張虎 樊后朋
摘 要:擺式波能發(fā)電裝置具有較高的轉(zhuǎn)換效率,近年來獲得眾多學(xué)者的關(guān)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(fā)電裝置水動力特性的影響。在此基礎(chǔ)上求解考慮動力攝取系統(tǒng)的Cummins方程計(jì)算瞬時(shí)功率和平均功率。進(jìn)一步分析了擺板厚度對擺式波能發(fā)電裝置瞬時(shí)功率的影響和動力攝取系統(tǒng)的阻尼系數(shù)對擺式波能發(fā)電裝置平均功率的影響。
關(guān)鍵詞:波浪能;勢流理論;頻域;時(shí)域;瞬時(shí)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(fā)電裝置被開發(fā)出來[1]。其中擺式波能發(fā)電裝置(如圖1所示)主要由擺板、動力攝取系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)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(yùn)動,進(jìn)而將波浪能轉(zhuǎn)化為電能[2]。
1 頻域勢流理論
假定流體不可壓縮,無粘性,運(yùn)動無旋。速度勢滿足拉普拉斯方程:
4 水動力特性數(shù)值模擬及結(jié)果分析
4.1 裝置模型
本研究中簡化的浮力擺波能轉(zhuǎn)換裝置由擺板和基座組成(它們之間由平面鉸連接,同時(shí)通過線性阻尼器轉(zhuǎn)換能量MPTO(t)=-BPTOθ·(t),BPTO為線性阻尼系數(shù)),其主要參數(shù)如下表所示[5],分別建立1.8m和0.6m兩種厚度的擺板,計(jì)算時(shí)選擇水深h=10.9m。建立的簡化的浮力擺與坐標(biāo)系統(tǒng)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(wǎng)格(如圖3所示)。坐標(biāo)系原點(diǎn)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(jié)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(zhì)量與波浪周期的關(guān)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(zhì)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(jì)算結(jié)果和擺板類似,但峰值遠(yuǎn)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(shù)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(shí)域分析及結(jié)果
將AQWA的水動力分析結(jié)果導(dǎo)入開源分析軟件WEC-Sim[5],并在WEC-Sim里設(shè)置波浪參數(shù),本文采用規(guī)則波和線性動力攝取系統(tǒng)。數(shù)值分析時(shí),前100s為啟動時(shí)間,100s波浪趨于穩(wěn)定。
5.1 擺板厚度對功率的影響
時(shí)域模擬時(shí)取波高為1.75m,波浪周期為8.12s,選取動力攝取系統(tǒng)的阻尼系數(shù)為6e6Nms/rad。使用WEC-Sim進(jìn)行時(shí)域分析,得到擺板運(yùn)動情況和瞬時(shí)發(fā)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(yùn)動和發(fā)電功率變化趨勢一樣,但1.8m厚度擺板的運(yùn)動幅值大,導(dǎo)致其發(fā)電效率較0.6m厚度擺板高。
5.2 動力攝取系統(tǒng)阻尼對發(fā)電效率的影響
在時(shí)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(shù)BPTO導(dǎo)致平均發(fā)電功率的變化如圖12所示:
由圖可見,當(dāng)BPTO→0時(shí),平均功率趨近于0;當(dāng)BPTO→∞時(shí),平均功率趨近于0,平均功率在所研究范圍內(nèi)存在最大值,對應(yīng)的最優(yōu)線性阻尼系數(shù)為5e7Nms/rad。
6 結(jié)論
本文使用ANSYS AQWA軟件建立擺板水動力計(jì)算模型,分析兩種厚度擺板和基座的水動力特性,結(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于擺板。研究中將ANSYS AQWA分析的水動力結(jié)果導(dǎo)入WEC-Sim中進(jìn)行時(shí)域分析,采用規(guī)則波和線性動力攝取系統(tǒng),在時(shí)域分析了擺板厚度和阻尼系數(shù)對發(fā)電功率的影響。結(jié)果表明,1.8m厚度的擺板擺幅較大,其發(fā)電功率較高;波浪條件固定時(shí),存在最佳阻尼系數(shù),使發(fā)電裝置的平均功率最大。
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