1、Vol.42，No.3Jun.2023第42卷第3期2023年6月海洋技术学报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYdoi：10.3969/j.issn.1003-2029.2023.03.005船载波浪发电设备设计及其性能研究温瑞峒，孙 雷，董 宇，姜宜辰（大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连116024）摘要：为解决小型无人船由于船体空间紧凑，携带燃料较少导致的续航力差、航程短等问题，本文以三体船为平台，将摆式波浪能发电技术与多体船相结合，提出了一种新型船载波浪发电设备设计方案。该发电设备可由主侧船体之间的波浪运动响应差异驱动，在海上航行时捕获波浪能并转化为电能，以此来补充船
2、上能源。通过数值软件对三体船进行性能预报，结果表明，在四级海况下迎浪航行时，三体船平均波浪能捕获功率可达 3.57 kW，波浪能一级转换效率为7.32%，能够有效地补充船上能源。同时，安装船载波浪发电设备具备减摇减荡的效果，提升了三体船的航行稳定性，进一步体现了该装置的可行性和实用性。关键词：三体船；新能源；波浪能发电；绿色船舶中图分类号：P743.2文献标识码：A文章编号：1003-2029（2023）03-0037-09收稿日期：2023-01-13基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（DUT22GF202，DUT20TD108）；大连市重点领域创新项目（2020RT03）作者
3、简介：温瑞峒（1998），男，硕士研究生，主要从事波浪能发电技术研究。E-mail：通讯作者：姜宜辰（1984），男，博士，教授，主要从事高性能船舶及海上新能源技术研究。E-mail：水面无人艇是近些年来发展极其迅速的一种新型船舶，其船体尺度通常较小，隐身性能极佳，搭载具备智能控制技术的计算机系统，能独立地在海上执行各种任务1-2。但同时，其较小的船体导致船上空间紧张，无法携带过多燃料，造成了航程短、续航力差等问题3-4。在海上航行的无人船面临能源供给困难时，海洋中却存在着丰富的清洁能源，例如风能、太阳能、波浪能、温差能等一系列可再生能源。其中，波浪能因为蕴藏量大、分布广、传输过程中能量损失较
4、小等优点，被认为是一种高质量的海洋资源5-7。自 18 世纪 70 年代第一台波浪发电设备在法国诞生以来，波浪发电技术经过几百年的研究已经得到了大幅发展，形成了诸如压力差式、越浪式、浮体式和摆式等多种波浪能发电设备8-10。部分国家还建立了试验性质或者商用性质的波浪发电厂，例如英国建造的 LIMPET 500 kW 固定式振荡水柱电站11、澳大利亚建造的 500 kW漂浮式电站12和丹麦的 250 kW 波龙波浪发电设备原型机13等。因此，可以通过开发船载波浪发电技术的方式，解决海上无人船燃料携带不足这一问题，将其能源供给从单一的携带模式转变为携带捕获相结合的多能互补模式。目前，业内学者已经在
5、船载波浪发电设备的研究上投入了大量精力14。吴必军等15设计了一款自航气动式振荡水柱波浪能发电船并进行了水池实验，在规则波的作用下，模型船的波能俘获宽度最高可达 104.07%。研究团队随后又基于该水池模型设计了多款波能发电船，其中一款在深圳大亚湾海域进行试验并获得成功。熊玮等16则通过在远洋鱿钓船上搭载摆式波浪发电设备供给渔船用电，并且通过共振原理设计了适用于该发电装置的浮子尺寸，利用 WAMIT 软件进行数值模拟，以优化发电装置在船体上的布局。LI B 等17在货船上设置质量块，利用质量块的惯性在货船发生横摇运动时，驱动发电机组运转，以此实现波浪发电的功能。SENKOVA P 等18设计了
6、一种安装在双体驳船中的波浪发电海洋技术学报第42卷装置，该装置通过缆索和摆锤将船体吸收的波浪能转换为机械轴的旋转能，最后转化为电能。发电设备整体安装在双体船中，大大减少了其占用的空间。基于较为成熟的摆式波浪能发电技术，本文提出了一种新型船载波浪发电设备设计方案，充分结合三体船的特征，在不影响其航行性能的情况下，利用波浪能发电，使无人船在海上执行长期驻留任务时，通过俘获波浪能的方式维持船载电子设备运转，避免开启燃油机消耗推进燃料，从而增加无人船的自持能力。1船载波浪发电设备设计本文提出的船载波浪发电设备基本组成包括三部分：摇杆、齿轮变速箱和发电机组，其结构简图如图 1 所示。发电设备的齿轮箱、发
7、电机及摇杆架均安装于主体上，主侧体之间通过摇杆连接。当船只在波浪的激励下产生摇荡运动时，主侧体的水动性能差异将导致两船体在垂荡方向上产生相对运动19，进而带动摇杆摆动，推动发电装置发电。波浪发电三体船的三维建模如图 2 所示。波浪发电设备的摇杆两端分别与主侧船体铰接，作为设备的捕能装置，将侧船体吸收的部分波浪能转化为转轴的机械能，并输出给后续机构。摇杆内置弹性限位器来控制其摆动幅度，防止摇杆摆动幅度过大导致整船失稳。同时，弹性限位器的存在也起到了一定的缓冲、储能作用，防止过大的冲击损坏机构。作为设备的动力输出（Power Take Off，PTO）系统，齿轮箱主要有三个作用。首先，齿轮箱中内置
8、多级加速齿轮，能够将转速调整至发电机额定转速附近。其次，齿轮箱的二级齿轮轴上安装了单向轴承，可将摇杆摆动时输出轴的双向转动转化为单向转动。最后，齿轮箱中安装了飞轮机构，通过飞轮的惯性将输入的能量稳定下来，起到削峰填谷的作用。被俘获的波浪能由发电机转化为电能后，最终将通过电路的稳压、整流处理，输送至蓄电池或船舶电网，为三体船进行能源补充。2船载波浪发电设备性能评估2.1理论基础及计算方法2.1.1一阶速度势对于浮体的频域分析，其流场的总速度势 由三部分构成，分别为波浪的入射势 0、浮体振荡运动产生辐射势 r和波浪绕过浮体后的绕射势 d。0+d+6j=1rj（1）对于单向、单频率的平面入射波，其一
9、阶入射势表示如下。0=Agch（k（z+h）ch（kh）exp（ik（x cos +y sin ）（2）式中，A 为入射波波幅；g 为重力加速度；为圆频率；h 为水深；为波浪入射角；k 为波数。辐射势 r满足的控制方程和边界条件如下。L:2rj=0F:rjz-krj=0S:rjn=n?jB:rj=0R:limRRrjR-ikrj()=|0（3）图 1波浪发电设备机构简图侧船体发电机齿轮变速箱摇杆装置主船体部分图 2波浪发电三体船三维建模38第3期绕射势 d满足的控制方程和边界条件如下。L:2d=0F:dz-kd=0S:dn=-0nB:d0R:limRRdR-ikd()=|0（4）在已知入射波基
10、本参数后，通过式（2）求得入射势 0，并通过求解式（3）和式（4）得到辐射势 r和绕射势 d，进而通过式（1）求得流场的一阶总速度势。2.1.2频域运动分析在一阶波频载荷作用下，浮体的波频运动方程如下。-2（mij+uij（）-iij+cij xj（）=fj（），i=1，2，3，6；j=1，2，3，6（5）式中，m 为浮体的质量矩阵；u 为附加质量矩阵；为阻尼矩阵；c 为刚度矩阵；f 为浮体所受的一阶波浪载荷。通过公式（6）可以计算频域内单位幅值的波浪激励下，浮体运动的幅值响应算子。RAO（）=xj（）A（6）式中，A 为波幅。2.1.3时域运动分析本文采用延时函数法，将浮体的运动看成一系列脉
11、冲运动的叠加，将浮体受到的力看作一系列线性力的叠加，可以建立起力与各时刻运动的关系，从而建立其浮体的运动方程。（m+u）x?（t）+cx（t）+t0H（t-）x?（t）d=F（t）（7）式中，H 为系统的延迟函数；F 为浮体上受到的所有力的矩阵。2.2三体船数值建模本文数值计算内容主要基于商用软件 ANSYS-AQWA 开展。ANSYS-AQWA 软件主要用于研究波浪、风和流等环境载荷对海上固定及浮式结构物的作用，具备较为成熟的理论基础和数值算法，被国内外诸多设计公司应用于大型海洋结构物、波浪能发电装置和船舶等的水动力性能计算分析中，适用于工程应用研究。本次数值计算将按照实尺度的三体船进行建模
12、，数值模型的相关参数如表 1 所示。在数值模型中，三体船的波浪发电设备及连接桥结构由主侧体之间的铰接约束代替，并通过在铰接约束上施加线性弹性力来模拟发电设备摇杆弹性限位器的弹性力，施加线性阻尼来模拟发电设备PTO系统的阻尼。并通过将 PTO 系统的阻尼乘以摇杆的摆动速度来计算波浪发电设备吸收波浪能的功率。建立模型后对其进行网格划分，其最大单元尺寸为 0.5m，网格单元总数为 10633 个。如图 3 所示，三体船模型上大部分都是四边形网格，且网格大小均匀，边界部分网格过度平滑，没有畸变的单元。为保证网格质量不会对数值模拟结果造成影响，在正式开始计算之前，需要对数值模型进行网格无关性验证，共设置
13、 3 种尺寸的网格，分别为粗糙网格（网格单元总数 5 832 个）、中等网格（网格单元总数 10 361 个）和精细网格（网格单元总数15 466 个），在 3 种网格设置下求解主船体的垂荡幅值响应算子并进行对比，结果如图 4 所示。表 1三体船数值模型船型参数主要参数主体模型侧体模型总长/m45.0020.05型款/m3.992.80设计水线长/m44.5919.66设计水线宽/m3.112.24设计吃水/m2.240.75排水量/m3188.2526.60方形系数0.4680.305主侧体中线面间距/m5.00主侧体尾端点间距/m6.25发电设备摇杆臂长/m3.00图 3波浪发电三体船数值
14、模型网格划分温瑞峒，等：船载波浪发电设备设计及其性能研究zyx39海洋技术学报第42卷根据图 4 中结果，中等网格模型与精细网格模型的计算结果基本一致，相对误差在 3%以内，而粗糙网格模型与精细网格模型的计算结果在某些波浪频率区间内存在一定的差异。因此，为保证计算精度的同时提高计算效率，选择中等网格模型进行后续数值模拟，即采用最大网格单元尺寸 0.5 m，网格单元数量为 10 633 个的数值模型。2.3频域特性分析本文中的三体船为一种高速穿浪三体船，30 kn航速迎浪航行的工况为其典型高速巡航工况之一。因此，为探究设备运转对三体船高速航行时航行性能的影响，并分析船载波浪发电设备的发电性能，本
15、次数值模拟的工作主要为：三体船以 30 kn 航速迎浪航行时，其波浪发电设备吸收波浪能的功率及船体的垂荡、纵摇运动响应。2.3.1水动力系数不同周期波浪下主侧体的附加质量、辐射阻尼如图 5 所示。本次计算工况为迎浪航行工况，且两侧体对称布置于主体两侧，两侧体在迎浪作用下的水动力特性相同，因此只给出右侧单个侧体的水动力系数数据，以保证图片简洁。图 4不同网格数量下主体垂荡幅值响应算子1.41.21.00.80.60.40.2015.0波浪周期/s主体垂荡幅值响应算子035.030.025.020.010.05.0粗糙网格中等网格精细网格（a）垂荡附加质量600500400300200100015
16、.0波浪周期/s垂荡附加质量/kT035.030.025.020.010.05.0主体侧体（b）纵摇附加惯性矩3.02.52.01.51.00.5015.0波浪周期/s纵摇附加惯性矩/（kT m2）035.030.025.020.010.05.0主体侧体（c）垂荡辐射阻尼30025020015010050015.0波浪周期/s垂荡辐射阻尼/（kN/（m s-1）035.030.025.020.010.05.0主体侧体（d）纵摇辐射阻尼1 6001 200800400015.0波浪周期/s纵摇辐射阻尼/（kN m（）s-1）035.030.025.020.010.05.0主体侧体图 5水动力系数 104主侧体的垂荡附加质量、纵摇附加惯性矩在同一个量级上，但是侧体要明显小于主体。主侧体的垂荡附加质量随着波浪周期的增大不断增大，最后趋近于一固定值。纵摇附加惯性矩则随着波浪周期的增大而增大。主侧体的辐射阻尼随着波浪周期的增大迅速增大到极值，之后不断减小。装置运动不仅受到辐射阻尼的作用，同时还受到其他阻尼作用，例如由于水的黏性阻尼，且黏性阻尼对船体的横摇运动影响较大无法忽略，因此本文通过在船体上
