基于机械整流式PTO的摆式波浪能发电装置研究

张士琢，孙亮，徐琳

基于机械整流式PTO的摆式波浪能发电装置研究

张士琢1，孙亮2，徐琳1

（1.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430223）

海洋波浪能作为一种新型能源，具有较大的潜力。近些年摆式波浪能发电装置由于其优良的性能成为学者们关注的热点，但是现阶段摆式波浪能发电装置大多采用液压传动的方式，使装置只能俘获单方向的波浪。通过借鉴电路系统中整流电路的概念，完成了机械整流式PTO（动力输出）方案的设计。之后通过试制比例样机进行实验验证，在波浪条件为0.1 m/0.2 s的情况下，装置的平均发电功率为1.04 W，最高发电功率为5.5 W。

机械整流；PTO（动力输出）；波浪能发电；摆式波浪能

1 引言

在众多的新型能源中，波浪能以能量密度大、分布范围广而受到人们的青睐。对于沿海居民而言，通过波浪能发电装置所提供的稳定能源供应，可实现国外学者所提出的水-能源-食物（WEF）生态耦合系统[1]。在波浪能发电装置的应用方面，相较于其他的波浪能发电装置，摆式波浪能发电装置的能量转化效率较高且适用范围较广[2]。近些年国内外针对摆式波浪能发电装置已完成较多的探索。英国的蓝宝能源公司在2005年试制了“OYSTER”装置，已完成了海试[3]。芬兰所研发的WAVEROLLER波浪能发电装置，进一步开启了摆式波能装置商业化的进程。但是上述所列举的摆式波浪能发电装置，都存在着一定的局限性[4]：局限于液压传动的特性，装置只能俘获单方向的波浪；液压式传动的效率较低，水下的液压缸等部件易受海水的腐蚀。

针对上述问题，提出了一种基于机械整流式PTO(动力输出)的摆式波浪能发电装置。通过完成装置的设计，并基于此实现了理论及实验的进一步验证，从而充分验证了装置的可行性。

2 原理结构分析

2.1 装置总体结构设计

装置的结构如图1所示。装置主要由俘能摆板、机械整流式PTO（动力输出）模块、基座平台三部分所组成。俘能摆板在受到波浪的激励下进行不规则的往复摆动，而俘能摆板通过机械式PTO部分将俘能摆板所俘获的波浪能传递给传动部分的输出端，以驱动电机进行发电。机械式PTO部分结构上采用了联轴器内置单向离合器的方案，而通过这样的结构设计，保证了摆板单方向所俘获的能量对应单个电机进行发电，实现了机械式整流的功能。

2.2 机械整流式PTO部分结构分析

装置PTO（动力输出）部分在设计时充分考虑装置传动系统的简单实用性，其具体结构为：通过联轴器内置单向离合器与输出轴相连接的方式，将俘能摆板往复的摆动转化为输出轴两方向的旋转，以驱动电机稳定运转。当受到波浪正方向激励的时候，输出轴单方向运转，保证了一边的电机进行发电，而另一端的转轴保持空转的状态。通过实现两个电机可以持续进行工作，从而实现机械整流的功能。由于波浪往复特性并不相同，因此这样可以根据波浪的特性匹配不同参数的电机，使发电效率最大。

图1 整体结构设计

2.3 仿真分析

为了比较机械整流式PTO的能量拾取效果和液压式能量拾取效果，现建立数值仿真模型进行分析。采用边界元软件ANSYS对摆板进行水动力计算，得到摆板在一定波浪作用下的水动力学系数；相关结果导入开源波能转换装置仿真软件WEC-Sim中，建立如图2所示的分析模型。

在水深13.1 m，波高2 m，周期为10 s的激励下，分别建立针对液压能量拾取装置和机械式PTO能量拾取装置的模型，得到两套仿真结果，如表1所示。通过仿真结果发现，机械传动的能量转化效率远大于液压传动的能量转化效率。

分析发现，本装置波能转换效率可达24.64%，相较于配备传统液压整流能量拾取装置的波能发电系统的转换效率提高了14.99%。

图2 WEC-sim系统的搭建

表1 仿真结果与对比

装置类型液压传动式装置机械传动式装置 俘获波浪功率/MW4.254.25 传动部分功率/MW0.731.35 平均发电功率/MW0.411.047 能量转化率/（%）9.6524.64

3 实验验证

3.1 实验布置及准备

装置在水池内的布置如图3所示。为了保证装置实验的稳定性，在实验时，省略了柱体的安装，直接将型材基座固定在造浪池的底部。装置的俘能摆板尺寸为500 mm×300 mm，电机箱高度为100 mm。

图3 装置在水池中的布置示意图

3.2 实验结果分析

在波浪条件为0.1 m/0.2 s时，在该种实验条件下，装置最大发电功率可达5.5 W，平均发电功率为1.04 W。波浪的往复特性方面存在着较大的差异性，正向的波浪所带来的发电效率远大于反向的波浪。0.1 m/0.2 s时装置的发电功率曲线如图4所示。

在本实验中，波浪的高度周期等参数均由造波机所决定。实验过程中，通过水槽中的浪高仪对实际的波浪高度进行调整。在实验中考虑装置所处的海况，主要做了15组实验。为了保证实验结果的准确性，每种工况均做了3次实验。由实验结果可以发现，波浪周期为2 s附近，波高0.1 m时，装置的发电效率最高。并且在相同的波浪周期情况下，波高越高，装置的发电效率越高。装置的波浪周期为2 s时发电效率最高。

图4 0.1 m/0.2 s时装置的发电功率曲线

4 结语

通过实验，提出了一种基于机械整流式PTO的摆式波浪能发电装置，完成了对装置的工作原理及结构的研究分析，并通过仿真及实验进一步对装置的发电效率进行验证。

机械式PTO部分借鉴了电路中的整流原理。通过将此设计应用在摆式波浪能发电装置中，实现了将两个方向的波浪能分别对应不同的电机进行输出，从而有效提高了发电效率。完成了装置PTO部分的结构原理及数学模型的建立，并且通过仿真进一步验证能量输出部分优良的性能。对于本装置进行了实验验证，在0.1 m/2 s的情况下，装置的平均发电功率表可以达到1.04 W，最大发电功率可达5.5 W。

［1］OLLI V，MARKO K.Discussion of“challenges in operationalizing the water–energy–food nexus”［J］.Hydrological Sciences Journal，2018，63（12）：1863-1865.

［2］胡聪，毛海英，尤再进，等.中国海域波浪能资源分布及波浪能发电装置适用性研究［J］.海洋科学，2018，42（3）：142-148.

［3］WHITTAKER T，FOLLEY M.Nearshore oscillating wave surge converters and the development of oyster［J］.Philosophical Transactionsof the Royal Society A Mathematical Physical＆Engineering Sciences，2012，370（1959）：345-364．

［4］张大海.浮力摆式波浪能发电装置关键技术研究［D］.杭州：浙江大学，2011．

［5］ZUO L，TANG X.Large-scale vibration energy harvesting［J］.Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2013（11）：1405-1430.

［6］XIE J，ZUO L.Dynamics and control of ocean wave energy converters［J］.International Journal of Dynamics and Control，2013（3）：262-276.

TM612

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.021

2095－6835（2019）14－0052－02

〔编辑：严丽琴〕