中心管結(jié)構(gòu)對(duì)能量轉(zhuǎn)化性能的影響

0中心管浮標(biāo)光學(xué)的應(yīng)用波浪可以用作清潔能源的一個(gè)方面。這是海洋表面波浪的動(dòng)能和勢(shì)能的總和，它是從風(fēng)中傳輸?shù)哪芰俊?947年，Heath振蕩水柱技術(shù)作為一個(gè)已商業(yè)化的產(chǎn)品，這其中很多技術(shù)細(xì)節(jié)還未得到充分的研究分析。例如，作為中心管核心參數(shù)，直徑。還有關(guān)于中心管錨系位置的選擇、最佳噴嘴比的大小。可見，中心管仍有許多可改進(jìn)之處。中心管振蕩水柱波力發(fā)電技術(shù)存在巨大的潛力，廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)3個(gè)直徑不同的中心管進(jìn)行試驗(yàn)研究。并對(duì)中心管錨鏈系泊位置、噴嘴比大小等做進(jìn)一步的分析，得出提高中心管穩(wěn)定性及能量轉(zhuǎn)化性能的若干方法。1中心管波力作用下的能量轉(zhuǎn)化中心管振蕩水柱波力發(fā)電技術(shù)由一個(gè)軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)浮體、空氣透平和發(fā)電機(jī)構(gòu)成。其中中心管是氣動(dòng)式結(jié)構(gòu)，為中空回轉(zhuǎn)浮體。中心管俘獲波浪能的核心問題在于裝置能否與波浪相互耦合，形成共振。因此，該波浪能俘獲裝置的核心問題之一就是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。中心管在波浪的作用下做復(fù)合運(yùn)動(dòng)，具體是由垂蕩、橫蕩、縱蕩、橫搖、縱搖等合成。其中，垂蕩是主要運(yùn)動(dòng)，能量轉(zhuǎn)化正是在垂蕩運(yùn)動(dòng)的過程中完成。不斷起伏的入射波經(jīng)由中心管底部涌入，類似于活塞運(yùn)動(dòng)，形成氣室內(nèi)的液位變化。進(jìn)而壓縮氣室內(nèi)空氣。圖1為能量轉(zhuǎn)化流程圖。波浪的動(dòng)能與勢(shì)能在該過程轉(zhuǎn)化為空氣的動(dòng)能與壓力能。在中心管頂部有一噴孔，受到推擠和壓縮的空氣通過該噴孔高速噴出，推動(dòng)空氣透平的旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。2測(cè)試2.1試驗(yàn)段和數(shù)據(jù)采集圖2為試驗(yàn)設(shè)備示意圖，試驗(yàn)在廣州能源研究所海洋能實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。主要由水槽、造波機(jī)、數(shù)字波高儀、模擬波高儀、穩(wěn)壓電源、差壓變送器等組成。水槽尺寸為50m×1.2m×1.2m（長(zhǎng)×寬×高），設(shè)置玻璃墻便于觀測(cè)實(shí)驗(yàn)情況；水槽前端裝有變頻伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直推式造波機(jī)，推板尺寸為1.16m×1.2m（長(zhǎng)×寬），由計(jì)算機(jī)控制，可造規(guī)則波與隨機(jī)波；后端為消波區(qū)域，裝有消波裝置；試驗(yàn)段位于水槽中段，是觀測(cè)模型運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和采集數(shù)據(jù)的區(qū)域。試驗(yàn)的數(shù)據(jù)通過采集器采集，由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制。模擬波高儀置于中心管模型內(nèi)，隨模型運(yùn)動(dòng)，記錄模型的液位變化。使用穩(wěn)壓電源供電，再接入計(jì)算機(jī)，數(shù)字波高儀放置于水槽內(nèi)靠近造波機(jī)的一端，用于測(cè)量記錄入射波液位變化。直接接入計(jì)算機(jī)，由SDA1000傳感器采集數(shù)據(jù)，采樣頻率為20Hz。PY301差壓變送器用于測(cè)量中心管模型氣室內(nèi)與外界的氣壓差。采樣頻率為32Hz。數(shù)據(jù)采集器RBH8251-19用于收集各類電信號(hào)，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。趙大剛等2.2模型建立與測(cè)量樣機(jī)的直徑為1.8m，水深為5m，根據(jù)二維水池的尺寸，按照1∶3.6的比例進(jìn)行了縮尺比試驗(yàn)。表1為模型主要參數(shù)，表2為模型試驗(yàn)方案，圖3為模型示意圖及實(shí)物圖。試驗(yàn)過程中，模型2在水槽中縱搖、橫搖現(xiàn)象強(qiáng)烈，能轉(zhuǎn)化為空氣內(nèi)能輸出的垂蕩運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象微弱。某些工況下甚至?xí)霈F(xiàn)撞擊水槽底部及2邊玻璃的情況?？紤]到模型2試驗(yàn)效果差且可能造成水槽的毀壞，試驗(yàn)中斷。測(cè)量計(jì)算方法：試驗(yàn)重復(fù)2次。入射波數(shù)據(jù)由SDA1000浪高傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，采樣頻率為20Hz。規(guī)則波采樣序列點(diǎn)統(tǒng)一為2048。不規(guī)則波J譜，有義波高0.08m，采樣序列點(diǎn)為22.3浮體迎波群速代法計(jì)算氣室內(nèi)平均氣壓差Δp式中：n——采樣次數(shù)；Δp氣室內(nèi)平均氣流量Q式中：h氣室功率P入射波波長(zhǎng)λ：通過迭代法計(jì)算：入射波速c:入射波數(shù)k:入射波群速度c在理想的規(guī)則波下，有限水深，入射波功率P式中：H——入射波高，m;b——浮體迎波寬度，m；ρ——水密度，kgm在隨機(jī)波條件下，入射波功率P式中：H中心管的俘獲寬度比（capturewidthratio,CWR）η用來表達(dá)波浪能發(fā)電浮標(biāo)的能量轉(zhuǎn)化性能，定義為：3數(shù)據(jù)結(jié)果和分析圖4、圖5分別為模型1在方案A～方案F下和模型3在方案a～方案d下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。3.1原理b方案b對(duì)比模型1及模型3在0.08及0.10m這2種波高下的試驗(yàn)結(jié)果，即方案A和方案B；方案b和方案c。可得出，在更小的波高下，俘獲寬度比往往更高。而且其通頻帶更寬。證明中心管適用于周期較小，波高較小的海域。模型1與模型3在小周期不規(guī)則波作用下，俘獲寬度比均保持在30%以上，最大約為45%，因此，模型1、模型3在隨機(jī)波條件下具有較高的性能，適用于實(shí)際海況。3.2噴嘴比試驗(yàn)方案A和方案D，如圖4a和圖4d所示，為模型1噴嘴比為2%及3%下的試驗(yàn)結(jié)果?？煽闯?，取中心管截面積2%作為噴嘴面積可取得更高的俘獲寬度比，差距約在10%。文獻(xiàn)3.3錨鏈?zhǔn)藉^索最優(yōu)模型對(duì)比模型1方案A、方案E、方案F分別如圖4a、圖4e、圖4f所示。錨鏈系于位置1，因模型浮倉(cāng)會(huì)受沿錨鏈方向的拉力，加強(qiáng)了模型縱搖，弱化垂蕩。造成模型不穩(wěn)定，俘獲效果差，且數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，同一波況下俘獲寬度比差值可達(dá)到10%。當(dāng)錨鏈系在位置3時(shí)，同樣因?yàn)榈撞渴苎劐^鏈方向的拉力，試驗(yàn)結(jié)果差。方案A俘獲寬度比響應(yīng)曲線明顯優(yōu)于其他方案。錨鏈系泊位置應(yīng)該選擇在浮倉(cāng)與錐形筒交界處。與波況配合較好的模型不會(huì)出現(xiàn)大幅度的橫蕩、縱蕩或者平移現(xiàn)象，因此加長(zhǎng)錨鏈，使錨鏈處于松弛的狀態(tài)，能使裝置更好的運(yùn)行。3.4不同圓臺(tái)角度下的csc據(jù)分析，模型受力與模型下部錐型圓筒（圓臺(tái)）底面面積大小有直接關(guān)系（模型4在結(jié)構(gòu)上，參數(shù)有部分不同。如，浮倉(cāng)直徑為480mm）。表4中S為中心管面積占底面積的比例。通過對(duì)比4個(gè)模型的S可知，俘獲性能較好的模型1與模型4的S較為接近。而俘獲性能差的模型2與模型3較為接近，明顯大于模型1與模型4的S值。在圓臺(tái)的角度固定（101°）的情況下，底面大小由中心管的直徑以及圓臺(tái)的高度決定。而假設(shè)模型內(nèi)液位變化相同時(shí)，中心管面積越大，受推動(dòng)的空氣流量就越多，輸出功率就越大。減小圓臺(tái)的角度可在中心管面積不變的情況下，有效地減小底面面積。經(jīng)試驗(yàn)證明，圓臺(tái)的角度越小，中心管在某一周期下的俘獲寬度可得到顯著的提升，但通頻帶趨于狹窄，極端情況下（直管），會(huì)出現(xiàn)俘獲寬度極高，但通頻帶寬度極窄的情況。如吳必軍等4中心管結(jié)構(gòu)優(yōu)化本文在前人研究的基礎(chǔ)上，研究試驗(yàn)了不同中心管直徑對(duì)模型俘獲能力的影響。試驗(yàn)證明，模型1(100mm）和模型3(140mm）具備良好的俘獲性能，能夠滿足實(shí)際海況的需要。同時(shí)，在保持中心管結(jié)構(gòu)不變的情況下，對(duì)比不同的錨系位置對(duì)中心管運(yùn)動(dòng)的影響。試驗(yàn)表明，當(dāng)錨鏈系于浮倉(cāng)與錐形筒交界處時(shí)，模型運(yùn)動(dòng)較為穩(wěn)定，垂蕩效果好。噴嘴比可在2%的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，使