楊鈞達 陳衛(wèi)興 謝敏怡 劉俊笙 房偉權 丁 南 胡佩菊

（廣州工商學院 電子信息工程系，廣東 廣州510850）

在地球的整體面積中，海洋占據(jù)了其中的71%。而我國也擁有著綿長的海岸線，洶涌起伏的海浪蘊藏著無盡的能量。了解分析本實驗物中系統(tǒng)的力學特性，改善浮子和曲柄桿各參數(shù)有利于提高系統(tǒng)得發(fā)電能利用率。為了改善這種狀況，本文有必要進行該系統(tǒng)的運動學分析和動力學分析。

1 系統(tǒng)的組成

本文系統(tǒng)模仿發(fā)動機活塞運動原理，如圖1 所示，該往復式海浪發(fā)電系統(tǒng)由浮子、傳動輪組件、曲柄連桿、變速齒輪、三相交流發(fā)電機、整流器等組件構(gòu)成。利用運動模塊的浮子部件在水流中通過質(zhì)點的簡諧振動形成動能，海浪起伏能產(chǎn)生勢能，由傳動系統(tǒng)的振動特性、發(fā)電機電磁感應現(xiàn)象原理、杠桿、彈性力學、三相穩(wěn)壓技術等多個物理模塊結(jié)合，從而將海浪能轉(zhuǎn)換成電能。

2 系統(tǒng)分析

圖1 往復式海浪發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

海流和海浪共存于海水中，其中海流是在水平方向或者垂直方向上從一個地區(qū)向另一個地區(qū)大規(guī)模非周期性的運動。其產(chǎn)生是外力作用下的運動，如在海平面上的風力引起的海流稱之為風生海流，也稱為漂流。海浪主要是在海洋中由風產(chǎn)生的波動現(xiàn)象，不同風速、風向和地形條件下，海浪的尺寸變化很大，波長從幾十厘米到幾百米之間。由于海流與海浪相比其運動方向比較穩(wěn)定和緩慢，研究對象體積較小，所以本文分析時忽略海流對系統(tǒng)的影響[1]。

圖2 往復式海浪發(fā)電系統(tǒng)實物圖

2.1 海浪動力學分析。海面上常見的海浪一般可用不規(guī)則波來描述，波浪的運動在水中產(chǎn)生動壓力，其強弱與波幅大小有關。該系統(tǒng)主要運動部分在浮子處，水平方向上的動力能相抵消，動能主要作用于浮子的上下底面。下面主要研究海況下浮子下底面的動力特性，由文獻[2]可知

式中ξa為自由水面的波幅，表自由水面波動液體每一質(zhì)點沿圓形軌道勻速運動，為水深T處的波幅，波數(shù)為波長）。從流體力學得知，波幅隨水深按指數(shù)關系減小。

漂浮物相對于O-XYZ坐標系有六個自由度運動，由于漂浮物在波浪上的橫搖運動，縱搖運動和升沉運動較其他分量的震蕩運動顯著，本系統(tǒng)中浮子橫波是為相向動壓力大小相同，因此只考慮浮子在規(guī)則波中的縱搖和升沉運動?？紤]到海浪中動壓力梯度和靜壓力梯度不同經(jīng)過史密斯修正系數(shù)修正后的波型坐標使用切片法，橫剖段與波面的垂向相對位移為

波動產(chǎn)生的等效波面方程可表示為[3]

作用在垂向運動的切片上的流體動力組成有流體靜力、興波阻力和附加慣性力，將各橫剖段上的流體動力對x積分得到垂蕩力F，則得到浮子垂直方向動力。

2.2 曲柄連桿動力學分析。曲柄連桿機構(gòu)是利用海浪的往復運動實現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的傳動機構(gòu)，用來傳遞力和改變力的運動方向。工作中，曲柄連桿機構(gòu)在做功過程中把海浪的上下往復運動轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動，對外輸出動力，在海浪的起伏往復過程中又把曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成浮子往復起伏運動。因此，曲柄連桿機構(gòu)是海浪借以產(chǎn)生并傳遞動力的機構(gòu)，通過它把海浪的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能[4，5]。

如圖3，曲柄連桿上面的重錘輪（重錘的轉(zhuǎn)輪）增加了曲柄連桿的離心質(zhì)量，令曲柄連桿可以獲得更高的旋轉(zhuǎn)離心質(zhì)量，以減少曲柄連桿所需的旋轉(zhuǎn)動能，令海浪往復起伏動能利用率達到更高。浮子產(chǎn)生的P 與連桿l 上所受的力Pc之間存在關系

且在結(jié)點A點處，曲柄方向上的力Pc和曲柄頸所受切線力PT關系

由轉(zhuǎn)矩T為曲柄頸所受切線力PT與半徑r 的乘積，即

聯(lián)立式4、5、6 得：

在該系統(tǒng)中，曲柄半徑r 遠小于曲柄連桿L，φ 角趨近于零，即公式7 近似于

根據(jù)平面圓的分析及余弦定理得到P 與行程s 的關系

3 模擬真實發(fā)電環(huán)境測試

表1 是本實物系統(tǒng)在平靜湖面經(jīng)過人工制浪模擬環(huán)境測試得到參數(shù)：輸出電壓和電流，通過觀測外接LED燈發(fā)光強弱進行比較功率大小。

表1 往復式海浪發(fā)電系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)

圖3 曲柄杠機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定，整流器輸出直流電壓隨著人工制浪振動頻率增大而以非線性凸曲線增大，輸出的直流通過擬合方式發(fā)現(xiàn)以線性增大。

整個系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)材料有一定的要求，需要運動學分析計算出大致的受力，由于浮子在海浪中受到水質(zhì)點對其的垂直方向的動力，利用海浪波動方程可以得到垂直壓力，選取合適的結(jié)構(gòu)材料。由于海浪情況的隨機性和多變性，本文化繁為簡，將無規(guī)則波動運動簡化問規(guī)則運動進行參數(shù)設置并尋找修正系數(shù)，各參數(shù)的確定需要根據(jù)情況做改動。實驗結(jié)果證明本系統(tǒng)在理論基礎上還可以進行修正改善以提高能量傳動效率。