摆式波能发电装置性能的时域分析

图 $$ 两种厚度摆板瞬时发电功率对比图 由图 $% 和 $$ 可以看出"两种厚度摆板的运动和发电功率 变化趋势一样"但 $&RK厚度摆板的运动幅值大"导致其发电效 率较 %&0K厚度摆板高$ ?&) 动力摄取系统阻尼对发电效率的影响 在时域分析中保持波高为 $&1?K"波浪周期为 R&$);不变" 改变阻尼系数 YMU" 导致平均发电功率的变化如图 $) 所示!
3456'#(gk84561$'#("8456 为线性阻尼系数("其主要参数如下 表所示,?- "分别建立 $&RK和 %&0K两种厚度的摆板"计算时选择
水深 Z g$%&'K$ 建立的简化的浮力摆与坐标系统如图 ) 所示$
浮力摆建模参数比表
摆板
基座
长
$RK
$RK
宽
$&RK*%&0K
$&RK*%&0K
&+
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科技创新
科技风 "#"# 年 $ 月
4 图 ( 75AaA 7FD7中简化的浮力摆三维实体模型 3&) 水动力特性分析结果 图 32图 ' 分别是两种厚度摆板和基座的激振力#辐射阻 尼#附加质量与波浪周期的关系"从图 3 和图 0 可以看到"摆板 的激振力和辐射阻尼随着波浪周期先增大后减小"有一个明显 的峰值"辐射阻尼最后趋于 %)从图 R 可以看到"摆板的附加质 量也有一个明显的峰值"随着波浪周期的增大"最后趋于一个 固定值)从图 ?#1 和 ' 可以看到"基座的水动力计算结果和摆 板类似"但峰值远小于摆板"对装置的影响很小)两种不同厚度 装置的水动力系数曲线形状相同"有些部分几近重合"说明摆 板和基座厚度对装置的水动力特性影响很小$
!科技风 "#"# 年 $ 月
科技创新 !"#!$%&$'(') *+&,-./&$01$21(3$&)%)%%(%()
摆式波能发电装置性能的时域分析
张4虎4 樊后朋
武汉理工大学交通学院!湖北武汉!(&##'&
摘4要摆式波能发电装置具有较高的转换效率近年来获得众多学者的关注 本文首先基于势流理论在频域分析了摆板厚 度对于摆式波能发电装置水动力特性的影响 在此基础上求解考虑动力摄取系统的 =]KK/-;方程计算瞬时功率和平均功率 进 一步分析了摆板厚度对摆式波能发电装置瞬时功率的影响和动力摄取系统的阻尼系数对摆式波能发电装置平均功率的影响
$一阶波浪力及水动力系数
在频域分析中"由入射势和绕射势引起的波浪激振力按照
下式通过在物体湿表面 AY 求得!
'0(
由单位运 动 产 生 的 辐 射 势 !- 相 应 的 波 浪 作 用 力 可 以 写成!
'1(
其中"K和 - 对应每个浮体上的 0 个自由度"./0 为附加质 量"1/0 为辐射阻尼"定义分别如下!
关键词波浪能势流理论频域时域瞬时功率平均功率
44在众多的海洋可再生能源中"波浪能以能量密度大"分布 范围广而受到人们的青睐"许多波能发电装置被开发出来,$- $ 其中摆式波能发电装置'如图 $ 所示(主要由摆板#动力摄取系 统和发电机等组成"摆板在波浪作用下绕轴前后摆动带动活塞 液压杆运动"进而将波浪能转化为电能,)- $
'R(
刻)%为时域积分变量)
为卷积项"表征流体自
由面的记忆效应"即某个时刻动量变化对流体之后运动的影
响,3- )2?? 为静水恢复力系数)3456' #( 为能量转换装置对摆板 的力矩)3I<C9' #( 为作用在摆板上的波浪激振力$
对于摆式波能发电装置"依据公式'$%( 求解获能体的运动
后"发电装置的瞬时发电功率可由下式求得!
4' #( g7456' #( 1$' #(
'$$(
对应的 :$ 至 :) 时 间 段 内 的 平 均 发 电 功 率 可 按 下 式 进 行
计算!
'$)(
(水动力特性数值模拟及结果分析
3&$ 装置模型
本研究中简化的浮力摆波能转换装置由摆板和基座组
成' 它们之间由平面铰连接"同时通过线性阻尼器转换能量
4 与图波3 浪摆周板期激的振关力系44444与图波? 浪基周座期激关振系力
4 与图波0 浪摆周板期辐的射关阻系尼44444与图波1 浪基周座期辐的射关阻系尼
4 与图波R 浪摆周板期附的加关质系量44444与图波' 浪基周座期附的加关质系量 "时域分析及结果 将 7FD7的 水 动 力 分 析 结 果 导 入 开 源 分 析 软 件 DN=2 A/K,?- "并在 DN=2A/K里设置波浪参数"本文采用规则波和线 性动力摄取系统$ 数值分析时"前 $%%;为启动时间"$%%;波浪 趋于稳定$ ?&$ 摆板厚度对功率的影响 时域模拟时取波高为 $&1?K"波浪周期为 R&$);"选取动力摄 取系统的阻尼系数为 0905K;*B<H$ 使用 DN=2A/K进行时域分 析"得到摆板运动情况和瞬时发电功率变化曲线如下图所示$
'$%(
式中"#为摆板的转动惯量).?? ( ) 为无穷大频率下摆板的
%%
%
附加转动惯量) $' :( # $' %( #$' :( 为摆板转动角加速度#角速
度和转角) b为 脉 冲 响 应 函 数
) :为 时
图 $ 摆式波粘性"运动无旋$ 速度势满足拉普
拉斯方程!
) $g%
'$(
当入射波为规则波时"速度势可以分离出时间项!
$gV9, !!k""#-
')(
此处 %为入射波的角频率"/为虚数单位$ 公式')( 中复
速度势 !也满足拉普拉斯方程$ 波浪与物体相互作用时"流场
中的速度势 $可以分解成入射势 $##绕射势 $! 和辐射势 $V!
$g$$e$%e$%
高
$%&?K
$&?K
质量
$)1%%%.W
惯性矩
$&R?90.W1K)
质心
'%"%"2R&'(
''(
本分析中波浪激振力#附加质量和辐射阻尼由 75AaA 7F2 D7计算求得$
&浮力摆的时域运动方程 波浪作用下基于 =]KK/-;方程,(- 的浮力摆的时域运动方 程为!
图 ) 简化的 $&RK宽浮力摆尺寸与坐标系定义 4475AaA 7FD7是基于边界元法的水动力分析软件"只需摆 版的表面模型并划分网格'如图 ( 所示($ 坐标系原点定义在水 面与摆板交界面的中心"j轴垂直向上"L轴为波浪传播方向$
'((
入射势可表达为!
$$gV9{!$!k""#}
'3(
其中在频域分析中波浪入射势可以写成!
!$gk"&"',6;,Z6(;(Z)(e**) !"(+,6;#e"(,;/-#
'?(
上式中 W为重力加速度 Wg'&R$K*;) "7为波幅"&为波浪
入射角' 本计算中 &g%( $ 绕射势 $! 和辐射势 $V 也可写成 如式'3( 类似的形式"对应复速度势 !% 和 !-$