1、第47卷第5期2014年5月天津大学学报(自然科学与工程技术版)Journal of Tianjin University(Science and Technology)、，0147 No5Mav2014DOI：1011784tdxbz201209066浮子式波浪能转换装置的浮子受力分析方红伟1，程佳佳1，任永琴2(1天津大学电气与自动化工程学院，天津300072；2国家海洋技术中心，天津300112)摘要：为提高现有波浪发电系统的稳定性和效率，提出了一种新型的浮子式波浪发电系统，介绍了其具体结构和特点同时，采用解析法详细分析了波浪能转换装置(WEC)所受的重力、浮力、系链拉力等情况根据天津波
2、浪特性，对所提出的波浪发电装置进行了仿真分析分析结果表明，所设计的波浪能转换装置具有较好的单向周期性稳定输出转矩特性，且其效率较传统的浮子式WEC提高了10左右关键词：波浪能转换装置；双动式棘轮；受力分析；周期性转矩中图分类号：TM61 文献标志码：A 文章编号：04932137(2014)05044606Force Analysis of FloatType Wave Energy ConverterFang Hongweil，Cheng Jiajial，Ren Yongqin2(1School ofElectrical Engineering andAutomation，Tianjin U
3、niversity，Tianjin 300072，China；2National Ocean Technology Center，Tianjin 3001 12，China)Abstract：In order to improve the stability and efficiency of wave power generation system，a novel float-type wavepower generation system was presented in this paperThe structure and characteristics of the system w
4、ere introducedFurthermore，the gravity，the buoyancy and the mooring force，which acted on the wave energyconverter(WEC)，are analyzed by the analytic methodThen，corresponding simulation was done with the wavedata in TianjinThe results show that the proposed WEC owns beRer single-direction periodical ou
5、tput torque and itsefficiency is increased by about 1 0compared with the traditional float-type WECsKeywords：wave energy converter；dual ratchet；force analysis；periodical torque随着世界经济的发展，全球范围内的能源短缺及能耗污染受到了极大的关注，使可再生能源和清洁能源的发展利用受到世界各国的普遍重视几年来，随着人类的不断研究，各种可再生能源得到了发展和利用，如风力发电、太阳能发电、潮汐发电、核能发电、生物质能发电和海洋能等
6、【13】其中，波浪能是一种以机械形式出现的海洋能，其能流密度较大，分布广泛因此，世界各海洋大国均十分重视波浪能的研究利用从20世纪70年代开始，很多国家就开始对波浪能发电进行了研究，现已开发出了聚波水库式、振荡水柱式(空气式)、鸭式、点吸式和浮子式等多种形式的波浪能发电装置其中，浮子式波浪发电系统具有效率高、维护方便、移动性好和适应性强等优点，因收稿日期：基金项目：作者简介：通讯作者：此对其研究具有重要意义4-7笔者在前人研究的基础上，对传统浮子式波浪发电系统进行了改进，提出了一种新型浮子式波浪发电系统，并重点研究其波浪能转换装置(wave energy converter，WEC)的受力分析
7、主要从2个方面分析了浮子的受力情况，包括由流体产生的流体力和由机械传动装置产生的机械力通过受力分析图和相应的理论分析推导，得出了各力的具体解析计算表达式分析结果证明了WEC输出转矩的有效性，为整个波浪发电系统的实现奠定了基础1 改进型浮子式波浪发电系统结构本文提出的改进型浮子式波浪发电系统的结构20120924；修回日期：20121105国家自然科学基金资助项目(51007060)；天津市自然科学基金资助项目(11JCYBJC07900)；天津大学国家级创新性训练计划资助项目(201210056043)方红伟(1977一 )，男，博士，副教授方红伟，hongwei_fangtjueducn万方
8、数据2014年5月 方红伟等：浮子式波浪能转换装置的浮子受力分析 447如图l所示，可分为机械传动系统和电气系统2个部分机械系统中浮子由于受到波浪冲击和缆绳拉力在竖直方向上做升降运动，从而带动输入传动轴旋转，角速度为。，经过离合器和双动式棘轮后，输出传动轴上的角速度为，且为单方向旋转，并由相应的输出转矩矗带动发电机旋转图中，浮子用于捕获波浪能浮子由缆绳连接在滑轮的一端，缆绳的另一端为反作用平衡体(位于水面以上)反作用平衡体用于保持缆绳的张力，并对装置的固有频率进行控制离合器主要起机械保护作用，当输入转矩过低和过高时，离合器均使输入轴和双动式棘轮分离滑轮 离合器 8廷 醉|“J、 I弋日 弋h作
9、用体I I乞_目 ：、 I， 议动支棘轮浮体 缆绳I一 瀛i粉、图1浮子式波浪发电系统Fig1 Floattype wave power generation system电气系统中低速直趋式永磁同步发电机通过ACDCAC变换器和电网系统相连，该变换器包含2个以IGBT为基础的背靠背电压源型变换器，中间用滤波电容相连，可控制直流母线的电压和输送到电网的功率和频率如果发电机的转矩和频率随着波浪大小和周期等因素的改变而改变，此系统结构既可保证永磁同步发电机的高效率，又可以保证变换器输出侧电压和频率的恒定2浮子受力分析正常运行时，浮体在水中的运动情况受很多因素的影响，包括波浪产生的各种力以及与浮体相
10、连的系链等机械作用力本文仅分析几个对浮体的运动产生主要作用的力21 浮力浮力是由浮体顶部和底部的海水压力差引起的作用在浮体上的向上的力，其方向向上浮力的大小等于浮子所排开海水的重量，因此浮体所受浮力依赖于2个因素：浮体浸人海水中的体积和海水的密度，此时浮体所受的浮力为冗。=一pgV式中：P为海水的密度；V为浮体浸人海水中的体积；g为重力加速度22波浪压力除了流体静压力，浮子还要受到由波浪产生的波浪压力的影响应用线性理论，在笛卡尔坐标系中用FroudeKrylov波压计算方法得波浪压力为小粥)=竽黜cos(缸一耐)(2)式中：H为波高；k为波数；彩为波浪角频率如图2所示，在球坐标系中，设球心的坐
11、标是，Yo，ZO)，0是在Z-Z坐标轴上绕Y轴旋转的以z轴正方向为始边的角，口是在x-y坐标平面上绕z轴旋转的以X轴正方向为始边的角图2球坐标系Fig2 Spherical coordinate system利用球坐标转换，得X=asin 0cos口，Y=asin 0sin口，z=acos 0+ZO，其中a为浮子半径，向外的法向量为：(nx，ny，nz)=(sin Ocos a，sin 0sin o，COS因此，球坐标系下的波压计算公式为 小叫=竽竺掣(3)cos(kasinocoscr一耐+妒)同时，由于浮体的运动范围受到四周绳索的限制，故只能在竖直方向上运动所以，可只考虑浮子在竖直方向所受
12、的力，得万方数据448 天津大学学报(自然科学与工程技术版) 第47卷第5期呱：=盯pw,AS (4) 在波浪力的作用下，浮体主要依靠系链来保证在将p。和z轴法向量代人式(4)，则 竖直方向上可靠运动事实上，系链在一定程度上还铪淼。卜陬阱引 磊黧裟鬻繁黧勰描c。sOsin02lc。s(kasinoc。s口一删+L 0妒)d口ldO (5)J当球体全部浸没时Oo=0，此时Zo+口d，且满足岛。s(争绑是半径与自由面相交的角度对浮体来说，仅需考虑下半球体，因此岛在兀2和7c之间积分假设波浪压力只在平均水面以下存在由于振荡海水的持续变化，导致浮体表面的受力持续变化，因此根据FroudeKrylov理
13、论得到的波浪压力不能完全直接被浮体所利用，实际中需要引入一个波力利用系数CFK【8】，此时式(5)可变为 ：=铱淼I coshl k(acosO+zo)Icososin00=00厂丌- 2l cos(kasinocosoto)t+O)da ldO (7)L； J注意，CFK的取值取决于浮子的形状，对于本文的浮体CFK取为0723海水黏滞阻力黏滞阻力可以看成是一种拉力，指海水在与浮体发生相对运动时产生的作用力黏滞阻力与海水的密度、黏滞系数、物体的形状以及其表面的粗糙度有关，可以表示为Fd=-1GpAvIv一式中：Cd为黏滞系数；A为浮体浸在海水中的横截面积；v为浮体相对海水的速度；负号表示黏滞阻
14、力的方向总是与浮体的速度方向相反黏滞系数Cd一般根据实验数据选取，一种简单方法是将浮子放到水中使其做自由运动，并测量其振幅衰减实验结果表明Cd的取值为0015002024重力和系链拉力浮体在运动中会受到很多力的限制，重力是始终作用在浮体上且大小恒定的力，其表达式为吒=g (9)图3浮体和系链俯视图Fig3 Top view of the float with the tethers系链拉力只。h。，的3个水平分量之间的角度是120。，并且从浮子指向外部，因此在正常运行下它们相互抵消凡也er的竖直分量分析如图4所示图4极限位置(实线)和平均位置(虚线)的系链拉力Fig4 Tether force
15、 of the float at its vertical extreme(solid lines)and mean position(dashed lines)应用三角关系，由图4可以得到2个关于，的等式，即AI=lv sinfl (10)AI=气(1一COSy) (11)应用三角变换，可将式(10)写为AI=lh2Sin2姜 (12)二联立式(10)和式(12)，可得lv Sin：lh2sin2姜 (13)假设y和都很小，则sin y=y (14)万方数据2014年5月 方红伟等：浮子式波浪能转换装置的浮子受力分析 449sin B z B因此，式(10)和式(12)可改写为AI=i。p，
16、一2(翁故式(13)可变为lvP：_lhf-图5给出了单系链上的受力示意(15) =铋等2，(16) 所以(17) Sinz筹则式(25)可变为(1 8) ftether-3m讯teth目-gZ；图5系链在极限位置(实线)和平均位置(虚线)的受力示意Fig5 Freebody diagram of the forces on a tether atvertical extreme(solid line)and mean position(dashed line)根据牛顿定律可以得气siny+cosfl=肌咖g (19)气COSy=sinfl (20)(e血。=3F,h siny (21)式(1
17、9)和式(20)分别是竖直方向和水平方向受力的总和，式(21)中的3表示浮体周围系链的数目由式(20)可得=气罴 (22)o “sin口 “将式(22)带人式(19)，得F一 竺!曼虫。!墨f，尚，cos (23)P”吖面SIn J 一。 当y和都接近0时，式(23)可简化为z mteth。gsinfl (24)则将式(24)带入式(21)，可估算出R妇为f船=3mtah。g sin ysin fl (25)进一步，根据图5，可得sin)，2 (26)而且很小，则式(18)可以写为(28)(29)可见，当浮子静止在平均水位时，Ft。h。，为0凡岫的幅值与浮子的垂直位移、系链上的质量块质量mce
18、Ih。以及系链的长度有关25缆绳张力本文没有考虑反作用体的动态运动，即假设反作用体滑轮和主滑轮固定在一起，且反作用体的缆绳一直处于拉紧状态然而，浮体的缆绳可能处于松弛状态，而且会直接和缆绳张力Ff有关，所以必须考虑缆绳的松弛状态这里只考虑浮体缆绳由松弛到拉紧的状态，因为相反的变化对浮子的速度几乎没有影响pJ因此，可将缆绳的弹性作用等效为一个弹性系数为颤的弹簧和一个阻尼系数为幻。的阻尼器，如图6所示E二兰州水面图6缆绳模型示意Fig6 Representation of cable modeling图6中，浮子的位置用幻(平均水位到浮子底部的位移)表示，弹簧的伸长量用Az(等于z隔)表示，zs是
19、与滑轮转过的角度优等效的位移根据牛顿定律，可得m，世=E+昧+乓 (30)式中：Fs为弹簧力，Fs=一FsAz；FR为阻尼器力，斥=一缸王桂娟 世界海洋发电状况探析 2002(05)2.程友良;党岳;吴英杰 波力发电技术现状及发展趋势 2009(12)3.Fang Hongwei;Cheng Jiajia;Ren Yongqin Simulation and control of OWC wave power generation system 20114.Falnes J Ocean Waves and Oscillating Systems,Linear Interaction Inclu
20、ding Wave-Energy Extraction 20025.范航宇 一种新型漂浮式波浪发电系统研究 20056.Zhou Z;Knapp W;MacEnri J Permanent magnet generator control and electrical system configuration for Wave Dragon MWwave energy take-off system 20087.Henderson R Design,simulation,and testing of a novel hydraulic power take-off system for the
21、 Pelamis wave energyconverter 2006(02)8.Chakrabarti S K Hydrodynamics of Offshore Structures,Southampton 19879.Stansby P K;Williamson A C A Simple Model to Predict Power From a Heaving Point Absorber:The Manchester Bobber201110.邹涛;刘秀梅;叶风娟 天津沿岸海浪特征及分析 2002(04)引用本文格式：方红伟.程佳佳.任永琴.Fang Hongwei.Cheng Jiajia.Ren Yongqin 浮子式波浪能转换装置的浮子受力分析期刊论文-天津大学学报 2014(5)
