浮力摆式波浪能发电装置结构设计与强度优化.pdf

第3 5 卷第5 期 2 0 1 6 年1 0 月 海洋技术学报 J O U R N A LO FO C E A NT E C H N O L O G Y V 0 1 3 5 ，N o 5 O c t ，2 0 1 6 d o i：1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 3 - 2 0 2 9 2 0 1 6 0 5 0 1 7 浮力摆式波浪能发电装置结构设计与强度优化 李蒙1 ，李雪临2 ，王兵振1 ，段云棋1 ( 1 国家海洋技术中心，天津3 0 0 0 1 2 ；2 国电联合动力技术有限公司，北京1 0 0 0 3 9 ) 摘要：波浪能作为一种蕴藏丰富、可再生的清洁能源，在世界上受到了广泛关注。文中提出了一 种浮力摆式波浪能发电装置，简要介绍了该装置的工作原理以及基本组成，并对其关键技术进行 了研究：建立了装置动力响应特性模型，结合站址海域波浪环境条件对装置进行了水动力特性分 析，获取装置对波浪的响应状况，确定了关键设计参数；利用该参数对装置进行了结构设计，并对 其关键受力部位进行强度计算与优化。结果表明。装置在规则波条件下具有较高的能量转换效率， 同时满足其在极限波况下的强度要求。 关键词：波浪能；发电装置；水动力分析；结构设计；强度 中图分类号：P 7 4 3 2文献标志码：A 文章编号：1 0 0 3 2 0 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 5 0 0 8 5 0 5 当今世界对能源的需求越来越大，然而传统能 源却面临枯竭以及环境污染等一系列问题。在这种 形势下，可再生能源的开发1 3 益受到重视。海洋能 作为可再生能源，因其清洁环保、潜力巨大等特点 而备受瞩目。海洋能主要包括波浪能、潮汐能、潮流 能、温差能、盐差能等。其中波浪能是海洋中蕴藏量 最为丰富的能源之一，也是被研究利用得较多的能 源之一。世界上许多国家，包括英国、法国、1 3 本、挪 威，都对波浪能进行了研究开发。中国也是世界上 主要的波浪能研究开发国家之一，拥有丰富的海洋 资源，波浪能开发潜力巨大。目前，国际上较为主流 的波浪能发电技术主要有摆式、筏式、振荡水柱式、 点吸收式技术等 。本文设计了一种摆式波浪能发 电装置，对其设计原理、结构参数、强度优化进行了 研究。 1 装置工作原理 浮力摆式波浪能发电装置的原理如图1 所示。 整个摆式波浪能装置主要由摆板、液压缸、摆板底 座、重力式基础等部分组成，均位于水下。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。摆板、液压缸和底座形成了一个曲 柄摇块的四连杆机构，其中摆板为曲柄，液压缸活 塞杆为连杆，液压缸桶为摇块，底座为机架。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。当液压缸活塞运动时，从液 压缸中排出带有一定压力的液压油进人水下液压 系统；其所产生的高压液压油通过管路输送到液压 系统并驱动液压马达，液压马达驱动发电机发电 2 1 。 图I 摆式装置工作原理 2 装置水动力特性分析 2 1 波浪资源 波浪能发电装置的布放地点位于浙江省嵊山 收稿日期：2 0 1 6 0 4 0 l 基金项目：海洋可再生能源专项资金资助项目( G H M E 2 0 1 1 G C 0 1 ) 作者简介：李蒙( 1 9 8 3 一) ，女，硕士研究生，主要从事海洋能发电技术研究。E m a il：lim e n g _ 6 2 1 1 6 3 c o n 海洋技术学报 第3 5 卷 岛。根据对站址海域波浪状况的调查与分析，以及 观测站的长期观测数据，可以得出站址海域设计 波浪要素和潮汐变化情况。站址海域波浪环境条 件如下： ( 1 ) 波浪能装置的工作波况为H = I 3m ，带载 荷状态。极限波况为3 7 5m ，自由摆状态。 ( 2 ) 站址海域波浪累年各月周期分布平均值约 为4 7S 。 ( 3 ) 站址海域水深1 2 5m ，平均潮差2 4 5m ，最 大潮差4 6 5m ，为正规则半日潮【3 】。 2 2 水动力分析 对于摆式波浪能装置而言，在波浪作用下的动 力响应问题可简化为一个二阶系统，如图2 所示。 图中，p 为摆板与垂直平衡位置的夹角；B 为水作用 在摆板上的浮力；P 为作用在摆板上的重力，在此假 定摆板的浮力大于摆板的重力；6 为摆板的厚度。在 波浪作用下，摆板产生往复摆动运动，其平衡方程 可近似为： ( ，+ 钟( + N 1 ) O + K O = M s in ( t o t ) ( 1 ) 式中：，为摆板的转动惯量；，。为摆板在水中运 动时的附加转动惯量；为摆板在水中摆动时水对 摆板运动形成的阻尼系数；1 为液压系统( 含发电 机) 对摆板形成的运动阻尼系数；K 为恢复力矩系 数；p 为摆板摆角；M 为波浪产生的激振力矩幅值；t o 为波浪的圆频率；为时间变量。 图2 摆式波浪能俘获装置示意图 由方程( 1 ) 可得摆板的摆角： p ： 产：亍：ii坚：亍：is in ( t d ) ( 2 ) 、( ，+ 2 菇一2 ) 2 + ( + 。) 2 2 、7 摆板的能量转化效率为： 7 ： 丁尝- ( 3 ) 2 丁 丁 了了。1 丁 LjJ ( ，+ J 1 ) ( ( o o - 0 3 ) + ( ，v + I ) 其中： o z = t a n ( + 1 ) o 一) ( 4 ) ；= K ( ，+ ，1 ) ( 5 ) 由式( 3 ) 可以看出，当摆板的固有圆频率。和 波浪的圆频率相等时，摆式波浪能装置的能量转 换效率达到最大 6 1 。因此，应尽力保证摆式装置的固 有频率与拟建电站海域的波浪特性相对应。根据站 址海域波浪观测和调研结果，研制的摆式装置在水 中的固有频率对应的周期应在4 0S 左右。 建立了基于特征函数法的二维摆板动力响应 特性计算模型，对摆式波浪能转换装置的特性进行 了研究，对比分析了摆板( 在水中的) 高度、浮力大 小、摆板质量大小对其固有频率和在波浪作用下响 应幅度( 摆角) 的影响。 摆板在水中的高度对稳态响应角度幅值的影响 如图3 所示。计算中波浪为规则波，波高0 2m ，周期 变化范围为2 2 0S 。图中，横轴为波浪周期，单位为 s ；纵轴为摆板在波浪作用下摆角的幅值，单位为度； 日表示摆板高度。由图可见，摆板存在一个最佳响应周 期。综合考虑站址海域波浪平均周期和潮差对摆板响 应特I 生的影响，最终确定摆板的高度为5m 。 不同浮力大小对摆板输出特性的影响如图5 所示。在计算过程中摆板的高度为5m ，为便于比 较，假定每种摆板的质量均为其浮力的1 5 。图中， 横轴为波浪的周期，单位s ；纵轴为摆板在波浪作用 下的摆动角度幅值的稳定解，单位度；6 代表摆板的 厚度，单位m ，b 越小代表摆板的浮力也越小。对于 4S 周期的波浪来说，考查范围内( 摆板厚度0 8 。 2 0in ) 的摆板的浮力均能够适用，而考虑到摆板需 要保证一定的机械强度，最终确定摆板的厚度在 1 0in 左右。 + 躲：I ! 各萋：l ： 士广一 幸、 罟矧t = l二O j ：I 、 ， 霉 t 、 、； 一十。， 4 “ 母， = 卜一一 一斗 一 ， 一_ ，】 ，一r 3 一r4 一日一E 卜即卜B - E9 一E 一E卜B - 【 ，争旷r 旷。 厂日j 波川明一 图3 不同摆板高度对响应特性的影响 第5 期 李蒙等：浮力摆式波浪能发电装置结构设计与强度优化 02 4 02 2 02 、D 1 8 删 彗0 1 6 斟 ：0 1 4 擦 躺0 1 2 螟 耧0 1 0 ( 3 8 00 6 00 4 上一异埔一廿一 A j卜矗 棚一f ：一j 舻 t 声 j 。 一叫一! 盘。；日 百 ? 了 - q ， 口 k 、 ，。 ，t 晶5， i一 口 t ，k f l8I 。， 寸P - O7 ； f ， P = O6 f P - 05 甘P - O ， 02 2 02 0 1 8 i一0 1 6 删 。- - E0 1 4 S 0 1 2 鞑0 1 坚 妻00 8 00 6 00 4 00 2 波州瓜 图4 不同质量的影响 - 4 , - = 【】8 气 = l( J t h = 11 _ lf h j h = I 5 !h = ! ( 1 t F 、薯 尹、 l ， j 、 + q _ 牦牦 、 9 。： 千 _ 。啾 k ；矗村；、 、 、，、 - 图5 不同浮力大小的影响 分析不同质量对摆板响应特性的影响，如图4 所示。计算中设定摆板的高度为5m ，摆板的厚度b 为1 0m 。图中，横轴为波浪的周期，单位s ；纵轴为 摆板在波浪作用下的摆动角度幅值的稳定解，单位 ( 。) ；P 为摆板的净浮力，曰为摆板的浮力( 排水量) ， B P 即为摆板的重量；对于图中所有考察情况，B 为 一个定值，而不同的曲线代表不同质量的摆板( P 值 不同) 。由图可见：对于周期 、 5 结 图8 转轴、方向弯曲应力云图 论 本文设计了一种摆式波浪能发电装置，并对其 关键技术进行了研究。通过对装置的动力特性和站 址海域的波浪周期特性进行了分析，计算出在该波 浪条件下具有最佳响应特性的摆板结构，并确定摆 板的尺寸、重浮力等关键参数。根据该参数对装置 进行了结构设计，并对其关键受力部位进行了强度 计算。装置在规则波条件下具有较好的能量转换效 率，同时保证其在极限波况下的强度满足要求。 第5 期 李蒙等：浮力摆式波浪能发电装置结构设计与强度优化 8 9 参考文献 I 】李永国，汪振，王世明，等国外波浪能开发利用技术进展 J 】工程研究一跨学科视野中的工程，2 0 1 4 ，6 ( 4 ) ：3 7 1 3 8 2 2 张中华，夏增艳，黄勇，等离岸摆式波浪能发电技术综述太阳能学报，2 0 1 2 ，3 3 ：1 5 2 一1 5 5 【3 李剑松，潘卫明，刘靖飙，等摆式波浪能发电装置水动力学研究【J 海洋技术学报，2 0 1 4 ，3 3 ( 4 ) ：4 6 5 1 4 张大海浮力摆式波浪能发电装置关键技术研究 D 1 杭州：浙江大学，2 0 11 5 赵海涛，孙志林，沈家法，等浮力摆式波浪能装置水动力性能的时域分析 J 海洋技术水动力学研究与进展，2 0 1 3 ，2 8 ( 2 ) ： 1 5 1 1 5 8 【6 6 夏增艳，张中华，王兵振，等摆式波浪能转换装置固有圆频率理论计算研究【J 海洋技术，2 0 1 l，3 0 ( i) ：9 1 9 4 7 】李威，潘卫明，杨戈尔，等浮力摆式波浪能发电装置运动学仿真分析 J 海洋技术学报，2 0 1 4 ，3 3 ( 2 ) ：5 2 6 0 8 】石世宁，阎耀保摆式海洋波浪能量转换原理与应用【J 液压气动与密封，2 0 1 3 ，( 1 ) ：1 - 5 9 刘小燕基于s e s a m 软件的自升式平台结构及疲劳分析研究【D 天津：天津大学，2 0 1 1 【1 0 王贵彪，李德堂，谢永和波浪发电装置浮筒及导向柱结构强度分析 J 】中国造船，2 0 1 2 ，5 3 ( 4 ) ：1 5 7 一1 6 3 1 1 】刘亚欣波浪发电支撑结构强度分析与浮筒优化设计 D 】青岛：中国海洋大学，2 0 1 2 S t r u c t u r a l D e s ig na n dS t r e n g t hO p t im iz a t io nf o rB u o y a n tP e n d u lu mW a v eP o w e r G e n e r a t io nD e v ic e L IM e n 9 1 ，L IX u e lin 2 ，W A N G B in g - z h e n ，D U A NY u n q i 1 N a t io n a lO c e a nT e c h n o lo g yC e n t e r , n a n j in3 0 01 12 C h in a ； 2 G u o D ia nU n it e dP o w e rT e c h n o lo g yC o m p a n yL t d , B e ij in g1 0 0 0 3 9 ，C h in x t A b s t r a c t ：A sak in do fa b u n d a n ta n dr e n e w a b lec le a ne n e r g y ，w a v ep o w e rh a sr e c e iv e dw id e s p r e a da t t e n t io n a c r o s st h ew o r ld T h isp a p e rp r o p o s e sab u o y a n c yp e n d u lu mw a v ep o w e rg e n e r a t io nd e v ic e ，b r ie f lyin t r o d u c e sit s w o r k in gp r in c ip lea n db a s icc o m p o s it io n ，a n dr e p o r t st h er e s e a r c h e so nit sk e yt e c h n o lo g y I ta ls oe s t a b lis h e sa m o d e lo ft h ed e v ic eo nit sd y n a m icr e s p o n s ec h a r a c t e r is t ic s ，a n dc o n d u c t sh y d r o d y n a m ica n a ly s iso nt h ed e v ic ein t h ew a v ee n v ir o n m e n tc o n d it io n sint h es it es e aa r e a ，S Oa st oo b t a int h er e s p o n s es it u a t io no ft h ed e v ie ef o rt h e w a v e ，a n dc o n f ir mt h ek e yd e s ig