引言全球能源日趋紧张，开发利用可再生能源日益重要。波浪能储量丰富、清洁无污染，逐渐引起各国关注，研究开发海洋能源可以调整国家的能源结构，有利于缓解能源紧张和环境破坏等问题。波浪能是海洋能资源中最为丰富的资源之一，波浪发电是波浪能的主要利用方式[1]。波浪能的利用技术包括摆式、点吸收式、振荡水柱式、筏式等。其中点吸收式波浪能发电技术的研究较多[2]。Phaoharuhansa研究了一种适用于泰国湾的振荡浮子式波浪能发电装置[3]；山东大学的研究人员在2013年提出了浮体绳轮式波浪能发电装置[4-5]；中科院广州能源所的研究者提出了点吸收柔性泵波浪能转化装置[6]。但是波浪能发电装置在应用的过程中易被极端海况破坏，其安装难度大、成本高、能源效益低。波浪能发电技术需要在复杂的海况下，尽可能地提高能量转换效率，通过智能控制算法、相位控制技术等提高发电效率[2]。文章设计一种伸缩卷索式双浮体波浪能发电装置，此装置采用卷索连接上下浮体，不易受侧向力破坏；采用分舱防水设计，保证装置的海上生存能力；采用单向离合器整流，使得能量利用效率更高。通过水槽试验验证该装置发电的可行性和发电效率。1伸缩卷索式双浮体波浪能发电装置1.1装置的整体设计伸缩卷索式双浮体波浪能发电装置由上浮体、下浮体、锚固系统3大部分组成，伸缩卷索式柔性双浮体波浪能发电装置如图1所示。上浮体内安装涡卷弹簧、发电机、惯量盘、绞盘、单向离合器等，下浮体通过柔性卷索与上浮体内的绞盘相连接，锚固系统采用了三点系泊的方式，整个装置依靠上下浮体间的相对运动收集波浪能。在波浪作用下，上下浮体由于水动力情况不同产生相对运动。当上下浮体远离时卷索伸长，卷索通过绞盘带动传动轴旋转，单向离合接合发电机，发电机运转；当上下浮体靠近时卷索收缩，单向离合脱离，利用惯量保证发电机持续运转，装置复位。如上所述运动方式不断循环稳定发电，且整个装置的发电具有半波整流的特点。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.007.F001图1伸缩卷索式柔性双浮体波浪能发电装置1.2Power-take-off(PTO)设计PTO是波浪能捕获装置，主要通过PTO部分将获能体的机械能转化为电能。本装置的PTO部分采用了极简的PTO构架，由惯量盘、发电机、联轴器、单向离合（内置于联轴器）、轴承、绞盘、涡簧等构成，PTO结构如图2所示。传动卷索缠绕于绞盘上，绞盘与转轴固连，转轴接涡簧机构。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.007.F002图2PTO结构示意图PTO装置工作示意图如图3所示。当上浮体受波峰作用时，上下浮体远离。绞盘向出绳方向转动时，涡卷弹簧形变积蓄能量，单向离合器结合带动电机单向旋转；当上浮体向波谷运动时，上下浮体靠近。此时单向离合器脱离，涡卷弹簧释放能量，利用该能量使绞盘向收绳方向转动。电机侧通过单向离合器实现卷索机构单向传动功能，即保证卷索拉伸时转轴结合发电机，卷索收缩时转轴脱离发电机，依靠惯量盘带动电机持续单向旋转。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.007.F003图3PTO装置工作示意图1.3上浮体的分舱设计为了防止海水进入上浮体内部造成部件损坏，上浮体采用了分舱设计（如图4所示）。卷索舱位于浮子结构的上部，通道入口高于吃水线，在正常工况下海水无法接触通道入口，舱内采用漏斗状斜面的结构，可以让进入舱内的水从通道入口排出。在上部的舱内分隔为3个小舱，其间用防水隔板隔开，隔板上的小孔利用骨架油封进行轴端密封，使发电舱和弹簧舱保持水密。由图4(a)可知，下部舱为进排水舱，布置有压载泵，可调节浮子密度，遇台风天气时可向舱内注水使其下沉，增强装置在极端海况下的避险能力。图4中各舱相互独立，可保证破一舱而浮体不下沉，也便于维修人员维修保养。同时，浮子外壳可采用具有较高防腐蚀性的复合材料，防止海水的长期腐蚀，提高装置使用寿命。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.007.F004图4上浮体的分舱设计2试验测量2.1试验相似比尺和波浪参数的选取该水槽是一座全钢结构卧式循环水槽，试验段全部采用双面夹胶玻璃，方便实验人员进行观察和现场记录图像。水波造波试验段长20 m、宽2.7 m、水深1.0 m、最大流速1.0 m/s、可造规则波周期0.5 s~4.0 s、最大波高0.3 m，消波区位于造波机另一端。综合考虑我国渤海、黄海、东海、南海部分海域的波浪周期情况，一年中波浪周期主要集中在3.0 s~8.0 s[7]。根据重力相似准则，即保持弗劳德数相等[8]，试验的相似比选为1∶16，算得试验中的波浪周期为0.75 s~2.0 s。试验中选择1.0 s、1.5 s和2.0 s3个周期进行试验,波高为0.09 m。试验过程中通过改变负载电阻，来改变PTO的阻尼。在负载电阻两端并联电压采集卡测量电压的实时变化，采样间隔0.02 s。试验过程中负载电阻取50 Ω、75 Ω、100 Ω、125 Ω和150 Ω5组，整个试验组合共有15组，如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.007.T001表1试验波况与负载电阻试验编号波浪周期/s波高/m负载电阻/ΩE11.00.0950E21.00.0975E31.00.09100E41.00.09125E51.00.09150E61.50.0950E71.50.0975E81.50.09100E91.50.09125E101.50.09150E112.00.0950E122.00.0975E132.00.09100E142.00.09125E152.00.091502.2模型参数与试验布置根据重力相似准则，即弗劳德数相等[8]，设计比尺为1∶16的模型样机的相关参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.007.T002表2模型样机的主要参数项目数值项目数值上浮体直径/m0.50下浮体直径/m0.73上浮体柱体高度/m0.35下浮体高度/m0.07上浮体锥体高度/m0.06下浮体质量/kg33上浮体质量/kg15上下浮体入水平衡时间距/m0.58上浮体锥角/(°)150PTO阻尼系数/[N/(m/s)]0.034PTO加速器加速比1∶66PTO刚度系数/(N/m)129电机转子转动惯量/(kg·m2)5.7×10-6惯量盘转动惯量/(kg·m2)2.4×10-5电机电枢电阻/Ω1.9反电动势常数/[V/(r/min)]1.4×10-3在试验水槽中布置了2个波高仪测量波高的变化，试验装置如图5所示，试验现场如图6所示。1#浪高仪布置在模型样机迎浪侧，其位置距离造波板7.5 m，用于监测入射波的变化。2#浪高仪布置在模型样机背浪侧，其位置与1#浪高仪相距2.67 m处，以监测模型透射波和绕射波的变化。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.007.F005图5试验装置布置图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.007.F006图6试验测量现场模型样机先放置于水槽边，然后拖曳至安装位置，再采用三点系泊方案，全程不需要水底施工固定。模型样机离水槽两壁距离1.1 m，模型样机置于2个浪高仪之间的区域进行试验。2.3测量结果与分析周期1.0 s、外接电阻125 Ω时电压-时间曲线如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.007.F007图7周期1.0 s外接电阻125 Ω时电压-时间曲线图7中，0~3 s内造波板生成的波浪还未到达模型样机的位置；3 s~11 s电压值出现波动，并且平均值不断上升。在此时间段内波浪到达模型样机处，上下浮体产生相对运动开始发电，但并未产生稳定周期性的电流；11 s~15 s电压出现周期性变化，但数值较小，样机处于启动阶段；15 s~28 s电压发生有规律的周期性波动且数值较大，样机进入正常工作状态后，电压值在大约8 V附近上下起伏，波动周期为1 s，波动幅度约为3 V。在试验中，由于波浪激励为正弦波，而上浮体随波浪运动，所以瞬时功率将于正弦波一阶导数最大时达到最值，即T/4时刻。当上浮体处于最高点时，上下浮体相对间距达到最大值，此时离合器脱离，由惯量盘带动电机继续转动。当1个周期结束时，上下浮体间距达到最小，此时上浮体将在波浪激励下向上运动，离合器结合，开始下一个工作循环。发电装置功率曲线如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.007.F008图8发电装置功率曲线选取原始电压记录数据的平稳段（图7中15 s~28 s）取10个及以上波进行分析，计算发电装置在规则波中的平均功率。由于采样间隔Δt=0.02 s,采用式(2)复化梯形积分计算平均功率，设瞬时功率：Pt=Ut2R (1)式(1)中：P(t)——电阻值为R时，t时刻瞬时功率，W；Ut——t时刻电压采集卡采样测量的离散电压值，V；R——外接电阻的阻值，Ω。则平均功率：Pm=Δt2Pt1+Ptm+2∑i=1m-1Pti/(tm-t1) (2)式(2)中：m——电压采集卡每次试验采样的数据总数；t1——起始时刻，s；tm——终止时刻，s。外接电阻对平均功率的影响如图9所示。由图9可知，每一个波浪周期都有最佳的外接电阻值。当波浪周期为1.0 s、最优外接电阻为125 Ω，平均功率为0.485 5 W。当波浪周期为1.5 s、最优外接电阻为75 Ω，平均功率为0.434 0 W。当波浪周期为2.0 s、最优外接电阻为75 Ω，平均功率为0.398 3 W。对比不同周期下的平均功率可以发现，在波高保持不变时，周期为越小时发电功率越高。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.007.F009图9外接电阻对平均功率的影响单位宽度的规则波中波浪能流密度为[9]：Pi=12ρgAi2cg (3)cg=[1+2kd/sinh(2kd)]ω/2k (4)式(3)、式(4)中：cg——水深为d时、圆频率为ω时波浪的群速度，m/s；d——水深，m；ω——圆频率，rad/s；k——波数（波数为k=2π/L，L为波长）；Ai——规则波的波幅，m；ρ——水密度，kg/m3；g——重力加速度，m/s2。ω与波数k满足色散关系：ω2=gktanh(kd) (5)这样试验的发电效率可以被定义为：η=PmPiD (6)此处D=0.5 m，经过计算分析可知：波浪周期为1.0 s、外接电阻为125 Ω时，装置具有最大平均发电效率为12.49%，实验结果表明本装置的发电效率较高。3结语文章设计了一种伸缩卷索式双浮体波浪能发电装置，利用上下浮体的相对运动进行发电。按照相似比1∶16制作了模型样机，通过水槽试验对装置的工作性能进行研究，考察装置在固定波高，不同负载以及不同周期下的工作性能。（1）对于每一个波浪周期都有最佳的外接电阻值，即每一个波浪周期下装置的PTO系统都可以找到相应的最佳阻尼值。（2）在波高固定的条件下，波浪周期越小，装置的发电功率越大。在波浪周期1.0 s、负载电阻125 Ω时，模型装置的发电功率最大，为0.485 5 W，波浪能到电能的转化效率为12.49%。（3）装置在实验过程中未出现工作舱进水的情况，装置的分舱结构具有较好的防水性能。（4）装置在安装过程中不需要水底施工，安装简便，为波浪能装置在深远海适用提供一定的参考方案。在后续的研究中将对上下浮体的质量、涡卷弹簧刚度、发电机和惯量盘进行优化，以期进一步提高本装置的发电效率。