防波堤兼作振蕩水柱波能裝置的工作性能試驗

紀君娜

(山東省調(diào)水工程運行維護中心棘洪灘水庫管理站，山東 青島 266111)

隨著能源危機的日益突出，開發(fā)利用海洋可再生能源正受到越來越多的關(guān)注，波浪能由于資源儲量豐富且能流密度較高，是目前開發(fā)的熱點[1]。振蕩水柱式裝置(oscillating water column，OWC)能量轉(zhuǎn)換原理較為簡單，可靈活布置，并且便于維修，是目前世界上最受歡迎的波能發(fā)電裝置之一[2]。該裝置首先通過空氣氣室將波浪能轉(zhuǎn)換為氣動能，再利用空氣透平將氣動能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸軸功，最后發(fā)電機可將轉(zhuǎn)軸軸功轉(zhuǎn)換為電能。

通過改變OWC裝置氣室的結(jié)構(gòu)形式，可以提高其波能轉(zhuǎn)換效率。Ashlin等[3]研究了氣室不同底部形式對OWC裝置轉(zhuǎn)換性能的影響，發(fā)現(xiàn)底部為圓弧形的氣室性能更優(yōu)。Vyzikas等[4]對比了氣室形式對能量轉(zhuǎn)換效率的影響，研究發(fā)現(xiàn)，U型結(jié)構(gòu)的氣室能有效提高裝置的能量轉(zhuǎn)換效率。王鵬等[5]提出一種帶水平底板的氣室結(jié)構(gòu)，探究了不同底板結(jié)構(gòu)及波浪條件對OWC裝置水動力特性的影響。寧德志等[6]在數(shù)值模擬中研究了氣室寬度、前墻高度與厚度等變量對裝置能量轉(zhuǎn)換的影響。

OWC裝置通常可以和防波堤等海工結(jié)構(gòu)物進行復(fù)合式開發(fā)，這是因為二者在工作水域、工作特征及受力特征等方面都有共通之處，具備聯(lián)合開發(fā)的基礎(chǔ)。例如，防波堤和振蕩水柱裝置均設(shè)置在近海海域且都需要承受波浪力作用。將沉箱防波堤的前墻下方開口，其中迎浪面處隔艙不再回填砂石，而是采用空腔結(jié)構(gòu)，使其作為OWC波能裝置的氣室，如圖1所示。通過此改造，可使原有防波堤在為港口提供泊穩(wěn)條件的同時，兼作波能發(fā)電裝置[7]。Zheng等[8]基于勢流理論，構(gòu)建了OWC與防波堤相結(jié)合的數(shù)值理論模型，研究了氣室的厚度、開口大小等對裝置的影響。史宏達等[9]對OWC防波堤所受的波浪力及穩(wěn)定性進行了驗算。He等[10]將OWC裝置與圓筒樁基型防波堤結(jié)合，總結(jié)了裝置的動力特性規(guī)律。

圖1 兼作OWC氣室的沉箱防波堤[7]Fig.1 Break water integrated with the air chamber of oscillating water column[7]

目前大部分相關(guān)文獻都側(cè)重于OWC裝置單獨氣室的能量轉(zhuǎn)換，對于防波堤兼作OWC裝置的波-電能量轉(zhuǎn)換過程研究較少。本文通過模型試驗，構(gòu)建了沉箱防波堤兼作OWC裝置的物理模型，并在氣室上連接空氣透平與發(fā)電機，研究了不同波浪條件下裝置的發(fā)電性能，研究結(jié)果可為未來工程應(yīng)用開發(fā)提供直接數(shù)據(jù)支持。

1 試驗概況

1.1 裝置模型

本文使用的OWC氣室為直立式沉箱結(jié)構(gòu)，由厚度為10 mm的亞克力板制成，如圖2所示，沉箱長0.6 m，寬0.8 m，高1.2 m，沉箱前墻下端開口，開口高度為0.3 m。沉箱頂部開圓孔，用以固定安裝波高儀，測量氣室內(nèi)自由液面的升沉高度，此外通過沉箱頂部開孔連接壓力傳感器，采集氣室內(nèi)空氣壓強的實時變化。

采用沖擊式透平作為能量轉(zhuǎn)換裝置，透平轉(zhuǎn)子的外徑為0.12 m，輪轂比為0.7，動葉片共28個，兩側(cè)導(dǎo)流葉片各21個，如圖3所示。本試驗電機選擇直流增速發(fā)電機，發(fā)電機內(nèi)置于空氣透平中，轉(zhuǎn)軸通過鍵接與透平轉(zhuǎn)子相固定，通過電壓傳感器和電流傳感器，可測得OWC裝置在不同工況下的電壓、電流和電功率輸出情況。

圖2 沉箱氣室模型Fig.2 Air chamber model

圖3 沖擊式透平模型Fig.3 Impulse turbine model

1.2 模型布置

本文的物理模型試驗在中國海洋大學(xué)山東省海洋工程重點實驗室的波流水槽中進行，水槽長60 m，寬0.8 m，高1.5 m，槽首安裝造波機，槽尾鋪設(shè)消波網(wǎng)。防波堤氣室安裝在距離造波板40 m處，以充分利用水槽長度，減少波浪反射的影響，如圖4所示。在氣室內(nèi)部左、中、右處各布置一支波高儀，以反映水柱的振蕩形式和幅度。氣室內(nèi)空氣壓強的變化通過頂部的壓力傳感器測得，與空氣透平相連的扭矩傳感器可以測量透平的轉(zhuǎn)速和扭矩。

圖4 水工物理試驗布置Fig.4 Layout of the OWC model in the wave flume

1.3 波浪條件

試驗采用規(guī)則波波況作為入射波，水深固定為0.75 m，設(shè)計規(guī)則波波高H為0.05～0.20 m，間隔0.05 m取一組，共4組；波浪周期T為1.5～2.5 s，間隔0.25 s取一組，共5組。試驗中采集了氣室內(nèi)自由液面高度、氣室內(nèi)空氣壓強、透平的轉(zhuǎn)速及扭矩、發(fā)電機的電流及電壓數(shù)據(jù)。根據(jù)測得的物理量，可求得OWC防波堤的各級能量轉(zhuǎn)換效率，公式如下：

η1=P空氣/P波浪，

(1)

η2=P透平/P空氣，

(2)

η=P透平/P波浪，

(3)

式中，η1、η2、η分別代表氣室的能量轉(zhuǎn)換效率、透平的能量轉(zhuǎn)換效率和裝置的波電能量轉(zhuǎn)換效率。而波浪平均功率P波浪，空氣平均功率P空氣及透平平均功率P透平可分別由以下公式求得：

P波浪=0.5ρga2CW，

(4)

(5)

(6)

式中，ρ和g分別為水的密度和重力加速度，a為入射波振幅，C為波速，W為氣室寬度，S為水面面積，p為空氣壓強，α為氣室內(nèi)波高，I和U分別發(fā)電機輸出的電流和電壓。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 氣室能量轉(zhuǎn)換效率

利用公式1，可計算不同入射波波高和周期條件下，OWC防波堤氣室的能量轉(zhuǎn)換效率，如圖5所示。結(jié)果顯示：當(dāng)周期小于2.25 s時，不同波高條件下，氣室的能量轉(zhuǎn)換效率相差不大，并且都隨著入射波周期的增大而明顯增大；當(dāng)入射波周期大于2.25 s，隨著入射波周期繼續(xù)增大，氣室的轉(zhuǎn)換效率增幅有限；氣室最低轉(zhuǎn)換效率在T= 1.5 s處獲得，為0.026，而氣室的最高效率可達0.405，在最大周期T=2.5 s處獲得。此結(jié)果說明入射波波浪周期對沉箱氣室性能有較大影響，在實際工程中，要根據(jù)波浪條件，對沉箱的尺寸進行合理設(shè)計。

2.2 透平能量轉(zhuǎn)換效率

透平的能量轉(zhuǎn)換效率如圖6所示，計算結(jié)果依據(jù)公式2求得。由圖可見，當(dāng)波高為最小的0.05 m時，透平的轉(zhuǎn)換性能較差，這是因為波高較小時，氣室內(nèi)產(chǎn)生的空氣氣流流速較低，透平在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下產(chǎn)生的電流和電壓較小。同時，入射波周期對透平的能量轉(zhuǎn)換效率也有較大影響，在小波浪周期條件下，氣室內(nèi)水面擠壓空氣變化的周期也較短，氣流吸入和呼出變化速度加快，空氣流速增大，透平在大流速條件下，獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率。

2.3 波電能量轉(zhuǎn)換效率

圖5 不同入射波高的氣室能量轉(zhuǎn)換效率Fig.5 Efficiencies of the air chamber

圖6 不同入射波高的透平能量轉(zhuǎn)換效率Fig.6 Efficiencies of the air turbine

沉箱氣室和透平的能量轉(zhuǎn)換性能共同決定了OWC防波堤的波電轉(zhuǎn)換效率，根據(jù)公式3，可求得OWC的波電能量轉(zhuǎn)換效率，如圖7所示。結(jié)果顯示，當(dāng)波況較差，即入射波高較小時，OWC的波電轉(zhuǎn)換性能較差。在各個波高下，隨著入射波周期的增大，OWC的波電能量轉(zhuǎn)換效率逐漸增大。本試驗所測范圍內(nèi)，波電能量轉(zhuǎn)換效率最高為10.7 %，在波高H=0.15 m，T=2.5 s處取得。因此在設(shè)計振蕩水柱防波堤時，要特別注意建設(shè)地點的波浪條件，尤其是波浪周期。

圖7 波電能量轉(zhuǎn)換效率Fig.7 Efficiencies of wave-to-wire

3 結(jié)論

本文通過物理模型試驗，研究了沉箱防波堤兼作OWC波能發(fā)電裝置的工作性能，分析了不同波浪條件對氣室能量轉(zhuǎn)換效率、空氣透平能量轉(zhuǎn)換效率以及裝置整體波電能量轉(zhuǎn)換效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，入射波浪周期對于OWC裝置的能量轉(zhuǎn)換過程有較大的影響，隨著波浪周期的增大，氣室的能量轉(zhuǎn)換效率逐漸增大，而透平的轉(zhuǎn)換效率降低。此外，在波高較小時，振蕩水柱防波堤的波電轉(zhuǎn)換性能較差，在長周期波浪作用下，裝置的波電轉(zhuǎn)換效率較高。因此在設(shè)計防波堤兼作振蕩水柱電站時，要根據(jù)實際的波浪條件，對裝置的尺寸進行合理選擇與優(yōu)化。