浮式发电装置中的想象力摆状态分析

浮式发电装置中的想象力摆状态分析

随着化石能源的日益匮乏和污染日益严重，为了缓解能源短缺的压力，开展新能源的研究、开发和利用十分重要。它可以被用作一个污染、可再生和广泛分布的绿色能源。20世纪80年代以来,英国、日本以及其他国家建造了各种形式的波浪能电站,经过多年的研究,波浪能发电技术已逐步接近工程应用水平,研究的重点也集中于三种被认为最具有商业化价值的装置:振荡水柱式波浪能装置、摆式波浪能装置以及聚波储能式波浪能装置。其中摆式装置中浮力摆的运动很适合波浪的大推力和低频的特性,可以方便地与相位控制技术相结合。由于摆式装置的转换效率较高,且成本略低,该类型装置近年来得到了迅速发展。由AquamarinePower公司开发的离岸摆式波能装置,已在欧洲海洋能试验中心进行了试验,由AW-Energy公司开发的摆式装置已在英国和葡萄牙进行了成功的试验运行。目前国内的摆式波浪能装置尚处于技术研究和示范阶段,国家海洋技术中心先后完成了“小麦岛8kW摆式波浪能电站”和“大管岛30kW摆式波浪能电站”研制、建造工作。浮力摆式装置主要包括浮筒、肋板组成的浮力摆部分、液压缸部分和底座部分,如图1所示。装置发电通过二级能量转换实现:波浪推动浮力摆摆动,驱动活塞压缩液压油,将波浪能转化成液压能;液压马达驱动发电机将液压能转化为电能,如图2所示。其中,第一级转换的效率直接决定了整套系统的发电效率。我国大部分海域的年平均波浪功率密度为2~7kW/m,远低于波浪能丰富的地区。在此不利条件下如何增加摆式发电装置的发电量,是目前亟待解决的问题。浮力摆摆动为受迫运动,当摆动稳定后,浮力摆摆动周期与波浪周期相近。单位周期内,浮力摆摆幅的大小决定了后端液压油转化的液压能大小,摆幅越大,输出液压能越多。因此,本文的研究目的为:(1)分析影响摆幅大小的因素;(2)确定提高浮力摆能量俘获能力的策略。1模拟模型和理论依据1.1舟山波条件根据国家海洋局东海预报中心提供的环境调查数据可知,多数情况下,嵊山海域波高为1.0~2.5m,周期为4.0~6.0s。1.2结构参数设计浮力摆整体几何结构由国家海洋技术中心设计,关键结构参数如图3~图4所示:筒长:7m;筒半径:0.46m;两筒轴距:1.02m;两肋间距:3m;铰接轴线距最低处浮筒轴线:0.795m。1.3重力摆的运动问题浮力摆在波浪摇荡问题的研究中,最困难也是最关键的问题是确定浮力摆运动时所受的流体作用力。一旦求出流体作用力,浮力摆作为一个刚体在确定的外力作用下的运动问题就比较容易解决。前一个问题属于流体动力学范畴,后者则与刚体动力学相联系。在实际过程中,浮力摆在波浪场中的受力情况决定浮力摆在波浪场中的运动情况。同时,浮力摆在波浪场中的运动情况又会影响它在波浪场中所受流体作用力的大小,二者的作用是相互的。原则上讲,浮力摆受力和运动需要同时求解,但只要流体力学理论计算正确,是否耦合计算对浮力摆的运动形式没有显著影响,只在摆幅峰值上略有不同。因此,当浮力摆处于规则波中的稳态运动时,可以将流体作用力和浮力摆运动分开处理,而着重研究相关参数对浮力摆摆幅变化趋势的影响。2模拟假设与理论计算2.1浮筒与波浪的关系对浮力摆运动学仿真模型进行适当简化,并做如下假设:(1)波浪来流方向与摆板摆动方向垂直;(2)浮力摆对波浪的破坏忽略不计,且不考虑浮力摆产生的自激波;(4)一般情况下有:波长L远大于波高,波长远大于筒半径。为了判断浮筒与波浪的关系,在筒上取6点(Ⅰ~Ⅵ)(如图5所示):(1)若此6点全部浸没于水中,则认为浮筒完全浸没;将浮筒在水中所受的水压力分为水平水压力FH与竖直水压力FV,按照上述分类,对在局部坐标系XiOiYi中对浮筒进行曲面积分,计算每个浮筒的受力对铰接点的力矩Tqi(逆时针方向为正)。2.2浮筒位置的确定根据水动力学势流理论,在图6所示坐标系中,可以推得水域中压力场分布:式中:ρ为海水密度;g为重力加速度;z为纵坐标;η为波浪方程;kp(z)为压力反应系数,有:浮力摆在波浪中的示意图如图7所示,以铰接轴中心为坐标原点,竖直向上为Z轴正向,水平向右为X轴正向,建立全局坐标系。以每筒圆心Oi为圆心建立局部坐标系,与全局坐标系相对应,如图8所示:每个浮筒圆心在全局坐标系中的坐标为(XOi,YOi),可得水域中压力场分布在局部坐标系中的方程式为:式中:(1)若第i个浮筒完全露在空气中,则:(2)若第i个浮筒半露半浸,如图9所示,则:浮筒与波浪的交点为A(xa,ya),B(xb,yb)(解方程求出A,B两点坐标,定义点A在点B左侧,有xa<xb),从X轴正向旋转到OiA的夹角为γa,从X轴正向旋转到OiB的夹角为γb:得出A,B点的位置角后,计算浮筒对铰接轴的力矩:(1)如果γa>γb式中:LW为摆板宽度;R为浮筒半径。(2)如果γa<γb(3)如果γa=γb当γa=γb≥π,认为浮筒完全露出;当γa=γb<π,认为浮筒完全浸没。(3)若第i个浮筒完全浸没,则:单个浮筒计算完毕后,再求和得浮力摆对铰接轴的合力矩Tq:至于浮力摆自身的惯性矩则在联合仿真时,自动在ADAMS软件中得到体现。2.3重力摆受力与耦合迭代根据上述分析,将浮力摆的受力与运动分开处理。选用MATLAB软件进行浮力摆受力计算,用ADAMS软件进行动力学仿真,两者之间相互传输数据,进行耦合迭代计算,如图10所示,△t为设置的迭代步长。3重力浮质的仿真波浪波高A,周期T,浮力摆的入水深度H,重心位置和输出油压P对浮力摆摆幅的影响最大。仿真采取单一变量法,仿真时其它不变数据取为:波浪参数:波高A=1.5m,周期T=5s;浮力摆入水深度H=4.0m(即图7中的d);浮力摆重心为浮力摆质心(浮筒不充水)。浮力摆输出的液压油直接输入蓄能器,在发电机稳定工作时,蓄能器中的油压变化不大,此处认为它是稳定的,取浮力摆输出油压P=4MPa。3.1浮幅与波浪周期的关系通常情况下,嵊山海域波高A为1.0~2.5m,取A为1.0m,1.5m,2.0m,2.5m四种情况进行计算,结果如图11所示:由图11可得:(1)在小波高条件下(A=1.0m),浮力摆摆动困难;(2)当波高超过一定值(A=2.5m)后,摆幅过大,可能会损坏浮力摆;(3)波高在某一范围内增加(A=1.5~2.0m),摆幅迅速增大。波高对浮力摆摆幅具有最直接的影响。波浪在其他参数不变的情况下,波高越大,波浪携带的能量也就越多,这对浮力摆俘获波浪能相当有利。根据安装海域海况,合理地设计浮力摆,以尽可能地利用波浪能。细化分析波高A从1.5m到2.0m的变化过程,如图12所示,可知,浮力摆摆幅突变发生在波高A=1.6m处。这与图12所说明的情况相符,当波浪条件为A=1.6m,T=5s时,浮力摆摆幅突增。浮力摆单侧摆幅峰值随波浪周期T的变化如图14所示:(1)在T=3,4s时,浮力摆摆幅很小;(2)在T=5s时,浮力摆摆幅突然增大,且在一系列数据中最大;(3)在T=6~10s时,摆幅随周期的增大逐渐减小,但仍保持在一个较高的范围内。从能量的角度来说,在波浪其他参数不变的条件下,波浪周期越长,波浪携带的能量也就越多,有利于浮力摆俘获而增加其摆幅;从效率的角度来看,在浮力摆摆幅、输出油压不变的情况下,摆动周期越短(摆动稳定后,摆动周期与波浪周期相等),浮力摆的输出效率越高。所以应该协调考虑浮力摆摆幅与波浪周期的关系。浮力摆摆幅的变化情况说明在波高A=1.6m时,浮力摆与波浪在周期T=5s处可能发生共振。继续分析波高A=1.5m与A=1.7m条件下波浪周期T从3s到6s的过程,如图15~图16所示:(1)当A=1.5m时,浮力摆摆幅在T=6s时突增,且最大;(2)当A=1.7m时,浮力摆摆幅在T=4s时突增,且最大。由此可判断,浮力摆摆幅突增的确是浮力摆与波浪发生共振,并且对应不同的波高,共振点(波浪周期)不同,如表1所示:因此,在波高较小的情况下,可以把浮力摆放置在波浪周期较大(≥共振周期)的海域来增大浮力摆摆幅。3.3输出油气压的选择根据设计,选取油压P=2MPa,4MPa和8MPa三种情况分析,结果如图17所示:在同等波浪条件下,低输出油压可以增大浮力摆摆幅。但我们所需的是浮力摆输出的液压能,所以用降低油压的方法来增大摆幅,并不见得会增加输出的液压能,如何选择需要视情况而定。具体分析输出油压P分别为2MPa与8MPa时,浮力摆摆幅随波高的变化关系,如图18~图19所示:(1)低输出油压装置更适应小波高情况,但抵抗大波高破坏的能力有限;(2)高输出油压装置难以吸收小波高的波浪能,但在大波高条件下工作表现更加优异。所以,输出油压的选取要根据实际的波浪条件来决定。3.4小波高下的重力摆摆幅根据实际设计条件,取入水深度H在3.0~6.0m上变化,结果如图20所示:进一步可得浮力摆单侧摆幅峰值随入水深度H的变化,如图21所示:(1)H=3.0~4.0m,浮力摆摆幅随入水深度的增大而增大,并保持在一较小的摆幅范围;(2)在H=4.0~5.0m有一突变,且摆幅达到最大;(3)H=5.0~6.0m,浮力摆摆幅随入水深度的增大而减小,但保持在一较大的摆幅范围内。所以,在小波高情况下,增加入水深度可以在一定程度上增大摆幅。由线性波理论可知,浮力摆自振频率为:式中:B为浮力摆总浮力;LB为浮力作用力臂;G为浮力摆总重力;LG为重力作用力臂;I为浮力摆对旋转铰链的转动惯量;△I为附加水对旋转铰链的转动惯量。已知,当波高A=1.5m时,浮力摆在波浪周期T=6s发生共振,共振频率为:现在当波高A=1.5m时,浮力摆在T=5s处浮力摆摆幅即急剧增加,若为共振,则ω1.5增大了。分析线性理论公式可知,在入水深度增加的情况下,B,LB增加,△I少量增加(可忽略),故导致浮力摆的共振频率增加。因此,在入水深度为4.0~5.0m处摆幅急剧增加的确有共振的因素,即有,随入水深度的增大,浮力摆对应的共振波浪周期T变小。过了共振点后,摆幅减小,这还和水阻力增大、浮力回复力矩增大等因素有关,因此不宜将浮力摆完全浸没。3.5浮筒充水对浮筒的影响通过对浮筒充水来改变浮力摆的重心位置。分析时,每个浮筒单独充满水(第一个浮筒在最下端,第五个浮筒在最上端)。取在不同波高(A=1.5~1.8m)下,对浮筒充水,结果如图22所示:(1)往第三筒以上的浮筒充水对浮力摆原来的连贯运动形式(每波浪周期振荡一次)破坏较大(尤其是图22(a)中第五筒充水时,4个波浪周期才振荡一次),最终导致浮力摆每周期的平均振荡角变小,也就导致每周期的平均液压油流量变小;(2)往一、二筒充水则可以在不破坏振荡连贯性的条件下增加浮力摆摆幅,尤其以第二筒最为明显。在同样波浪条件下,重心下移对增加浮力摆摆幅有一定的影响,但不宜太过下移,建议在第二筒和第三筒之间。4高输出油腔内浮动摆的仿真分析通常情况下波浪波高较小,而浮力摆设计中最关心的也是浮力摆在小波高下的摆幅。经分析可知,即使是在波浪条件无法改变的情况下,也可通过改变浮力摆的入水深度、重心位置和输出油压等来获得较大的摆幅。针对上述仿真结果和浮力摆自身存在的技术问题,本研究总结以下改进策略:(1)输出油压P的不同导致浮力摆起振波高不同,抗击大风浪破坏能力亦不同。采用调压阀,可调节液压油腔内输出油压。启动时,输出油压为0;小风浪时,输出油压低;大风浪时,输出油压高。这样既可增大浮力摆的有效工作波高范围,又可保护浮力摆。(2)在高输出油压条件下,浮力摆左右摆动关于竖直位置不对称。可考虑在压缩腔内活塞两侧注入不同压力的液压油,使浮力摆摆动尽量关于竖直位置对称,以提高浮力摆的使用寿命和对波浪能的吸收效率。(3)浮力摆一旦安装,则其入水深度就无法人为调节。在摆两肋下端安装一升降类装置,可根据不同的波浪条件自由调节浮力摆的入水深度。本文所建模型,将浮力摆的运动与受力分开处理,且相对于实际情况,模型亦做了一些简化,所以,仿真结果与实际情况会有些差异。这些,需要在以下方面进一步深入研究:(1)对比流固耦合软件的仿真结果,参考更合理的水动力学理论,改进模型与分析方法,并结合实验,修正模型中