浮力摆式波浪能发电装置模型试验.pdf

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1、第32卷第1期2013年3月海洋技术OCEANTECHNOLOGYV01．32．No．1Mar，2013浮力摆式波浪能发电装置模型试验王锰1，李蒙1，夏增艳1，胡振峨2，王兵振1f1，国家海洋技术中心，天津300112；2．山东省即墨市海洋与渔业局，山东青岛266200)摘要：设计了一种浮力摆式波浪能发电装置，并根据其原理在实验室中开展比例模型试验。介绍了该装王的设计原理、试验原理，试验设计以及数据处理与结果分析，并在实验室模拟波况下，绘制出了波浪能装置的转换效率曲线。试验显示，该波浪能发电装置具有性能稳定，能量转换效率较高，能适应小

2、波浪发电等特点。关键词：浮力摆式；波浪能；发电装置；模型试验中图分类号：Iy743．2文献标志码：A文章编号：1003-202912013}01-0079--04在能源消费量持续攀升和传统能源日趋短缺的环境下，新能源开发已经成为大势所趋。波浪能作为其中的一个研究热点，在经过多年的技术积累后现已逐步接近实用化水平【lI。在多种形式的波浪能发电装置中，浮力摆式波浪能发电技术是新近发展起来的一项技术，同时也是研究的重点。目前，英国贝尔法斯特女王大学研制的Oyster波浪俘获装置已成功下水示范运行冈。本文设计了一种浮力摆式波浪能俘获装置，通过

3、开展1：5比例模型试验，对系统的可行性及装置的转换效率等问题进行了研究。1发电装置工作原理1．1系统工作原理摆式波浪能发电系统模拟装置主要由波浪能俘获部分、液压转换部分及水轮机发电部分组成。其中摆板、液压缸、摆板底座、重力式基础位于水下。摆板的摆动轴线置于摆板的底部，液压缸与摆板、底座间均通过铰链连接。在波浪作用下，摆板绕转轴往复摆动，从而带动液压缸活塞实现往复直线运动。当液压缸做活塞运动时，将从液压缸中排出带有一定压力的水。通过管路将水输送到实验台上，带动水轮机发电。系统方案如图1所示。1．2摆式波浪能装置动力特性分析摆式波浪能发电

4、装置在波浪作用下的动力响应过程可以近似简化为一个二阶振动系统㈣，摆板的运动方程如以下方程式：(，+，1)莎+(Ⅳ+Ⅳ1)矽+K8=Msin601其稳态输出为：9：，—————丝二——一sH∞f-鳓√(，+‘)2(牙一∞2)2+(Ⅳ+M)2∞2‘收稿日期：2012—04—1l基金项目：国家科技支撑计划资助项E](2008BAAl5802)作者简介：王锰(1988一)，男，本科，研究方向为海洋能装置检测技术。图1系统工作示意图山由稳态输出计算公式可以明显看出，当摆板在水中的固有圆频率和波浪的圆频率相等时，即可获得较大的摆动角度，从而得到能

5、量转化效率的极限值。不难看出，波浪周期是影响摆板转换效率的关键因素。设计工作重点围绕使摆板适应当地的波周期来开展。2装置设计2．1站址海域波浪周期特性根据之前项目对站址海域进行的波浪、潮汐调查与分析等工作，得到的站址海域设计波要素和潮汐变化情况如图2所示。根据图2分析可知全年平均周期约为3．22s，但在波浪资源较好的夏季则平均周期约为4．0S。因此拟研建的浮力摆式波浪能发电装置的最佳工作波况对应的平均周期应在1．9～4．0s之间，且尽量靠近4．0S。2．2装置尺寸在数值分析的基础上，初步设计了摆板结构。摆板装置海洋技术第32卷∽＼蚕蛋

6、筵嫠1234567891O1112月份图2平均周期累年各月变化图由5个空心钢管和筋板组成，摆板空心钢管外径为qb920mm，壁厚8mm，宽度6900mm。总重约为11．74t，摆板全部没入水中时浮力约为23t。摆板结构如图3。3试验验证图3浮力摆装置图3．1模型比尺的确定根据实型机的尺寸设计一种流体模型实验，确切地说是一种液流模型实验，它要求原型液流和模型液流在力学上相似。力学上相似的两液流应当满足几何相似、运动相似、动力相似和边界条件相似的要求。实体和模型满足几何相似的条件是两者的所有各项相应的线性尺度之比为常数。等=蚤B=鲁d=A

7、L。。一式中：A为缩尺比。实体和模型相应的体积△。△。之比为：垒：A，△。一实验主要是研究装置在波浪作用下的输出功率以及效率，这种情况下，重力和惯性力是决定其受力的的主要因素。因此模型实验中应满足弗劳德相似定律，即模型和实体的弗劳德数(Fr)相等，以保证模型和实体之间重力和惯性力正确的相似关系。此外，物体在波浪上的运动和受力带有周期变化的性质，模型和实体还必须保持斯特劳哈尔数$r)相似。实验模型的尺度、材质的选择与实验目的密切相关。根据本实验的目的，对模型的主要控制要素是模型的大小、水槽的相关尺度、水槽所能模拟波浪的能力。由此确定本实

8、验的模型比尺为l：5。由于加工等限制，难以完全实现几何相似。因此，对主体尺寸方面作了细微变化，装置基本满足几何相似原理。模型摆板绕其回转轴转动，在尺寸方面完全与设计方案成比例，因此满足运动相似准则。表1摆板主体原型和模型