現(xiàn)電力輸出，發(fā)電機后端的控制器、逆變器等電路元件則構成電力變換系統(tǒng)，完成供電要求。

1.2 俘獲寬度比

單寬波峰線寬度的微幅波波能功率為平均波能與波能傳播速度的乘積[10]：

，

(1)

式中：H為波高；λ為波長；T為周期；k為波數(shù)；d為水深。

根據(jù)前文所述的裝置工作原理，振蕩浮子俘獲波浪能并克服PTO系統(tǒng)的液壓阻力做功，實現(xiàn)波浪能裝置的一級能量轉換，俘獲波浪能的功率可表示為：

，

(2)

式中：FPTO為PTO系統(tǒng)對浮子施加的反力(本裝置中即為液壓反力)；v為浮子運動速度。

一次能量轉換的效率由裝置的水動力性能決定，一般用俘獲寬度比來衡量一個波浪能裝置俘獲波浪能的能力的強弱，俘獲寬度比為波浪能裝置俘獲的波浪能功率與裝置寬度內(nèi)輸入波能功率的比值。

，

(3)

式中B為波浪能裝置的迎波寬度。

為分析本裝置的俘獲寬度比，設計物理模型試驗研究，實時獲取系統(tǒng)液壓反力FPTO及浮子位移等參數(shù)。

2 物理模型試驗設計

2.1 模型比尺的確定

2.2 裝置結構形式及設計參數(shù)

試驗模型主體結構如圖2所示，其中能量捕獲系統(tǒng)由四組陀螺體型浮子組成，浮子中心開孔，通過滾輪貫穿于導向立柱上；導向立柱底部固定，上端搭建操作平臺，形成結構支撐框架。浮子質量31.5kg/個，總高度為0.33m，上部圓柱體半徑0.4m，高0.2m，下部圓臺錐角120°，自由狀態(tài)下，圓柱段幾乎全部浮于水面上，四組浮子對稱布置，中心間距均為1.2m。

能量輸出系統(tǒng)在結構上分為兩部分，一為安裝于浮子上的液壓缸，一為液壓系統(tǒng)控制柜，放置于操作平臺上，兩部分之間通過液壓油管聯(lián)通。每個浮子上安裝4個液壓缸，液壓缸活塞桿與浮子上表面固定，缸筒與導向桿固定，浮子聯(lián)動活塞桿在液壓缸內(nèi)上下作用擠壓液壓油。液壓缸缸筒內(nèi)徑16mm，活塞桿桿徑10mm，最大行程0.3m。液壓柜內(nèi)布設液壓管路、控制閥、液壓馬達、發(fā)電機等，系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

電力變換及檢測系統(tǒng)包括主回路與檢測回路兩部分，主回路通過三相整流橋、電容濾波器、用電負載實現(xiàn)整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)；檢測回路通過24V直流穩(wěn)壓電流為試驗所需的傳感器供電，后連接數(shù)據(jù)采集卡，將試驗數(shù)據(jù)進行實時采集、存儲。

2.3 試驗設備及儀器

本次試驗在山東省海洋工程重點實驗室平面隨機波流耦合水池內(nèi)完成，該水池長60m、寬40m、工作水深1.5～5m，水池一側配備低慣量伺服電機推板式造波機及造波系統(tǒng)自動控制軟件。

試驗中采用電容式波高傳感器及配套的SG2000型多功能數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)對波浪參數(shù)進行實時測量、監(jiān)控與采集。浮子運動數(shù)據(jù)采集采用拉繩式位移傳感器，由于四組浮子對稱放置，可認為同一波峰線上的兩浮子運動狀態(tài)相同，故僅采集同側的前后兩浮子。液壓系統(tǒng)內(nèi)安置陶瓷厚膜傳感器，采集浮子上四個液壓缸高壓油路處壓強(安裝位置見圖3)。浮子運動、液壓系統(tǒng)中所測數(shù)據(jù)通過多通道高速數(shù)據(jù)采集卡采集，并利用Labview開發(fā)數(shù)據(jù)采集界面進行數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲及查詢。2.4 試驗內(nèi)容及工況設計

為更好的考察入射波參量和液壓系統(tǒng)對裝置的水動力學性能的影響，試驗主要從以下幾個方面進行。

(1)裝置不連接PTO系統(tǒng)，單排浮子工作，考察入射波因素對浮子運動的影響：鎖定后排浮子，使之遠離水面不隨波浪振蕩，觀測單排浮子在無液壓阻力作用時，隨波浪沿導向柱自由振蕩的運動形態(tài)；

(2)裝置接入PTO系統(tǒng)，單排浮子工作，考察PTO系統(tǒng)對浮子水動力性能的影響：開啟聯(lián)通后排浮子液壓缸上下腔的所有球閥，使后排浮子液壓缸無法工作，觀測單排浮子在液壓阻力作用下的運動形態(tài)，同時考察液壓系統(tǒng)內(nèi)壓強與浮子運動之間的關系；

(3)雙排浮子工作，考察前后兩排浮子運動的相互影響：分別觀測試驗裝置在無PTO系統(tǒng)和有PTO系統(tǒng)作用時，四組浮子同時工作的運動形態(tài)(見圖4)。

(a. 未連接PTO系統(tǒng)；b. 接入液壓PTO系統(tǒng)。a.ModelwithoutPTOsystem;b.ModelwithhydraulicPTOsystem.)

圖4 裝置浮子在波浪場中的運動

Fig.4Movementsofbuoysinwavefield

根據(jù)原型樣機海上試驗海域的波浪條件和選定的試驗比尺，試驗設計波浪環(huán)境選用規(guī)則波，波高10～25cm，周期1.5～2.5s，試驗水深0.8m，共設計工況50組，具體可參見表1。

3 試驗結果分析

浮子主要從運動位移和速度兩組數(shù)據(jù)進行分析，浮子位移通過位移傳感器連接多通道高速數(shù)據(jù)采集卡采集，采集頻率25Hz，浮子速度則根據(jù)位移實時數(shù)據(jù)推算，且對所有原始數(shù)據(jù)進行低通濾波處理。

3.1 單排浮子運動性能分析

3.1.1 入射波要素的影響 為研究入射波要素對浮子運動的影響，特將浮子在不同波況下的每次運動的最大行程的平均值、上下行運動速度平均值進行了對比(見圖5)。

浮子在無PTO系統(tǒng)影響下，隨波浪做單自由度振蕩，其運動行程隨入射波波高的增大而增大，隨周期變化存在極值點。入射波周期較短時，由于波浪本身能量較低，浮子行程未能達到入射波波高；入射波周期在2.25s左右，浮子行程較大，可超過入射波高。浮子運動速度隨入射波高的增大而增大，其中上行在波浪周期為2.25s時有極大速度，下行在短周期波浪下速度較大，特別在波高為0.25m，周期為1.5、1.75s時，浮子下行速度明顯高于較其他波浪條件下的浮子速度。

浮子上端連接PTO系統(tǒng)后，浮子受到波浪力、自身重力外，還收到液壓缸內(nèi)液壓反力作用，浮子運動位移和速度情況較自由振蕩時均有所改變：在PTO系統(tǒng)的作用下，浮子在波高和周期都較大的波況下表現(xiàn)出較大的運動行程，在大波高小周期下表現(xiàn)出較大的行運動的平均速度出現(xiàn)極大值。比較浮子上下行速度，波浪周期超過1.75s后，上行平均速度稍大于下行平均速度，該結果與所選取的浮子質量大小有關，若增大浮子質量增大，重力對浮子運動的影響加大，上、下行平均速度會接近，甚至下行速度超過上行速度。3.1.2 液壓系統(tǒng)的影響 為分析液壓系統(tǒng)對浮子運動的影響，將裝置在有無液壓作用下的運動情況進行對比。選取波高0.25m，周期1.75s的入射波況，繪制浮子運動時程曲線。

(a. 浮子行程；b. 上行平均速度；c. 下行平均速度。a.Amplitudeofbuoy;b.Averageupwardvelocity;c.Averagedownwardvelocity.)

圖5 入射波要素對浮子運動的影響

Fig.5Effectofincidentwaveconditionsonthemovementofbuoy

圖6為浮子位移在有無液壓缸作用下的過程線對比，其中位移為正代表浮子在靜水面以上，位移為負代表浮子在靜水面以下，通過對比分析得出：液壓設備并未對浮子的運動周期產(chǎn)生影響，浮子上下振蕩的周期仍受波浪周期控制，與波浪周期一致；由于受到液壓阻礙作用，浮子在運動的最高點及最低點較自由振蕩時存在滯留，最低點滯留時間較長；液壓作用明顯縮小了浮子的運動振幅，受液壓作用的振幅大約是浮子自由振蕩時運動幅度的一半，且浮子在靜水面以下的運動位移受液壓作用的限制影響更大。

圖7為浮子速度在有無液壓缸作用下的過程線對比，其中速度為正代表浮子上行運動，速度為負代表浮子下行運動，通過對比分析得出：安裝液壓設備后，浮子運動速度變化趨勢與自由振蕩時大致相同；浮子速度大小較自由振蕩時有所減小，且對浮子下行速度影響更為明顯；浮子運動到最低處滯留時間延長，即速度為零的時間增多。

液壓系統(tǒng)對浮子運動的阻礙作用在浮子運動行程和運動速度上均有表現(xiàn)，且對浮子下行運動的影響較大。浮子向下運動時，除了受到波浪的浮托作用外，隨著液壓缸有桿腔內(nèi)系統(tǒng)壓力的升高，液壓阻力變大，因此下行速度減小。當浮子運動到最低處時，系統(tǒng)內(nèi)壓力升至最高，因此在下一個波峰到達前，浮子不再繼續(xù)下行，而產(chǎn)生短時間滯留。

3.1.3 浮子運動與系統(tǒng)壓力 仍以波高0.25m，周期1.75s的試驗數(shù)據(jù)為例，分析浮子運動與系統(tǒng)壓力之間的關系，繪制浮子位移—系統(tǒng)壓力、浮子速度—系統(tǒng)壓力時程曲線，如圖8、9所示，其中實線為浮子位移或速度，虛線為系統(tǒng)壓力。

從圖中可分析得出：當浮子做下行運動時，液壓系統(tǒng)內(nèi)壓力升高，浮子下落在最低點再次受波浪力向上運動時，系統(tǒng)壓力開始減小。壓力單向遞增(或單向遞減)的過程，對應著浮子從最高點(最低點)經(jīng)過平衡位置到最低點(最高點)過程，即為速度由零升到最高后又降為零的過程。系統(tǒng)壓力隨時間變化呈類正弦曲線，與浮子位移變化相差1/2個相位，與浮子速度變化越相差3/4個相位。

由于本試驗裝置的液壓系統(tǒng)中并未設計蓄能機構，液壓系統(tǒng)存在明顯的間斷性輸出，因此系統(tǒng)壓力不會穩(wěn)定在某一壓力值上，而是出現(xiàn)上文描述中的類正弦變化。具體來講，浮子向下運動時，擠壓液壓缸有桿腔內(nèi)液壓油，因為此時系統(tǒng)壓力未到液壓馬達啟動壓力，系統(tǒng)內(nèi)壓力不斷升高，當升高到一定壓力時，驅動液壓馬達轉動，此時系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生流量并伴隨著壓力降低。浮子向上運動時，即擠壓無桿腔內(nèi)液壓油時，并未產(chǎn)生壓力貢獻，可初步判斷其原因是，當浮子處于上升階段，液壓馬達正在轉動，由于系統(tǒng)內(nèi)液體產(chǎn)生流速，因此系統(tǒng)壓力變小。

不考慮浮子在最低端時的滯留，針對浮子上、下行分別繪制位移—壓力、速度—壓力散點圖(見圖10)。圖中能更清晰的看出，系統(tǒng)壓力與浮子位移成規(guī)律的負相關關系，浮子在最底端時系統(tǒng)內(nèi)積蓄的壓力最高，最頂端時系統(tǒng)壓力釋放為零；無論是浮子上行或下行，系統(tǒng)壓力與浮子速度變化不存在一一對應關系。

3.2 雙排浮子運動相互影響分析

前后兩排浮子同時工作時，兩排浮子運動形式一致，均呈準正弦變化，兩者間運動行程與周期大致相同，由于受波浪作用的時間不同，存在運動上的相位差異；對浮子施加液壓作用后，前后兩排浮子的運動形式仍一致，其運動行程、周期及相位表現(xiàn)的規(guī)律與未加PTO系統(tǒng)時表現(xiàn)相同。

表2分析了波高20cm，周期1.5～2.5s時，裝置在無PTO系統(tǒng)時和液壓作用下，前后兩排浮子運動的相位差異。對比發(fā)現(xiàn)，裝置在自由振蕩時，前后排浮子運動時程曲線的相位差和兩排浮子間距與入射波長的比值相差無幾，說明前后兩排浮子運動相互獨立，分別受入射波控制，相互之間不會對彼此運動的周期和相位產(chǎn)生影響；裝置接入液壓系統(tǒng)后，前后相位差基本仍受入射波控制，只是較略自由振蕩時略有減小，表明液壓系統(tǒng)的加入對前后浮子運動產(chǎn)生了一定的趨同效應。

3.3 浮子俘獲寬度比分析

表3中浮子的轉換功率一列呈現(xiàn)的規(guī)律與圖5中呈現(xiàn)的浮子在液壓作用下運動的平均速度規(guī)律一致，浮子在周期為1.5和1.75 s的工況下轉換功率較大。通過數(shù)據(jù)分析得知，在入射波高相同的情況下，雖然入射周期不同，但液壓系統(tǒng)內(nèi)工作壓力相差不大，因此浮子轉換功率受到運動速度影響。在短周期下，雖然入射波能功率小，但浮子運動平均速度大，表現(xiàn)出較好的工作效率，俘獲寬度比高。

另外，試驗裝置表現(xiàn)出一次轉換效率在15%～25%左右，若再對裝置進行負載優(yōu)化并設計穩(wěn)壓蓄能系統(tǒng)，會有效的提高系統(tǒng)工作壓力，所以該轉換效率有待進一步提高。

4 結論

本水工物理模型試驗主要進行了振蕩浮子波浪能發(fā)電裝置浮子結構在液壓式PTO系統(tǒng)作用下的運動系能分析研究，研究發(fā)現(xiàn)：

(1)僅在入射波作用下，浮子的運動隨波性強，當入射波為規(guī)則正弦波時，浮子位移也呈準正弦變化，運動周期與入射波周期一致，運動行程及速度隨入射波波高的增大而增大。

(2)在波浪及PTO系統(tǒng)的共同作用下，液壓設備對浮子的隨波運動產(chǎn)生阻礙作用，浮子運動周期仍受入射波周期控制，位移與速度變化趨勢與自由振蕩時基本一致，但運動行程約減小為自由振蕩時的一半，平均速度也大致減半。

(3)浮子下行，液壓缸有桿腔內(nèi)液體做功時，系統(tǒng)內(nèi)壓力增高，PTO系統(tǒng)對浮子運動阻礙作用增強，浮子運動表現(xiàn)出下行振幅及下行速度較僅在波浪作用時明顯減小，浮子在運動到最低處存在明顯的滯留狀態(tài)。

(4)由于試驗裝置的液壓系統(tǒng)中未設計液壓蓄能環(huán)節(jié)，液壓馬達呈間斷性轉動，系統(tǒng)壓力隨浮子位移呈負相關關系，兩者之間相差半個相位差，系統(tǒng)壓力與浮子速度大小并不存在一一對應關系。

(5)前后兩排浮子的運動在相位表現(xiàn)上相對獨立，但在運動行程及速度方面有無干擾或者促進影響，有待進一步通過研究波浪場的變化進行分析。

(6)試驗裝置浮子的一級能量轉換效率在15%～25%左右，且受浮子運動速度影響較大，為進一步優(yōu)化裝置工作性能，裝置仍需設計液壓蓄能環(huán)節(jié)，以提高系統(tǒng)內(nèi)壓力變化對轉化效率的貢獻。

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責任編輯 陳呈超

Experimental Study on Movement Performance of Oscillating Buoys WEC

SHI Hong-Da1,2， QU Na1，CAO Fei-Fei1，HAN Gui-Ping3
(1. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. The Key Laboratory of Ocean Engineering of Shandong Province, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. Administration for Port & Shipping of Jimo, Qingdao 266200, China)

Oscillating buoy device, also known as point absorber, is a kind of typical wave energy converter (WEC) that has been widely developed. The advantage of the device is obvious for its simple structure and less cost. In the process of research and development of oscillating buoy, the design and hydrodynamic analysis of the part of energy absorbing structure is one of the key technical problems. The purpose of this paper is to find out the hydrodynamic performance of the oscillating buoys under the action of both wave and power take-off (PTO) system, with an emphasis on PTO effects on the motion of buoys. The oscillating buoy WEC introduced in the paper is equipped with four gyro-shaped absorbers and a hydraulic PTO system driving the generator. By the means of physical model experiment, the time history curves of the buoy motion in different regular waves and under the cominbed wave-PTO effect are given. Compared with the buoy motions without PTO effect, the movement amplitude, speed of buoys with a non-linear hydraulic PTO system decrease to about half. It means that PTO system makes a damping effect on the movement of buoy. The primary stage and second stage in the energy conversion of oscillating buoy WEC are involved in the research. It is found that the system pressure fluctuates with the wave motion and cannot be kept at a stable level. As a result, the energy output of the device is unstable and periodically repetitive, which leads to small capture width and low conversion efficiency. Therefore, a energy storage system such as accumulators with relevant control strategy is recommended to be applied into the hydraulic system in the second stage of the energy conversion. The results of the physical model experiment offer valuable suggestions to the practical design of this type of WEC.

wave energy; oscillating buoys; PTO system; physical model experiment

國家高技術研究發(fā)展計劃項目(2012AA052601)；國家自然科學基金委員會資助項目(41376100)；山東省科技重大專項(201422CX06105)；山東省自然科學基金項目(JQ201314)；青島市科技發(fā)展計劃項目(13-4-1-38-hy)資助 Supported by National High Technology Research and Development Program of China(2012AA052601);National Natural Science Foundation of China(41376100);Shandong provincial Innoration Special Project(201422CX06105);Shandong Natural Science Funds for Distinguished Young Scholar(JQ201314);Qingdao Municipal Science and Technology program(13-4-1-38-hy)

2015-01-26;

2016-03-20

史宏達(1967-)，男，教授，博導，從事海洋可再生能源利用及實用化技術開發(fā)領域。E-mail:hd_shi@ouc.edu.cn

TK79

A

1672-5174(2017)06-124-07

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