包兴先，刘志慧，李昌良，张 敬

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580）

0 引 言

发展波浪能对我国海洋强国建设及生态文明建设等具有重要意义。波浪发电装置通常包括能量俘获系统、二级能量转换系统和三级能量转换系统。根据能量俘获系统的不同，波浪发电装置可分为振荡水柱式、振荡体式、越浪式三大类［1-2］。近年来，我国有多个科研单位进行了不同形式的波浪发电装置的理论及试验研究，取得了很大进展［3-15］。摆式波浪发电装置属于振荡体式，结构简单，开发利用程度较高。摆式波浪发电装置根据二级能量转换系统的安装位置不同，分为浮力摆式和悬挂摆式。浮力摆式的二级能量转换系统位于水下，不影响景观，但安装与维护不便；悬挂摆式的二级能量转换系统位于水上，安装与维护较为方便。摆式波浪发电装置的原理是通过摆板在波浪作用下的周期性往复摆动，俘获波浪能，然后通过液压式或机械式二级能量转换系统转换为液压能或机械能，最后通过三级能量转换系统带动发电机发电［15］。现有的摆式波浪发电装置的二级能量转换系统通常为液压装置，可以将摆板往复摆动的机械能转换为液压能，之后再转换成旋转机械能，最终带动发电机发电。可以看出，其总的能量转换环节包括波浪能→机械能→液压能→机械能→电能，转换环节较多，能耗较大。

本文开发一种新的悬挂摆式波浪发电实验装置，特别是一种具有方向控制作用的新的二级能量转换系统，可减少能量转换环节，提高波能转换效率。其主要功能为通过方向控制系统将摆板的双向往复摆动转换为发电机轴的单向旋转运动，从而发电。其总的能量转换环节包括波浪能→机械能→电能，转换环节较少，能耗较小。

1 悬挂摆式波浪发电装置开发

1.1 悬挂摆式波浪发电装置组成

开发的悬挂摆式波浪发电实验装置如图1 所示，主要包括摆板、支撑架、方向控制系统、变速箱和发电机系统。实验装置设有两块摆板，左右对称，安装在摆轴上，每块摆板长0.35 m，宽0.15 m。发电装置的核心部件——方向控制系统、变速箱和发电机都安装在水面以上的工作平台上，如图2 所示。其中方向控制系统由两个摆轴、两个摆轴伞齿轮和两个单向离合器组成［17］。两个摆轴伞齿轮与变速箱上的伞齿轮啮合，组成伞齿轮组，可以把摆轴的往复双向摆动转换成变速箱轴的单向旋转运动，进而驱动发电机发电。

图1 悬挂摆式波浪发电装置整体结构图

单向离合器是方向控制系统的关键部件，由内圈、若干滚珠和外圈构成，如图3 所示。内圈和摆轴固定连接，外圈和伞齿轮固定连接。由于滚珠所在的两个平面的倾角不相等，使得滚珠只能单向滚动。当内圈顺时针转动时，滚珠随之滚动，而外圈不动；当内圈逆时针转动时，滚珠将内、外圈锁定，外圈随内圈逆时针转动，从而达到单向离合的目的。

图2 方向控制系统、变速箱和发电机系统安装图

方向控制系统的工作机理如下：由于两块摆板在波浪驱动下同时摆动，从两块摆板中间分别向左、右两边看，当左摆板顺时针摆动时，左摆轴顺时针转动，带动左单向离合器的内圈顺时针转动，而外圈不动，即左伞齿轮保持不动；此时，右摆板逆时针摆动，右摆轴逆时针转动，带动右单向离合器的内圈逆时针转动，而外圈在滚珠的作用下随之逆时针转动，从而右伞齿轮逆时针转动，带动变速箱上的伞齿轮顺时针旋转（从前向后看），进而驱动发电机的输入轴顺时针转动。

同理，当左摆板逆时针摆动时，左摆轴逆时针转动，带动左单向离合器的内圈逆时针转动，而外圈在滚珠的作用下随之逆时针转动，从而左伞齿轮逆时针转动，带动变速箱上的伞齿轮顺时针旋转（从前向后看），进而驱动发电机的输入轴顺时针转动；此时，右摆板顺时针摆动，右摆轴顺时针转动，带动右单向离合器的内圈顺时针转动，而外圈不动，即右伞齿轮保持不动。

因此，不论摆板顺时针还是逆时针摆动，发电机的输入轴都顺时针转动，达到方向控制的目的。

1.2 悬挂摆式波浪发电装置实验

（1）实验设备。发电装置实验在我校波浪水槽（见图4（a））内进行。水槽长约15 m，宽0.4 m，深0.5 m。为了测得摆板在波浪作用下的摆角情况，在摆板上布设了角度传感器，通过DHDAS 数据采集系统（见图4（b））输出相应的角度数值，同时，输出发电装置产生的实时电压数据。

图4 悬挂摆式波浪发电实验设备

（2）数据采集。在5 种波浪周期及波高工况下（见表1），分别记录了摆板的摆角、发电装置实时输出的电压信号。由于发电装置两个摆板左右对称，本文只列出一个摆板的摆角情况。实验静水深30 cm，采样频率0.05 s，采样时间50 s。

表1 不同工况下最大摆角及峰值电压均值

图5 为工况2 下发电装置输出电压稳定时（10 ～40 s），摆板的摆角随时间变化情况。图6 为工况2 下发电装置输出电压稳定时（10 ～40 s），输出电压随时间变化情况。图7 表示发电装置输出的峰值电压均值随不同的波浪周期变化情况。图8 表示摆板的最大摆角随不同的波浪周期变化情况。图9 为发电装置输出的峰值电压均值与摆板的最大摆角的对应关系图。

（3）实验结论。由图5 可以看出，摆板的摆角呈周期性变化，但摆角的正负幅值不同，正幅值较大。原因在于摆板在波浪推动下正向摆角逐渐增大至最大值，之后由于波浪力减小，摆板在重力作用下回摆，并由于惯性回摆到负向最大值，此后随之波浪力的再次逐渐增大，摆板又向正向摆动，如此往复运动。

图5 工况2时摆板的摆角随时间变化图

图6 工况2时发电装置输出电压随时间变化图

图7 发电装置输出的峰值电压均值随波浪周期变化图

图8 摆板的最大摆角随波浪周期变化图

图9 发电装置输出的峰值电压均值与摆板的最大摆角对应关系图

由图6 可以看出，由于方向控制系统的作用，不管摆板正向摆动还是逆向摆动，装置输出电压均为正值，而且呈周期性变化。

由图7 和表1 可以看出，装置输出的峰值电压均值随着波浪周期的增大，逐渐增大到最大值，然后开始减小。当波浪周期为3.5 s 时，装置输出的峰值电压均值达到最大值，为836 mV。此时，装置的发电性能较好。

由图8 和表1 可以看出，摆板的最大摆角随着波浪周期的增大，逐渐增大到最大值，然后开始减小。当波浪周期为3.5 s时，摆角达到最大值，为26.6°。

由图9 可以看出，随着摆板的最大摆角逐渐增大，装置输出的峰值电压均值也逐渐增大，两者呈正相关的关系。当摆角达到最大值，为26.6°时，装置输出的峰值电压均值也达到最大值，为836 mV。

2 结 语

本文通过开发具有方向控制功能的悬挂摆式波浪发电实验装置，并开展实验教学，不仅可以加深学生对摆式波浪发电装置实际运行的感性认识，而且可以使学生深入理解影响摆式波浪发电装置运行性能的主要参数，归纳总结波浪周期、波高等因素与摆式波浪发电装置的摆角及输出电压之间的影响规律。

波浪发电是一个较为复杂的系统工程，涉及到海洋工程、机械工程及力学等多个学科，包含多种影响因素。如，摆板与波浪之间的耦合作用、摆板的安全性与稳定性、齿轮传动、电能的储存与输送等对摆式波浪发电装置的性能也有影响，在下一步装置的优化开发中将深入研究。