中心管结构对能量转化性能的影响

中心管结构对能量转化性能的影响

0中心管浮标光学的应用波浪可以用作清洁能源的一个方面。这是海洋表面波浪的动能和势能的总和，它是从风中传输的能量。1947年，Heath振荡水柱技术作为一个已商业化的产品，这其中很多技术细节还未得到充分的研究分析。例如，作为中心管核心参数，直径。还有关于中心管锚系位置的选择、最佳喷嘴比的大小。可见，中心管仍有许多可改进之处。中心管振荡水柱波力发电技术存在巨大的潜力，广阔的应用前景。针对以上问题，本文设计3个直径不同的中心管进行试验研究。并对中心管锚链系泊位置、喷嘴比大小等做进一步的分析，得出提高中心管稳定性及能量转化性能的若干方法。1中心管波力作用下的能量转化中心管振荡水柱波力发电技术由一个轴对称旋转浮体、空气透平和发电机构成。其中中心管是气动式结构，为中空回转浮体。中心管俘获波浪能的核心问题在于装置能否与波浪相互耦合，形成共振。因此，该波浪能俘获装置的核心问题之一就是其结构设计。中心管在波浪的作用下做复合运动，具体是由垂荡、横荡、纵荡、横摇、纵摇等合成。其中，垂荡是主要运动，能量转化正是在垂荡运动的过程中完成。不断起伏的入射波经由中心管底部涌入，类似于活塞运动，形成气室内的液位变化。进而压缩气室内空气。图1为能量转化流程图。波浪的动能与势能在该过程转化为空气的动能与压力能。在中心管顶部有一喷孔，受到推挤和压缩的空气通过该喷孔高速喷出，推动空气透平的旋转，从而带动发电机发电。2测试2.1试验段和数据采集图2为试验设备示意图，试验在广州能源研究所海洋能实验室进行。主要由水槽、造波机、数字波高仪、模拟波高仪、稳压电源、差压变送器等组成。水槽尺寸为50m×1.2m×1.2m（长×宽×高），设置玻璃墙便于观测实验情况；水槽前端装有变频伺服电机驱动的直推式造波机，推板尺寸为1.16m×1.2m（长×宽），由计算机控制，可造规则波与随机波；后端为消波区域，装有消波装置；试验段位于水槽中段，是观测模型运动状态和采集数据的区域。试验的数据通过采集器采集，由计算机统一控制。模拟波高仪置于中心管模型内，随模型运动，记录模型的液位变化。使用稳压电源供电，再接入计算机，数字波高仪放置于水槽内靠近造波机的一端，用于测量记录入射波液位变化。直接接入计算机，由SDA1000传感器采集数据，采样频率为20Hz。PY301差压变送器用于测量中心管模型气室内与外界的气压差。采样频率为32Hz。数据采集器RBH8251-19用于收集各类电信号，传输到计算机。赵大刚等2.2模型建立与测量样机的直径为1.8m，水深为5m，根据二维水池的尺寸，按照1∶3.6的比例进行了缩尺比试验。表1为模型主要参数，表2为模型试验方案，图3为模型示意图及实物图。试验过程中，模型2在水槽中纵摇、横摇现象强烈，能转化为空气内能输出的垂荡运动现象微弱。某些工况下甚至会出现撞击水槽底部及2边玻璃的情况。考虑到模型2试验效果差且可能造成水槽的毁坏，试验中断。测量计算方法：试验重复2次。入射波数据由SDA1000浪高传感器数据采集系统采集，采样频率为20Hz。规则波采样序列点统一为2048。不规则波J谱，有义波高0.08m，采样序列点为22.3浮体迎波群速代法计算气室内平均气压差Δp式中：n——采样次数；Δp气室内平均气流量Q式中：h气室功率P入射波波长λ：通过迭代法计算：入射波速c:入射波数k:入射波群速度c在理想的规则波下，有限水深，入射波功率P式中：H——入射波高，m;b——浮体迎波宽度，m；ρ——水密度，kgm在随机波条件下，入射波功率P式中：H中心管的俘获宽度比（capturewidthratio,CWR）η用来表达波浪能发电浮标的能量转化性能，定义为：3数据结果和分析图4、图5分别为模型1在方案A～方案F下和模型3在方案a～方案d下的试验数据结果。3.1原理b方案b对比模型1及模型3在0.08及0.10m这2种波高下的试验结果，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，俘获宽度比往往更高。而且其通频带更宽。证明中心管适用于周期较小，波高较小的海域。模型1与模型3在小周期不规则波作用下，俘获宽度比均保持在30%以上，最大约为45%，因此，模型1、模型3在随机波条件下具有较高的性能，适用于实际海况。3.2喷嘴比试验方案A和方案D，如图4a和图4d所示，为模型1喷嘴比为2%及3%下的试验结果。可看出，取中心管截面积2%作为喷嘴面积可取得更高的俘获宽度比，差距约在10%。文献3.3锚链式锚索最优模型对比模型1方案A、方案E、方案F分别如图4a、图4e、图4f所示。锚链系于位置1，因模型浮仓会受沿锚链方向的拉力，加强了模型纵摇，弱化垂荡。造成模型不稳定，俘获效果差，且数据波动较大，同一波况下俘获宽度比差值可达到10%。当锚链系在位置3时，同样因为底部受沿锚链方向的拉力，试验结果差。方案A俘获宽度比响应曲线明显优于其他方案。锚链系泊位置应该选择在浮仓与锥形筒交界处。与波况配合较好的模型不会出现大幅度的横荡、纵荡或者平移现象，因此加长锚链，使锚链处于松弛的状态，能使装置更好的运行。3.4不同圆台角度下的csc据分析，模型受力与模型下部锥型圆筒（圆台）底面面积大小有直接关系（模型4在结构上，参数有部分不同。如，浮仓直径为480mm）。表4中S为中心管面积占底面积的比例。通过对比4个模型的S可知，俘获性能较好的模型1与模型4的S较为接近。而俘获性能差的模型2与模型3较为接近，明显大于模型1与模型4的S值。在圆台的角度固定（101°）的情况下，底面大小由中心管的直径以及圆台的高度决定。而假设模型内液位变化相同时，中心管面积越大，受推动的空气流量就越多，输出功率就越大。减小圆台的角度可在中心管面积不变的情况下，有效地减小底面面积。经试验证明，圆台的角度越小，中心管在某一周期下的俘获宽度可得到显著的提升，但通频带趋于狭窄，极端情况下（直管），会出现俘获宽度极高，但通频带宽度极窄的情况。如吴必军等4中心管结构优化本文在前人研究的基础上，研究试验了不同中心管直径对模型俘获能力的影响。试验证明，模型1(100mm）和模型3(140mm）具备良好的俘获性能，能够满足实际海况的需要。同时，在保持中心管结构不变的情况下，对比不同的锚系位置对中心管运动的影响。试验表明，当锚链系于浮仓与锥形筒交界处时，模型运动较为稳定，垂荡效果好。喷嘴比可在2%的基础上进行调整，使