張士琢，孫亮，徐琳

基于機(jī)械整流式PTO的擺式波浪能發(fā)電裝置研究

張士琢1，孫亮2，徐琳1

（1.武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430223）

海洋波浪能作為一種新型能源，具有較大的潛力。近些年擺式波浪能發(fā)電裝置由于其優(yōu)良的性能成為學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)，但是現(xiàn)階段擺式波浪能發(fā)電裝置大多采用液壓傳動(dòng)的方式，使裝置只能俘獲單方向的波浪。通過(guò)借鑒電路系統(tǒng)中整流電路的概念，完成了機(jī)械整流式PTO（動(dòng)力輸出）方案的設(shè)計(jì)。之后通過(guò)試制比例樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在波浪條件為0.1 m/0.2 s的情況下，裝置的平均發(fā)電功率為1.04 W，最高發(fā)電功率為5.5 W。

機(jī)械整流；PTO（動(dòng)力輸出）；波浪能發(fā)電；擺式波浪能

1 引言

在眾多的新型能源中，波浪能以能量密度大、分布范圍廣而受到人們的青睞。對(duì)于沿海居民而言，通過(guò)波浪能發(fā)電裝置所提供的穩(wěn)定能源供應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)國(guó)外學(xué)者所提出的水-能源-食物（WEF）生態(tài)耦合系統(tǒng)[1]。在波浪能發(fā)電裝置的應(yīng)用方面，相較于其他的波浪能發(fā)電裝置，擺式波浪能發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)化效率較高且適用范圍較廣[2]。近些年國(guó)內(nèi)外針對(duì)擺式波浪能發(fā)電裝置已完成較多的探索。英國(guó)的藍(lán)寶能源公司在2005年試制了“OYSTER”裝置，已完成了海試[3]。芬蘭所研發(fā)的WAVEROLLER波浪能發(fā)電裝置，進(jìn)一步開(kāi)啟了擺式波能裝置商業(yè)化的進(jìn)程。但是上述所列舉的擺式波浪能發(fā)電裝置，都存在著一定的局限性[4]：局限于液壓傳動(dòng)的特性，裝置只能俘獲單方向的波浪；液壓式傳動(dòng)的效率較低，水下的液壓缸等部件易受海水的腐蝕。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種基于機(jī)械整流式PTO(動(dòng)力輸出)的擺式波浪能發(fā)電裝置。通過(guò)完成裝置的設(shè)計(jì)，并基于此實(shí)現(xiàn)了理論及實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證，從而充分驗(yàn)證了裝置的可行性。

2 原理結(jié)構(gòu)分析

2.1 裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置主要由俘能擺板、機(jī)械整流式PTO（動(dòng)力輸出）模塊、基座平臺(tái)三部分所組成。俘能擺板在受到波浪的激勵(lì)下進(jìn)行不規(guī)則的往復(fù)擺動(dòng)，而俘能擺板通過(guò)機(jī)械式PTO部分將俘能擺板所俘獲的波浪能傳遞給傳動(dòng)部分的輸出端，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。機(jī)械式PTO部分結(jié)構(gòu)上采用了聯(lián)軸器內(nèi)置單向離合器的方案，而通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了擺板單方向所俘獲的能量對(duì)應(yīng)單個(gè)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械式整流的功能。

2.2 機(jī)械整流式PTO部分結(jié)構(gòu)分析

裝置PTO（動(dòng)力輸出）部分在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單實(shí)用性，其具體結(jié)構(gòu)為：通過(guò)聯(lián)軸器內(nèi)置單向離合器與輸出軸相連接的方式，將俘能擺板往復(fù)的擺動(dòng)轉(zhuǎn)化為輸出軸兩方向的旋轉(zhuǎn)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)受到波浪正方向激勵(lì)的時(shí)候，輸出軸單方向運(yùn)轉(zhuǎn)，保證了一邊的電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，而另一端的轉(zhuǎn)軸保持空轉(zhuǎn)的狀態(tài)。通過(guò)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)可以持續(xù)進(jìn)行工作，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械整流的功能。由于波浪往復(fù)特性并不相同，因此這樣可以根據(jù)波浪的特性匹配不同參數(shù)的電機(jī)，使發(fā)電效率最大。

圖1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3 仿真分析

為了比較機(jī)械整流式PTO的能量拾取效果和液壓式能量拾取效果，現(xiàn)建立數(shù)值仿真模型進(jìn)行分析。采用邊界元軟件ANSYS對(duì)擺板進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，得到擺板在一定波浪作用下的水動(dòng)力學(xué)系數(shù)；相關(guān)結(jié)果導(dǎo)入開(kāi)源波能轉(zhuǎn)換裝置仿真軟件WEC-Sim中，建立如圖2所示的分析模型。

在水深13.1 m，波高2 m，周期為10 s的激勵(lì)下，分別建立針對(duì)液壓能量拾取裝置和機(jī)械式PTO能量拾取裝置的模型，得到兩套仿真結(jié)果，如表1所示。通過(guò)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，機(jī)械傳動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)大于液壓傳動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化效率。

分析發(fā)現(xiàn)，本裝置波能轉(zhuǎn)換效率可達(dá)24.64%，相較于配備傳統(tǒng)液壓整流能量拾取裝置的波能發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率提高了14.99%。

圖2 WEC-sim系統(tǒng)的搭建

表1 仿真結(jié)果與對(duì)比

裝置類(lèi)型液壓傳動(dòng)式裝置機(jī)械傳動(dòng)式裝置 俘獲波浪功率/MW4.254.25 傳動(dòng)部分功率/MW0.731.35 平均發(fā)電功率/MW0.411.047 能量轉(zhuǎn)化率/（%）9.6524.64

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)布置及準(zhǔn)備

裝置在水池內(nèi)的布置如圖3所示。為了保證裝置實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，省略了柱體的安裝，直接將型材基座固定在造浪池的底部。裝置的俘能擺板尺寸為500 mm×300 mm，電機(jī)箱高度為100 mm。

圖3 裝置在水池中的布置示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在波浪條件為0.1 m/0.2 s時(shí)，在該種實(shí)驗(yàn)條件下，裝置最大發(fā)電功率可達(dá)5.5 W，平均發(fā)電功率為1.04 W。波浪的往復(fù)特性方面存在著較大的差異性，正向的波浪所帶來(lái)的發(fā)電效率遠(yuǎn)大于反向的波浪。0.1 m/0.2 s時(shí)裝置的發(fā)電功率曲線如圖4所示。

在本實(shí)驗(yàn)中，波浪的高度周期等參數(shù)均由造波機(jī)所決定。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)水槽中的浪高儀對(duì)實(shí)際的波浪高度進(jìn)行調(diào)整。在實(shí)驗(yàn)中考慮裝置所處的海況，主要做了15組實(shí)驗(yàn)。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每種工況均做了3次實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，波浪周期為2 s附近，波高0.1 m時(shí)，裝置的發(fā)電效率最高。并且在相同的波浪周期情況下，波高越高，裝置的發(fā)電效率越高。裝置的波浪周期為2 s時(shí)發(fā)電效率最高。

圖4 0.1 m/0.2 s時(shí)裝置的發(fā)電功率曲線

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，提出了一種基于機(jī)械整流式PTO的擺式波浪能發(fā)電裝置，完成了對(duì)裝置的工作原理及結(jié)構(gòu)的研究分析，并通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)裝置的發(fā)電效率進(jìn)行驗(yàn)證。

機(jī)械式PTO部分借鑒了電路中的整流原理。通過(guò)將此設(shè)計(jì)應(yīng)用在擺式波浪能發(fā)電裝置中，實(shí)現(xiàn)了將兩個(gè)方向的波浪能分別對(duì)應(yīng)不同的電機(jī)進(jìn)行輸出，從而有效提高了發(fā)電效率。完成了裝置PTO部分的結(jié)構(gòu)原理及數(shù)學(xué)模型的建立，并且通過(guò)仿真進(jìn)一步驗(yàn)證能量輸出部分優(yōu)良的性能。對(duì)于本裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在0.1 m/2 s的情況下，裝置的平均發(fā)電功率表可以達(dá)到1.04 W，最大發(fā)電功率可達(dá)5.5 W。

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TM612

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.021

2095－6835（2019）14－0052－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕