王標(biāo)極，李政清，肖 揚(yáng)，朱承峰，任博恒

(三亞學(xué)院理工學(xué)院，海南 三亞 572022)

0 引言

目前，我國對波浪發(fā)電裝置的研究已突破關(guān)鍵技術(shù)，但波浪發(fā)電裝置投入實(shí)際運(yùn)行的數(shù)量較少，對實(shí)際應(yīng)用的發(fā)電裝置進(jìn)行有效的現(xiàn)場功率特性測試還不是很多，波浪能發(fā)電裝置的功率特性測試領(lǐng)域在我國仍存在不足。目前國內(nèi)多數(shù)研究大都基于對波浪能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模，根據(jù)實(shí)際使用的海況利用比較成熟的Morison方法，F(xiàn)roude-Krylov理論，繞射理論對發(fā)電裝置建模，對功率的測試計(jì)算大都處于理論階段，但波浪能波動(dòng)很大而且規(guī)律性不明顯，理論的分析計(jì)算往往與實(shí)際測試有較大的差別。本文通過研究發(fā)電裝置浮子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，測試其海洋實(shí)際情況下發(fā)電狀態(tài)下的功率，最終得出最佳發(fā)電狀態(tài)下的裝置相關(guān)參數(shù)[1]。

1 波浪能的轉(zhuǎn)換

根據(jù)波浪轉(zhuǎn)換方式的不同，波浪能有多種轉(zhuǎn)換方式如點(diǎn)吸收式、波浪衰減式、水柱振蕩式，沉潛壓差式等，雖然形式各異但總體上可以分為三個(gè)環(huán)節(jié)[2]。波浪能轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)及作用如圖1所示。

圖1 波浪能三級(jí)轉(zhuǎn)換圖

1) 第一級(jí)轉(zhuǎn)換

第一級(jí)轉(zhuǎn)換通常由一對實(shí)體構(gòu)成：受能體和定體。定體通常為固定在海岸或者海洋平臺(tái)上，受能體則與海浪直接接觸，與定體之間形成相對運(yùn)動(dòng)，接受波浪能。本裝置為海洋漂浮式發(fā)電裝置，定體為裝置外框架浮子和配重阻尼部分，受能體為振蕩浮子，轉(zhuǎn)換方式采用目前運(yùn)用最為常見的波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)換方式。

2) 第二級(jí)轉(zhuǎn)換

受能體不同，中間轉(zhuǎn)換裝置也不相同。裝置的受能體轉(zhuǎn)換方式屬于機(jī)械式，在波浪作用浮子上下運(yùn)動(dòng)，能量的傳遞主要通過鏈條這種機(jī)械傳動(dòng)裝置完成。鏈條傳動(dòng)相較與水力式和氣動(dòng)式靈活性較差但波浪能的轉(zhuǎn)換效率較高，但也不可避免存在一定的腐蝕問題。

3) 第三級(jí)轉(zhuǎn)換

第三級(jí)主要是將轉(zhuǎn)換后的不同形式的機(jī)械能、液壓能、空氣能等轉(zhuǎn)化為電能。裝置將浮子運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)動(dòng)能輸入到永磁同步發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化。

振蕩浮子隨起伏運(yùn)動(dòng)的波浪做振蕩運(yùn)動(dòng)，由導(dǎo)軌約束振蕩浮子只能沿導(dǎo)軌做垂蕩直線運(yùn)動(dòng)，振蕩浮子將吸收到的波浪動(dòng)能傳遞給了鏈條并帶動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)，單向鏈輪僅當(dāng)浮子下降時(shí)將浮子的勢能傳遞給變速器，將較慢的轉(zhuǎn)速提高，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)完成波浪能到電能的轉(zhuǎn)換。為保證電能輸出的連續(xù)性，發(fā)電機(jī)一端與飛輪相連接，通過飛輪的能量存儲(chǔ)和釋放功能，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠連續(xù)發(fā)電[3]。

2 測試方法

功率可以用來描述做功快慢的物理量，分為電功率，機(jī)械功率。電功率與流過負(fù)載兩端的電流和電壓相關(guān)，通過測量流過負(fù)載的電流和電壓可由p=ui測得瞬時(shí)功率，在純阻性的狀態(tài)下可由p=i2R=u2/R。機(jī)械功率是力在單位時(shí)間內(nèi)所作的功，由定義可知只要知道浮子所受的實(shí)時(shí)拉力和浮子運(yùn)動(dòng)速度可得出瞬時(shí)的機(jī)械功率p=fv。根據(jù)圖2測試流程圖，將測得的拉力、速度、電壓、電流物理量通過PLC的模擬量輸入口對其進(jìn)行采集，使用計(jì)算機(jī)對PLC采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示與記錄。

圖2 測試流程圖

2.1 機(jī)械系統(tǒng)功率直接測試法

將一個(gè)拉力傳感器接入與浮子相連的鏈條，用于測量浮子向下做功時(shí)的拉力。在鏈輪處使用接近開關(guān)測量鏈輪轉(zhuǎn)速。使用PLC對測量信號(hào)進(jìn)行分析處理，利用PLC的時(shí)實(shí)監(jiān)控功能可以很好的對功率進(jìn)行測量跟蹤。通過在發(fā)電機(jī)的輸入接入一個(gè)可變的負(fù)載電阻，可測出裝置的最大發(fā)電功率。

2.2 電功率測試裝置

電功率的測量從電功率的定義P=UI出發(fā)，裝置采用電阻絲為負(fù)載，通過改變電阻絲的阻值來調(diào)節(jié)裝置的輸出負(fù)載。發(fā)電機(jī)輸出端接入負(fù)載會(huì)產(chǎn)生磁阻，發(fā)電機(jī)的磁阻會(huì)影響裝置的發(fā)電效率。當(dāng)輸出端負(fù)載過大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的磁阻，使浮子不能正常下落甚至無法運(yùn)動(dòng)；當(dāng)負(fù)載接入過小時(shí)，浮子會(huì)下落過快浸入波浪中大大降低裝置的發(fā)電效率。在測試中不斷調(diào)節(jié)阻值大小來改變負(fù)載的大小，使得發(fā)電裝置工作在最佳發(fā)電狀態(tài)。

測量負(fù)載的功率可以通過一個(gè)電壓表和電流表測出負(fù)載UI值，選用發(fā)電機(jī)為三相交流發(fā)電機(jī)。由于波浪能發(fā)電的特性，發(fā)電機(jī)輸出有效電壓以及電壓的頻率有較大的波動(dòng)，通用實(shí)驗(yàn)室已有的設(shè)備不能很好對其輸出功率進(jìn)行測量。為方便測量，也為提高輸出電壓的穩(wěn)定性，先對發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行整流濾波穩(wěn)壓。裝置使用三相交流發(fā)電機(jī)，輸出為有效值12 V～24 V三相交流電。由于波浪能發(fā)電的不穩(wěn)定性，為方便接入阻性負(fù)載測量功率，使用二極管不控整流。在輸出端接入一個(gè)穩(wěn)壓電容，減少電流的波動(dòng)給測量帶來的影響，加電容濾波還可以提高輸入交流電源的功率因數(shù)，減小諧波。

3 測試結(jié)果

海洋測試海況復(fù)雜且不可控性較高，與陸地測試和實(shí)驗(yàn)室水池測試相比存在不確定因素更多，對裝置的改進(jìn)和應(yīng)用推廣更具有實(shí)際意義。測試地點(diǎn)水深約七米，測試過程波浪大小隨天氣和時(shí)間有較大的差異。為了測試的科學(xué)性，在不同的海況下進(jìn)行了兩次測試。

1) 第一次測試

測試時(shí)間：2019年4月21日

測試地點(diǎn)：某海域棧橋端頭

測試海況：波高H=2 m，風(fēng)力2～3級(jí)，天氣晴，最高溫度35 ℃

圖3 不同負(fù)載電阻和浮子質(zhì)量與最大電功率關(guān)系實(shí)測圖

在平均波高H=0.5 m時(shí)經(jīng)圖像可測得波浪周期T=6.445 s，測試過程中浮子可以滿行程做功，波浪周期穩(wěn)定發(fā)電連續(xù)性高測試效果較好。

2) 第二次測試

測試時(shí)間：2019年4月27日

測試地點(diǎn)：某海域棧橋端頭

測試海況：波高H=0.5 m，風(fēng)力2～3級(jí)，天氣晴，最高溫度33 ℃

在平均波高H=0.5 m時(shí)經(jīng)圖像可測得波浪周期T=5.007 s，測試過程中浮子做功行程較短，波浪周期波不穩(wěn)定，在采樣測試時(shí)間內(nèi)波浪重復(fù)性較差使測試結(jié)果存在一定的誤差，裝置依舊可以進(jìn)行發(fā)電但發(fā)電效果一般。

圖4 39.5 kg/9Ω負(fù)載下PLC實(shí)測圖

圖5 不同負(fù)載電阻和浮子質(zhì)量與最大電功率關(guān)系實(shí)測圖

圖6 42.8 kg/9Ω負(fù)載下PLC實(shí)測圖

4 數(shù)據(jù)分析

在海洋測試得到最大發(fā)電功率與負(fù)載電阻和浮子質(zhì)量的關(guān)系，當(dāng)浮子質(zhì)量不變的情況下最大電功率隨著負(fù)載電阻值的變化而變化存在最佳組合，當(dāng)負(fù)載電阻阻值都小于某一個(gè)值時(shí)最大電功率隨著阻值的減小而增大，當(dāng)負(fù)載電阻阻值都大于某一個(gè)值時(shí)，輸出最大電功率隨著阻值的增大而增大。

圖7 42.5 kg/9Ω負(fù)載機(jī)械功率與電功率測試曲線

實(shí)驗(yàn)最終得到浪高2 m周期6.544 s狀態(tài)下浮子質(zhì)量為42.5 kg負(fù)載電阻阻值為9Ω時(shí)發(fā)電效率最佳。圖7為浮子質(zhì)量42.5 kg負(fù)載電阻阻值為9Ω時(shí)實(shí)海況測試時(shí)實(shí)時(shí)機(jī)械功率與電功率的變化曲線圖。對功率曲線進(jìn)行積分后可以得出浮子做功和負(fù)載電阻吸收的功，計(jì)算得在87 s內(nèi)浮子機(jī)械能做功2 423J電功率做功1 246J，機(jī)械能電能平均轉(zhuǎn)化率為51.4%。

5 結(jié)論

該研究結(jié)合波浪能振蕩浮子發(fā)電裝置發(fā)電的特點(diǎn)，對現(xiàn)有不同形式的波浪能發(fā)電裝置功率測試的測試方法，設(shè)計(jì)了符合波浪能振蕩浮子發(fā)電裝置功率測試的方案，對PLC原始采樣功率曲線利用Origin Pro分析和MATLAB對測得數(shù)據(jù)處理，較好的得到裝置最佳發(fā)電狀態(tài)時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)。測試方案和測試結(jié)果符合該裝置的實(shí)際工作特性，對于裝置今后的優(yōu)化改進(jìn)提供了寶貴的參考數(shù)據(jù)，對于今后設(shè)計(jì)實(shí)用的發(fā)電裝置具有重要意義。