应用于海上波浪能发电的水平转子式缩比模型及试验方法

本发明涉及波浪能发电，尤其涉及一种应用于海上波浪能发电的水平转子式缩比模型及试验方法。

背景技术：

1、现有技术针对海上波浪能发电的水平转子式缩比模型及试验方法较少，且试验方法较为简单，无法测试不同海况下装置的运行状态，影响海试样机方案的设计，很多实际问题难以用理论分析单独解决，因此采用缩比模型及试验的方法有利于加深对问题机理的认识。试验研究在与原型相似的缩小几何模型上进行，在试验过程中观测运动要素、动力要素等，然后把模型上得到的实测数据结果用于原型分析。因此，本发明提出应用于海上波浪能发电的水平转子式缩比模型及试验方法，用于解决类似问题。

技术实现思路

1、本发明的目的可以通过以下技术方案实现，一种应用于海上波浪能发电的水平转子式缩比模型及试验方法，缩比模型包括以下技术方案：

2、应用于海上波浪能发电的水平转子式缩比模型包括操作调节平台、水平转子波浪能捕能装置、发电测试装置；整个试验装置放置于造波水槽中，水平转子波浪能捕能装置位于操作调节平台正中央，且面向造波水槽的造波方向，发电测试装置安装在水平转子波浪能捕能装置上方。

3、所述操作调节平台包括平台支架和透气板，平台支架由40*40的铝合金型材拼装，用螺栓连接；透气板安装在平台支架上方左右两侧，便于人员在上方操作。

4、所述水平转子波浪能捕能装置由配重块压紧捕能支架，以抵抗波浪的冲击；流道固定板安装在捕能支架两侧，用来固定流道板；下流道板安装在固定流道板的下方，前流道板安装在固定流道板的前方，后流道板安装在固定流道板的后方，上流道板安装在固定流道板的上方，其中，下流道板、前流道板、后流道板角度均可通过调节槽和定位销进行调节。进口波高仪通过连接块安装在前流道板的前方，用来采集进口处的波浪高度数据；出口波高仪通过连接块安装在后流道板的前方，用来采集波浪出口处的波浪高度数据；水平转子安装在轴上，轴两端通过轴承与流道固定板连接，轴的一侧安装大齿轮，通过齿轮带与发电测试装置的小齿轮形成带传动。

5、所述发电测试装置的底板上安装有左立板和右立板，两个立板之间安装发电机；扭矩传感器通过支撑座安装在底板上，扭矩传感器主要用于转速和扭矩的数据采集；发电机通过左联轴器和扭矩传感器进行连接，扭矩传感器通过右联轴器和齿轮轴进行连接，齿轮轴穿过轴承安装在轴承座上，小齿轮安装在齿轮轴的一侧，通过齿轮带和大齿轮进行带传动。

6、应用于海上波浪能发电的水平转子式缩比模型还提供了一种试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

7、s1:试验设备及环境

8、s2:缩比模型制作

9、s3:试验方法

10、s4:缩比模型放置

11、s5:试验数据采集

12、s6:结果分析

13、优选地，所述s1步骤中，本试验在造波水槽中进行，水槽长宽高分别为30m*4m*3m，最大工作水深3m，一端安装伺服电机造波系统，可根据要求造规则波与不规则波，同时配有波高数据采集及微机控制系统，造波最大波高1m，有效波高0.8m，造波周期0.5s-2.5s，有效波波长可达5m。水槽尾部设有消波端，减少波浪反射。

14、优选地，水槽波高测量系统包括6个电容式波高传感器、一套采集仪和数据采集处理软件，6个波高传感器分别安装在水槽上方的检测架上；可根据试验观测需要进行不同位置放置，试验过程中，放置于模型水域波高变化稳定的位置进行测量水位变化，系统可以。自动采集数据并统计波高、波峰面高度与波周期结果

15、优选地，所述s2步骤中，缩比模型制作，把水平转子的直径大小作为试验模型设计的特征尺寸，初步设计海试样机水平转子的直径为625mm。按照缩比1:2.5的尺寸进行试验模型的制造，模型转子的尺寸直径为250mm。试验模型整体没有封闭的空间，以免挤压空气产生浮力影响装置的稳定性。两侧安装板采用10mm厚的亚克力透明板材进行铣槽加工，包围水平转子的流道板直接采用嵌入式安装，以保证圆周流道板的安装精度与水平转子旋转的稳定性。

16、优选地，水平转子采用3d打印机打印而成，确保了设计叶片的精度与形状。整体框架采用30*30铝合金型材进行组装，以免和水接触发生腐蚀生锈。缩比模型整机长宽高分别为1.1m、1m、1.8m，模型上部四角设计安装吊环，方便行车吊装。

17、优选的，所述s3步骤中，海洋结构物进行缩比模型试验，通过试验对缩比模型进行风、浪、流模拟，研究模型在风、浪、流载荷下的运动规律和受力变化。试验过程中，除了惯性力和重力之外，应该满足傅汝德(froude number)相似定律，即模型和实体之间的傅汝德数(fr)相等。除此之外，还要保证实物与模型之间的斯特劳哈尔数(sr)相等。

18、ls、bs、ds为实体各项对应的线性尺度长、宽、高，lm、bm、dm为模型各项对应的线性尺度长、宽、高。λ为缩尺比,下标m及s分别表示模型和实体。

19、优选的，几何相似

20、

21、实体与模型对应的面积之比：体积之比：

22、实体在海上的布放水深为hs、波浪高度为hs、波浪波长为λs，与模型试验水深hm、造波波高hm、造波波长λm满足相似条件。

23、

24、优选的，傅汝德(froude)数相等

25、

26、优选的，斯特劳哈尔(strouhal)数相等

27、式中：v、l、t分别为特征速度、特征线尺度及周期，γ为表示海水比重(γ＝1.025)。

28、优选的，造波水槽采用jonswap进行造波：

29、

30、

31、式中fp为谱峰频率，谱峰升高因子为γ＝3.3

32、造波时，为避免水槽中的波浪反射，每次造波、数据采集完成，等10s水面平静之后再进行下一个工况试验；不规则波模拟的允许误差在以下范围：波能谱总能量的允许误差为±8％；峰频模拟值的允许误差为±4％；在谱密度大于或等于0.5倍谱密度峰值的范围内，谱密度分布的允许误差为±10％；有效波高、有效周期或谱峰周期的允许误差为±4％；模拟的波列中1％累积频率波高、有效波与平均波高比值的允许误差为+10％。

33、优选的，所述步骤s4中，水槽浪流方向十米处行车吊放试验放置，模型底部压配重块配重固定，试验水深分别为1.25m、1.20m、1.15m。同时调节发电系统的扭矩传感器及进出口水位传感器，进入工作状态；模型吊装时缓慢放入水中时，左右两侧用铁链连接，通过人工拉力调正方向，使得进水流道正对造波方向；水槽两侧放置爬行梯，方便进入水槽操作平台进行调节流道板倾角等参数；试验过程中需要注意的是，每次调节好流道的角度之后，对流道两侧的缝隙进行密封，以防止水流冲击过程中损失波浪能量；

34、优选的，所述步骤s5中，相同水深、根据出水口角度变化依次进行规则波、不规则波及流速试验，采集5个周期内的扭矩、转速、电压等试验数据。每组造波个数500个以上，采样周期为0.02s，小于有效波周期的1/10，每组试验重复5次，取均值为最终结果。

35、优选的，规则波、不规则波与流速试验，实时采集规则波下的发电数据，为保证造波质量，波高与波长比值必须小于1/7的波浪破碎条件，根据以上原则，设计7种工况，每种工况取5个周期的规则波试验数据，波高范围在0.18-0.26m，周期范围在1.5s-2.5s；通过不规则波试验模拟装置在真实海况下的发电运转形态，采集相关的数据，每种工况取5个周期的不规则波试验数据，研究装置在实际海况下影响宽频捕能的因素，进而回到原型机层面进行讨论。

36、优选的，水深1.15米、出水口分别为30°、50°、70°、80°的规则波试验(工况5)8组、不规则波试验(工况9)8组；所以1.15米水深试验组次共计16组；

37、优选的，水深1.2米时、出水口分别为30°时试验3组，50°时试验13组，70°时3组，80°时3组，共计22组；水深1.2米、出水口角度固定在50°，进水口变角度规则波、不规则波及流速试验共计27组；水深1.2米，浪向角度变化试验12组，所以1.2米水深试验组次共计61组

38、优选的，水深1.25米时和水深1.15米的试验组次相同，为8组，总试验共计77组、308个数据需要采集。试验设备调整到位，每组采集需要时间5分钟。试验过程中需要调整试验设备造波的稳定性，人为调整试验装置的角度。流速试验环节设计3种工况，每种工况取5次*20s的试验数据。

39、优选的，所述步骤s6中，系列试验结果表明调节装置倾角参数，可有效地拓宽装置的波浪能捕能区间，使得宽频捕能区间进一步变大，证明了该装置在试验条件下具有宽频捕能的性能；在该试验条件下，对水平转子的转速、扭矩数据行了统计分析，并且对波浪能转换效率进行了计算，得出了水平转子转速是影响装置捕能效率的重要因素；在能量转换过程中，对出水口水体回流冲击水平转子，波浪能二次利用的环节进行了试验验证，得出该过程中波浪能转换效率的变化规律；当倾角参数恒定时，通过传感器对出水口水位进行采集，对单位时间内出水口水体体积的变化进行了估算，发现其变化规律与该角度下波浪能转换效率特性曲线规律趋同，因此，可以把出水口水体体积与周期的比值作为衡量装置捕能效率高低的一个参考。