振蕩水柱式波浪發電實驗裝置設計與開發

包興先， 吳州淼

(中國石油大學(華東) 石油工程學院， 山東 青島 266580)

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振蕩水柱式波浪發電實驗裝置設計與開發

包興先， 吳州淼

(中國石油大學(華東) 石油工程學院， 山東 青島 266580)

開發了氣室高度、底坡角度可調節的振蕩水柱式波浪發電實驗裝置，并在實驗室中的波浪水槽內進行實驗。考慮了3種氣室高度、3種底坡角度及2種波高，共12個典型工況，根據不同工況下的實驗結果，探討了氣室形狀參量、波浪要素等對發電裝置性能的影響規律。通過實驗，啟發學生進一步優化發電裝置的思考，加深了對實際應用中波浪能開發及海洋工程結構設計與制造過程的認識。

振蕩水柱； 波浪發電； 實驗裝置； 實踐教學

0 引 言

我國擁有漫長的海岸線，在開發利用海洋能源，特別是波浪能方面具有先天優勢。波浪能是一種清潔的可再生的能源，分布廣泛，能量密度高，波浪能發電綜合利用效益較好，是海洋可再生能源開發的熱點[1-3]。目前，振蕩水柱式波浪發電裝置是實用化與商業開發程度較高的波浪能轉換裝置[4-5]。實驗教學是高等教育的重要組成部分，在人才培養中占有重要的戰略地位[6-11]。本文通過振蕩水柱式波浪發電實驗裝置的設計與開發，配套開展相應的實驗課程，對于提高學生的海洋工程實踐素質，增強學生的動手能力，培養學生的創新意識有著積極意義。

1 振蕩水柱式波浪發電原理

振蕩水柱式波浪發電裝置主要由氣室、輸氣管道、透平與發電機組構成，如圖1所示。氣室為半淹沒狀態的空腔結構，氣室前壁下方與海水相連；氣室后壁上方有輸氣管道，連接透平與發電機組。波浪向氣室推進，當波峰接近氣室前壁時，水進入氣室，推動室內水位上升，上升的水位使室內氣壓增加，氣室內空氣通過輸氣管道高速噴出。當波谷接近氣室前壁時，水從氣室抽出，室內水位下降，下降的水位使室內氣壓降低，外面空氣通過輸氣管道高速進入氣室。流出流進的氣體將推動透平旋轉，從而帶動發電機發電。

1-氣室， 2-輸氣管道， 3-透平， 4-發電機組

圖1 振蕩水柱式波浪發電裝置示意圖

2 振蕩水柱式波浪發電實驗

振蕩水柱式波浪發電裝置前方的波浪傳播、氣室內的自由水面振蕩及輸氣管內的往復氣流的運動都受到氣室形狀的影響。因此，氣室形狀參量在波能轉換過程中具有重要作用。開展針對氣室形狀參量的研究，對揭示振蕩水柱式波浪發電裝置的工作機理，提高氣室工作性能有重要的工程價值[12-16]。而且，通過學生自主設置氣室形狀參量，自己摸索掌握發電裝置性能的影響規律，對學生的實踐能力、問題探究能力及創新思維的提高具有重要意義。本實驗裝置采用的氣室形狀參量主要包括氣室高度和底坡角度，這也是影響氣室工作性能的主要因素[2]。

2.1 發電裝置設計與制作

氣室模型各部分由有機玻璃制作并黏合而成。有機玻璃厚度0.01 m，氣室長0.50 m，寬0.38 m，氣室上部設置三層“抽屜式”擋板，可以調節氣室高度，氣室高度可調節為0.405、0.475和0.550 m。在氣室底部設置了斜坡板，斜坡板可在槽狀軌道內滑動，用以改變底坡角度，底坡角度可調為30°、45°和60°。發電裝置如圖2所示。

2.2 實驗設計與實施

(1) 實驗設備。本實驗是在中國石油大學(華東)船舶與海洋工程實驗室中的小型波浪水槽內進行，如圖3所示。水槽整體是鋼結構和有機玻璃材質，長約15 m，寬0.4 m，深0.5 m，如圖3(a)所示。水槽一端安裝有機械搖桿推板造波機，如圖3(b)所示，另一端有消波設施。數據采集系統采用DH5922動態測

圖2 振蕩水柱式波浪發電實驗裝置

量設備和DHDAS動態信號采集分析系統，如圖3(c)所示，DHDAS系統可以將DH5922設備傳來的電壓信號傳輸給計算機進行處理，獲得實時電壓數據。

(a)波浪水槽(b)造波系統

(c)數據采集系統(d)實驗裝置安放

圖3 振蕩水柱式波浪發電裝置實驗

(2) 實驗工況。為了探討不同氣室形狀參量對發電裝置性能的影響規律，考慮了3種氣室高度(530、475、405 mm)、3種底坡角度(30°、45°、60°)及2種波高(29、18 mm)情況，共12個實驗工況，如表1前4列所示。實驗靜水深280 mm，實驗裝置的波浪入口在靜水面以下60 mm。連續采集的波峰個數為15～20個。每個工況下的實驗重復3次，以消除外界環境、實驗儀器引起的系統誤差，取3次結果的平均值為最終實驗結果。

(3) 實驗數據處理。對12個工況分別進行電壓信號采集與處理可以得到各個工況下輸出電壓隨時間變化情況。以Case 03為例，輸出電壓值隨時間變化如圖4所示。可以看出，發電機輸出的是正弦交流電，電壓峰值穩定性較好(均值為621.8 mV)，說明此時氣室內、外氣流使透平穩定轉動，整個振蕩水柱式波浪發電裝置工作性能表現優良。同樣可以得到其他11個工況下的輸出電壓隨時間變化情況，并得到峰值電壓的均值。

表1 各實驗工況下輸出電壓一覽表

(4) 實驗結論。比較表1各工況下的峰值電壓均值，可以得到以下幾點結論：① 氣室高度對振蕩水柱式波浪發電裝置性能的影響。通過比較波高一定、底坡角度一定、氣室高度變化的情況下3組工況(01、02、03)、(04、05、06)和(07、08、09)的峰值電壓均值。發現隨著氣室高度減小，輸出電壓值增大，發電裝置的發電性能提高。本例中氣室高度為405 mm時，發電機輸出電壓值較大，此時裝置的發電性能較好。② 底坡角度對振蕩水柱式波浪發電裝置性能的影響。通過比較波高一定、氣室高度一定、底坡角度變化的情況下4組工況(01、04、07)、(02、05、08)、(03、06、09)和(10、11、12)的峰值電壓均值。發現隨著底坡角度增加，發電裝置的發電性能有所下降。本例中底坡角度為30°時，發電機輸出電壓值較大，此時裝置的發電性能較好。③ 波高對振蕩水柱式波浪發電裝置性能的影響。通過比較氣室高度一定、底坡角度一定、波高變化的情況下3組工況(03、10)、(06、11)和(09、12)的峰值電壓均值。發現隨著波高的減小，輸出電壓值減小，這說明在一定的范圍內，波高對裝置的性能有明顯的影響。

事實上，在對振蕩水柱式波浪發電裝置性能研究時，還需要對氣室高度、底坡角度、波高、周期以及不同氣室形狀參量的組合等對氣室工作性能的影響進行更為深入的研究。本實驗裝置選取了幾種典型工況進行研究，旨在增強學生的感性認識，提高學生的實踐動手能力，培養學生的創新意識。本實驗裝置的進一步優化設計與開發，可作為畢業設計題目、大學生創新實驗課題等進行研究。

3 結 語

通過振蕩水柱式波浪發電實驗可以使學生掌握振蕩水柱式波浪發電基本原理，理解氣室形狀參量、波浪要素等對發電裝置性能的影響規律，啟發學生進一步優化發電裝置的思考，還能使學生了解波浪能等新能源的開發現狀與前景，加深對海洋工程結構設計與制造過程的認識。此外，該實驗需多人一組協同完成，鍛煉了學生的動手能力與團隊合作能力。總之，通過該實驗的開展，能夠培養學生學習的積極性和主動性，掌握思考問題、解決問題的方法，激發創新思維和創新意識，提高其綜合素質和實踐能力。

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Design and Development of Experimental Oscillating Water Column Wave Energy Convertor

BAOXing-xian,WUZhou-miao

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

The experimental oscillating water column wave energy convertor with adjustable height of air chamber and angle of bottom slope is designed and manufactured in order to improve the students’ practical ability and cultivate the students’ innovative consciousness. During the experiments in wave tank, 12 typical cases are introduced, including 3 cases of height of air chamber, 3 cases of angle of bottom slope and 2 cases of wave height. Based on the experimental results of the 12 cases, the students can learn about the principle of the oscillating water column wave energy convertor, and the impact factors on the performance of the device, such as air chamber and wave parameters. Moreover, the students can think about the further optimization of the device. With the experiment, the understanding of students on the engineering application of the wave energy development and ocean engineering design and manufacture process is developed.

oscillating water column; wave energy convertor; experimental device; practical teaching

2015-12-07

國家自然科學基金項目(51309239); 2014年中國石油大學(華東)教改重點項目(SY-A201408)

包興先(1981-)，男，山東海陽人，博士，講師，現主要從事海洋工程結構設計與可靠性分析研究。

Tel.:13864244536； E-mail:baoxingxian@163.com

P 743.2； G 642.423

A

1006-7167(2016)09-0051-03