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，開發利用海洋可再生能源正受到越來越多的關注，波浪能由于資源儲量豐富且能流密度較高，是目前開發的熱點[1]。振蕩水柱式裝置(oscillating water column，OWC)能量轉換原理較為簡單，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電裝置之一[2]。該裝置首先通過空氣氣室將波浪能轉換為氣動能，再利用空氣透平將氣動能轉換為轉軸軸功，最后發電機可將轉軸軸功轉換為電能。

通過改變OWC裝置氣室的結構形式，可以提高其波能轉換效率。Ashlin等[3]研究了氣室不同底部形式對OWC裝置轉換性能的影響，發現底部為圓弧形的氣室性能更優。Vyzikas等[4]對比了氣室形式對能量轉換效率的影響，研究發現，U型結構的氣室能有效提高裝置的能量轉換效率。王鵬等[5]提出一種帶水平底板的氣室結構，探究了不同底板結構及波浪條件對OWC裝置水動力特性的影響。寧德志等[6]在數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換的影響。

OWC裝置通常可以和防波堤等海工結構物進行復合式開發，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，具備聯合開發的基礎。例如，防波堤和振蕩水柱裝置均設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，而是采用空腔結構，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條件的同時，兼作波能發電裝置[7]。Zheng等[8]基于勢流理論，構建了OWC與防波堤相結合的數值理論模型，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定性進行了驗算。He等[10]將OWC裝置與圓筒樁基型防波堤結合，總結了裝置的動力特性規律。

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]

目前大部分相關文獻都側重于OWC裝置單獨氣室的能量轉換，對于防波堤兼作OWC裝置的波-電能量轉換過程研究較少。本文通過模型試驗，構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電機，研究了不同波浪條件下裝置的發電性能，研究結果可為未來工程應用開發提供直接數據支持。

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構，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，采集氣室內空氣壓強的實時變化。

采用沖擊式透平作為能量轉換裝置，透平轉子的外徑為0.12 m，輪轂比為0.7，動葉片共28個，兩側導流葉片各21個，如圖3所示。本試驗電機選擇直流增速發電機，發電機內置于空氣透平中，轉軸通過鍵接與透平轉子相固定，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，槽尾鋪設消波網。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

試驗采用規則波波況作為入射波，水深固定為0.75 m，設計規則波波高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自由液面高度、氣室內空氣壓強、透平的轉速及扭矩、發電機的電流及電壓數據。根據測得的物理量，可求得OWC防波堤的各級能量轉換效率，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換效率、透平的能量轉換效率和裝置的波電能量轉換效率。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為氣室內波高，I和U分別發電機輸出的電流和電壓。

2 試驗結果分析

2.1 氣室能量轉換效率

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換效率，如圖5所示。結果顯示：當周期小于2.25 s時，不同波高條件下，氣室的能量轉換效率相差不大，并且都隨著入射波周期的增大而明顯增大；當入射波周期大于2.25 s，隨著入射波周期繼續增大，氣室的轉換效率增幅有限；氣室最低轉換效率在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，要根據波浪條件，對沉箱的尺寸進行合理設計。

2.2 透平能量轉換效率

透平的能量轉換效率如圖6所示，計算結果依據公式2求得。由圖可見，當波高為最小的0.05 m時，透平的轉換性能較差，這是因為波高較小時，氣室內產生的空氣氣流流速較低，透平在低轉速狀態下產生的電流和電壓較小。同時，入射波周期對透平的能量轉換效率也有較大影響，在小波浪周期條件下，氣室內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，獲得較高的能量轉換效率。

2.3 波電能量轉換效率

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

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

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

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

3 結論

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