1、SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 110 基于灯船横摇的发电装置数值模拟 基于灯船横摇的发电装置数值模拟 王 锋1，高 波1，张 瑞2，李博洋2（1 交通运输部 北海航海保障中心 青岛航标处，山东青岛 266011；2 青岛科技大学 机电工程学院，山东青岛 266061）摘 要摘 要：针对灯船遭遇风浪时会发生剧烈的横摇运动使得船体蕴含着丰富的机械能，提出一种安装在灯船舱室内的发电装置，该装置通过捕获船体机械能从而实现对波浪能的间接回收利用。设计装置的基本结构并阐明其工作原理，以 MATLAB 软件作为仿真
2、计算平台，根据船舶横摇运动和装置中滑块的运动规律建立二者耦合的质量-阻尼-弹簧模型，并利用 Newmark-方法进行求解。计算得到装置功率、滑块重力侧分力和滑块角位移等数据，并探究不同弹簧刚度 K 和系统阻尼系数 C 组合对装置能量捕获效果的影响，结果显示当 K=300 N/m 和 C=30 N/(m/s)时装置平均功率最大为 169 W。关键词：关键词：波浪能；灯船；发电装置；横摇运动；数值仿真 中图分类号：中图分类号：U671.99 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.17 Numerical Simulation of Power Ge
3、neration Device Based on Lightship Rolling WANG Feng1,GAO Bo1,ZHANG Rui2,LI Boyang2(1.Qingdao Navigation Mark Office,Northern Navigation Service Center,Ministry of Transport,Qingdao 266011,Shandong,China;2.College of Electromechanical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao
4、266061,Shandong,China)Abstract:Aiming at the fact that the lightship will have violent rolling motion when encountering wind and waves,which makes the ship contain rich mechanical energy,a power generation device installed in the lightship cabin is proposed,which can realize the indirect recovery an
5、d utilization of wave energy by capturing the mechanical energy of the ship hull.The basic structure of the device is designed and its working principle is introduced.Using MATLAB software as the simulation platform,a coupled model is established based on rolling motion of the ship and the motion of
6、 the slider in the device,and the mass-damping-spring model of the slider motion is solved using the Newmark-Beta method.The power of the device,the gravity side force of the slider and the angular displacement of the slider are calculated.The effect of different combinations of spring stiffness K a
7、nd system damping coefficient C on the energy capture of the device was calculated.The results show that the maximum average power of the device is 169 W when K=300 N/m and C=30 N/(m/s).Key words:wave power;lightship;power generation device;rolling motion;numerical simulation 0 引言引言 灯船是分布于港口和近海岸、安装有
8、发光设备、用来示航的专用船舶，通常锚泊于离岸较远的海港入口或难以建造灯塔的海域，用来引导船舶航行安全水道并标示浅滩危险位置，尤其是大雾、飓风等恶劣海况环境中更需要灯船提供引航，其一般不具有自航性。图 1 为灯船示意图。灯船上通常搭载多种导航电子设备，这些设备通过消耗电能使得灯船持续发挥标示性的作用。当前灯船的主要电力来源是太阳能电池板或蓄电池组1。然而，一方面太阳能电池板易受海上大雾和夜间天气干扰有供电不足的风险。另一方面蓄电池组容量有限且更换电池未必及时，所以上述2 种供 收稿日期：2022-05-04；修回日期：2022-10-27 基金项目：山东省自然科学基金项目（ZR2021ME156
9、）作者简介：王 锋（1986），男，工程师。研究方向：航保设备新技术。通信作者：李博洋（1974），男，教授、硕士生导师。研究方向：船舶与海洋装备。王锋等，基于灯船横摇的发电装置数值模拟 111 电方案存在短板，灯船电力供给的可靠性不足。因此，若能为灯船增设波浪能供电装置，将有效提高灯船电力来源的可靠性。图 1 灯船示意图 目前，利用波浪能发电技术来为船用设备供电已经成为一种有效的能源方案，尤其对于需要持续电力供给的海上设备，如航标灯、浮标等2-5。1980 年，科克勒尔通过 2 艘泵船之间的摇晃推动液压装置来完成对波浪能的利用；1997 年，日本成功制造出“巨鲸”号振荡水柱式波浪能发电船；2
10、020 年，中科院设计制造出超过 500 kW 发电功率的鹰式发电装置“舟山”号。以上均属于趸船利用波浪能发电的典型案例，且部分装置已经实现商业化应用。灯船也属于趸船的一种，锚泊在海洋周围也存在丰富的波浪能，上述研究也为在灯船上使用波浪能捕获设备提供了良好的研究基础6-7。事实上，灯船遭遇风浪时会产生 6 个自由度的运动，其中船体横摇运动最剧烈，且灯船吨位较小，在风浪中更易发生摇摆运动。因此，本文提出一种安装在灯船舱室内利用船舶横摇运动来捕获因波浪引起的船体中可用机械能的装置，实现波浪能到船体机械能再到电能的转换，装置转换的电能可为灯船提供电力支持，具有明显的经济价值和实际应用意义8。1 装置
11、模型及原理装置模型及原理 基于灯船结构特点对装置进行了初步设计，装置结构示意见图 2(a)，其主要零件包括：齿轮箱、发电机、传动带、滑轮、弹簧、弹簧杆、轨道、滑块和装置架。将该装置安装于灯船舱室内并使装置架固定连接于船体上，图 2(b)为装置安装于灯船舱室内的一种示意。选取 136 t 的灯船为研究对象，其所安装的装置主要尺寸参数见表1。装置的发电原理可简化为图3所示的质量-阻尼-弹簧模型，其中：滑块重力侧分力为驱动载荷项，取决于滑块质量和船舶横摇情况；弹簧刚度为 K，研究范围为200 N/m450 N/m；整个装置的系统阻尼系数为 C，研究范围为 10 N/(m/s)150 N/(m/s)。
12、若灯船处于正浮状态，则质量为m 的滑块位于轨道中间位置。当船舶右倾时，装置架也会随之向右倾斜，装有轮子的滑块会在重力侧分力的作用下，沿轨道向右运动使得右侧弹簧压缩左侧弹簧拉伸，同时，在滑块拉力作用下传动带发生运动，最终传动带驱动发电机发电。同理，灯船左倾时装置运动类似于右倾。而在波浪的作用下，灯船的横摇运动往往是持续的，这也造成了滑块沿圆弧轨道会产生往复滑动，从而带动发电机持续发电。在此过程中灯船横摇运动的机械能转换成为滑块的机械能，滑块的机械能转换成传动结构的摩擦损耗和电能。装置产生电能经过整流单元、逆变器和并网箱，最后并入灯船电力系统为用电设备供电。在仿真计算中，因齿轮箱、传动带和轨道等传
13、动系统摩擦造成的结构阻尼和因发电机产生电能造成的有效阻尼均折算在系统阻尼系数 C 之中，对应于滑块的总机械能。图2 装置示意图 表1 装置主要尺寸参数 参数 数值 参数 数值 装置长度/m 6.0 装置高度/m 2.4 装置宽度/m 1.2 轨道半径/m 6.5 图3 装置发电原理图 齿轮箱发电机传动带滑轮弹簧弹簧杆轨道滑块装置架(a)结构示意图(b)装置安装于灯船舱室 弹簧刚度 K 系统阻尼系数 C装置架驱动发电机 滑块质量 m 重力侧分力F(t)船舶电气、探通导设备及自动控制 112 2 运动分析运动分析 波浪作用下船舶横摇运动情况可用横摇角度、横摇角速度?和横摇角加速度?来表征，且规定从
14、船尾向船首看时，以顺时针方向为正，逆时针方向为负9-10。主要分析船舶横摇状态下装置的能量捕获效果，将船舶在规则波浪条件下的横摇运动假设为理想化的简谐运动，此时船舶横摇运动角速度和横摇角度可近似表示为 sin2abt=+|?（1）0sind2tab=+|（2）式（1）和式（2）中：a 和 b 分别为控制船舶横摇角度与横摇周期的参数；t 为时间；为积分符号。2.1 滑块受力条件滑块受力条件 船舶在横摇过程中，位于圆弧轨道上的滑块因重力作用会产生斜向下的重力分量（重力侧分力），这个重力分量是驱动滑块运动的直接动力，基于此，建立船舶横摇时圆弧轨道切线上的滑块受力分析图，见图4。在滑块受力分析过程中，
15、将不规则滑块理想为质点，质点位置是圆弧弹簧杆的轴心。另外，由于惯性力对装置中滑块运动的影响微乎其微，因此不考虑非惯性坐标系的影响11。图 4 滑块受力分析 以滑块和其接触位置做圆弧轨道的切线，当滑块运动到圆弧轨道上的某一位置时，滑块受到重力作用产生 2 个重力分量，即侧分力 mgsin(+)和mgcos(+)，其中：m 为滑块质量，g 为重力加速度。FN为滑块受到圆弧轨道的支持力。结合实际船舶横摇运动和模型分析可看出，决定滑块侧分力大小的因素是滑块质量和滑块所在位置切线的倾斜角度。切线倾斜角度由船舶横摇角度和滑块位于轨道上的角度共同决定，其中：船舶横摇角度 可看作船舶基线面与海平面的夹角；滑块
16、位于轨道上的角度取决于滑块在轨道上的位置，即滑块角位移。2.2 质量质量-阻尼阻尼-弹簧模型弹簧模型 运动中滑块的重力侧分力是随时间变化的，写为F(t)。()sin()F tmg=+（3）将滑块在圆弧轨道上的运动分解为单元，单位长度圆弧轨道近似为直线，所以滑块在单位长度轨道上的运动可看成直线运动，考虑到弹簧的作用，建立滑块沿斜面振动的模型，模型可看作质量-阻尼-弹簧单自由度振动系统12，即在直线方向上以1 个自由度为模型的 2 阶线性方程，见式（4），即滑块运动的数学模型被定义为质量-阻尼-弹簧模型。()xmxCxKxF t+=?（4）式中：C 为系统阻尼系数，包含使振动系统衰减的各种摩擦和电机等产生阻尼总和；K 为弹簧刚度；x 为滑块线位移；x?为滑块线速度；x?为滑块加速度。滑块角位移 可写为 xr=（5）式中：r 为圆弧轨道半径。将式（2）、式（3）和式（5）代入式（4）可得滑块运动的质量-阻尼-弹簧模型的求解公式，见式（6），该公式实现了装置中滑块在圆弧轨道上运动和整个装置随船舶做横摇运动的耦合。0sinsind2tmxCxKxxmgabr+=+|?（6）Newmark-算法能
