波浪對潮流能水輪機性能測試影響的實驗研究

路 寬，王花梅，韓林生，徐文和，靳志剛，蘇 惠

（1. 國家海洋技術中心，天津 300112； 2. 遼寧燕北海洋電力開發有限公司，遼寧 沈陽 111211）

近年來，世界范圍內的潮流能開發利用技術飛速發展，一些潮流能裝置已進入商業化階段。我國潮流能資源豐富，具有相當的開發利用價值[1-3]。潮流能開發利用技術經過多年的發展，已日趨成熟，特別是在國家的大力支持下取得了豐碩的成果。浙江大學、國電聯合動力技術有限公司等單位研制的潮流能水輪機已陸續進入了示范應用階段。這些項目的順利實施，標志著我國潮流能開發利用技術已經由研制階段進入到示范應用階段。

海洋能開發利用技術的發展對相關測試方法和技術也提出了更高的要求。目前，我國還沒有統一的測試標準，測試工作一般都是由研發方自行開展，無論是測試方法還是測試設備都不夠規范。由于測試過程中忽視了很多問題，使得研發者對實施結果的預期過于樂觀，造成了裝置在海上運行一段時間后才發現各種可靠性、可維護性、生存性的問題。裝置一旦布放到海里，進行維修和改進都涉及一筆很大的投入，致使很多項目都陷入到進退兩難的境地，這樣的例子屢見不鮮。因此，在裝置各個關鍵環節進行規范化、標準化的測試是非常必要的。

國際電工委員會（IEC）在2013 年發布了潮流能水輪機發電性能的評價標準[4]，由于目前我國并沒有潮流能裝置測試的標準，因此在實際測試時主要參考此文件開展工作。該標準中提到在測試時應考慮波浪對潮流能裝置的影響，在標準的附錄提到，當波浪引起水質點運動速度大于額定流速的20%的時候，應充分考慮到波浪對測試結果的影響。但是標準中并沒有說明如何具體考慮，這使得在實際開展測試時無法操作與執行。本文重點針對波流相互作用對潮流能水輪機發電性能的影響開展研究，通過物理模型試驗的方法[5-6]，分析波流相互作用對裝置的影響方式與程度，從而提出在進行測試時，該如何考慮并避免波浪的影響，為實際測試工作的開展提出可具體操作的方法，此項工作可為我國潮流能裝置測試標準的制定及現有標準的完善提供科學依據。

1 波流相互作用對測試的影響

波浪是海岸工程和海洋工程領域的主要荷載，因為波浪引起的水體運動在很多方面對海洋結構物有很大的影響，如波浪荷載及運動響應等。此外，不同尺度的波與流之間都存在著相互作用[7-17]，漲潮時的順流會使波浪變平，落潮時的逆流會使波浪變陡。不同尺度的長波與短波也會相互作用，產生波浪變形，而波浪破碎時，在破波線與岸線之間會形成沿岸流，如遇到特殊海底地形，還會產生一股向深海方向的窄帶狀流動，即離岸流。如果不考慮這些波流相互作用的影響，很可能會引起海洋結構物的損壞而發生事故。

波流相互作用對海洋結構物動力荷載的影響不可忽略，波流作用于結構物浸沒部分，應作為主要環境荷載予以考慮。而在我國當前研究階段，針對潮流能水輪機在波流與裝置耦合作用方面的考慮遠遠不夠。具體體現在兩方面：一方面，裝置在結構設計方面，葉片、裝置載體與系泊系統在設計階段大多沒有考慮波流之間的耦合相互作用的影響，這直接影響到了水輪機的生存性與環境適應性。另一方面，在發電性能（PTO）設計環節，也沒有充分考慮波流的非線性作用改變了波流場，這也將影響水輪機的可靠性，使得實際的發電效果遠低于預期。這類問題產生的影響將在今后水輪機大規模應用階段有更為突出的體現。

對海洋能發電裝置的測試工作而言，要有預見性的指導和規范來促進該技術的發展，在裝置的測試階段應充分考慮將來可能遇到的各種問題，并提出改進建議，這有利于該技術的成熟與產業化發展，因此應盡快將波流的相互影響因素作為測試的一個重要環節加以考慮。

2 測試設施及試驗模型

波浪與水流的相互作用會影響到水輪機的結構安全與發電性能。結構安全可通過數值模擬進行計算，這方面工作有很多軟件可以實現，這通常也是最為節約成本的一種方法。同時，我國也正在建設全尺度全鏈條的針對風機的測試平臺，為結構安全、疲勞等測試提供了測試環境，而在海洋能領域目前還沒有提出這樣的建設方案，這也是今后需要做的重點工作之一。而波浪對于發電性能的影響，更是鮮有研究，目前解決波浪與海洋結構物之間相互作用問題的研究手段主要有：理論分析、數值模擬、物理模型試驗和現場觀測4 種方法。其中理論分析只能解決比較簡單的問題，對于比較復雜的耦合問題顯得無能為力。依托計算機和計算軟件飛速發展的數值模擬方法已經成為最為主要的研究手段[18-22]，但目前并沒有統一的模型可以采用。現場觀測的成本和耗時也比較大，關鍵是潮流能發電站現場條件非常復雜[18-22]，不利于研究分析。因此，本文主要采用物理模型試驗的研究方法。

2.1 試驗設施

試驗在自然資源部國家海洋技術中心動力環境實驗室（圖1）中進行，主要包括下述試驗設施及設備。

（1）多功能水池：長130 m，寬18 m，池深6 m，試驗水深4.5 m。

（2）運動平臺：最大速度4 m/s，穩速精度0.4%，由控制系統直接輸入運行速度。平臺安裝有模型安裝桿，可通過法蘭連接試驗模型，安裝桿可沿水池橫向和垂向伸展移動。

（3）造波機：10 單元伺服電機驅動式推板造波機，最大波高0.6 m，周期范圍為0.5～5 s，由上位機軟件進行控制，可模擬產生規則波和不規則波。

（4）ZH07 型轉矩轉速傳感器：轉矩量程500 N·m，轉速量程4 000 r/min，齒數1 440，準確度等級0.3 級，可直接連接電腦采集轉矩轉速數據。

（5）日置HIOKI 3390 功率分析儀：最大電壓量程1 500 V，電流量程20 A，功率范圍為6.000 0～2.250 0 MW，測量精度：±0.05 %。

（6）雙線性型BG-II/1000MM 波高傳感器：量程0～1 m，精度0.2 %。

圖1 海洋動力環境實驗室

2.2 試驗模型

試驗模型（圖2）采用遼寧燕北海洋電力開發有限公司研制的可開合4 葉片垂直軸潮流能水輪機模型，模型配有增速器和電機，測試負載為滑動變阻器，具體參數如表1 所示。

圖2 試驗模型

表1 潮流能水輪機模型參數

3 試驗及數據分析

試驗包括靜水拖曳試驗與造波拖曳試驗，造波拖曳試驗分為順波與逆波兩種情況。順波時，波向與拖曳方向一致，即波流反向；逆波時，波向與拖曳方向相反，即波流同向。研究波浪對不同流速下潮流能裝置發電性能的影響。

3.1 試驗布局

測試布局如圖3 所示，首先將模型安裝在運動平臺的儀器安裝桿上，運動起始位置距造波板的距離為90 m，在距離造波板20 m 處停止，用以保證最大運行距離與試驗。通過運動平臺搭載2 支波浪傳感器，用于測試模型前方波浪數據。在運動平臺拖曳試驗模型前，進行與拖曳時相同工況的造波，再將兩支波浪傳感器測得的波浪數據進行平均處理。轉矩轉速傳感器安裝在葉輪與增速器之間的主軸上，可測得裝置增速前的扭矩與轉速，直觀地了解到波浪對于能量捕獲機構的影響。功率分析儀放置在運動平臺上，連接到滑動變阻器的兩端，測試最終輸出的電功率。

圖3 試驗布局圖

3.2 試驗過程

試驗前，首先對波高儀進行了標定，通過在量筒中選取不少于4 個水深值分別測得讀數，以讀數為輸入值，水深值為輸出值，并對各傳感器進行曲線擬合得到傳感器的K、C 值。然后再對造波機進行標定，即將規則波下的每個測試工況進行造波試驗，將采集到的波高與目標波高進行比較，如存在誤差，則需調整傳遞函數，使試驗區波高滿足試驗要求。在造波機標定的同時，調整裝置的發電負載，使裝置處在最佳的發電狀態。

靜水試驗時，平臺速度為0.5～1.8 m/s，間隔0.1 m/s，共14 組工況，每組工況重復3 次。造波拖曳試驗時，波高0.1 m，波周期2.45 s，平臺拖曳速度仍然為0.5～1.8 m/s，間隔0.1 m/s，分順波和逆波2種情況，共28 組工況，同樣，每組工況重復3 次。

通過轉矩轉速傳感器測量模型的轉矩與轉速，采用功率分析儀獲取模型輸出電功率。圖4 為試驗現場圖片。

圖4 試驗現場

3.3 試驗結果分析

本文將以1.8 m/s 流速為例，進行扭矩、轉速與發電功率的分析。在靜水、順波與逆波情況下，測得的主軸扭矩曲線如圖5 所示。可以看出，在靜水試驗時，裝置主軸的扭矩變化曲線比較規則，在50～120 N·m 之間。當順波和逆波試驗時，兩者的情況比較相似，主軸的扭矩受波浪的作用影響明顯，曲線的波峰與波谷也不再規則，最大瞬時扭矩達到了140 N·m，平均扭矩也增加了約15 %。

圖5 3 種不同情況下的主軸扭矩曲線

扭矩的增加提高了能量捕獲能力，進而提高發電性能，這是積極的影響。但同時，加速了主軸的磨損，降低了裝置的使用壽命，特別是在實際海洋環境中，隨機波的存在會造成主軸受到不規則的扭矩、彎矩等隨機荷載，這些因素在裝置設計和測試試驗時應加以考慮。

轉速的情況與扭矩類似，如圖6 所示。靜水時，主軸的轉速在8～15 r/min 之間變化，這種非勻速的轉動主要是裝置本身特性決定的，由于是可開合的葉片，葉輪的阻力是在不斷變化的，因此造成了轉速的規則變化。在順波和逆波的時候，在波浪的作用下，最大轉速提高到20 r/min，曲線也變得不規則，平均轉速增加了約10 %。

發電機的輸出功率如圖7 所示，功率在30～120 W之間變化，平均發電功率66 W。順波時，最大瞬時發電功率193.3 W，平均發電功率77 W。逆波時，最大瞬時發電功率185.2 W，平均發電功率79 W。

圖6 3 種不同情況下的主軸轉速曲線

圖7 3 種不同情況下的輸出功率曲線

試驗結果表明，波浪對裝置的影響顯著，如果只是關注裝置的統計數據，這種影響往往會被忽視。但是當研究者關注瞬時值時就會發現，波浪對于裝置的影響遠超之前的想象。如本次試驗，存在波浪作用時，最大扭矩提高了17 %，最大轉速提高了33 %，而瞬時發電功率更是提高了58 %。

其他流速情況如圖8 所示，圖中為平均輸出功率，至于瞬時值，每個流速的情況與1.8 m/s 流速的情況類似，都有顯著增大。靜水時，該模型在流速0.8 m/s 時開始啟動，而存在波浪的時候，啟動發電所需的流速更低，甚至在0.6 m/s 的時候就已經存在輸出功率了，這可以考慮為波流相互作用下的改變發電性能的一種表現。可以看出，每個流速下，波浪對輸出功率都有不同程度的影響，平均影響程度在10 %左右。

圖8 3 種不同情況的功率特性曲線

波浪的存在一方面提高了裝置的發電性能，另一方面又對裝置的控制系統、結構安全、壽命等方面提出了更高的要求，如果在設計裝置時作為積極因素加以考慮，可作為提高裝置性能的一種手段。從測試試驗角度出發，如果裝置運行在波流環境中，波流相互作用的測試試驗應作為規范化試驗的一個重要環節。

4 結論

國際電工委員會的TS62600-200 標準提到了測試試驗時應考慮波流相互作用的影響，并將波浪對潮流能水輪機測試影響作為下一步研究的重點。對于本文試驗的對象——垂直軸水輪機，由于它不受入射方向的限制，波浪的存在會增加輸出功率，但另一方面，瞬時值的變大，也對結構安全性提出了更高的要求。但是對于水平軸水輪機來說，波浪的影響可能更為不利，這些可作為后續的研究內容加以考慮。

因此，本文建議在進行潮流能水輪機測試時，考慮波浪的影響時應加入以下兩項內容：（1）除了坐底式這類不受波浪影響的裝置，其他裝置在室內模型階段應進行波流及結構物耦合測試試驗。（2）現場測試工作應盡可能在該海域常規海況下進行，如不可避免地需要在高海況下進行測試，即波浪對發電功率影響大于10 %時，則應充分考慮并排除波流相互作用對測試結果的影響。