不規(guī)則波下波浪能發(fā)電裝置波-電轉(zhuǎn)換比率實驗室測試方法研究

摘 要： 波浪能發(fā)電裝置物理模型的實驗室測試試驗是評估裝置性能的重要手段，目前針對不規(guī)則波下完整規(guī)范的性能測試試驗較少。該文參考國內(nèi)外波浪能發(fā)電裝置的測試方法及標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實驗室的實際測試工作經(jīng)驗，采用以有效波高和譜峰波周期為參數(shù)的室內(nèi)不規(guī)則波功率計算公式，提出實驗室不規(guī)則波下波浪能發(fā)電裝置物理模型的波-電轉(zhuǎn)換比率測試方法，并應(yīng)用在喇叭型后彎管波浪能發(fā)電裝置物理模型的水池測試試驗中，測得該模型不規(guī)則波下最大波-電轉(zhuǎn)換比率為23.91%。研究結(jié)果表明：建立的測試方法及試驗過程，在波浪能發(fā)電模型的實驗室試驗中取得較好的應(yīng)用效果，更能反映發(fā)電裝置在實海況的運(yùn)行特性。測試結(jié)果可為發(fā)電裝置下一階段的模型設(shè)計以及原型機(jī)示范測試、實海況運(yùn)行的發(fā)電功率預(yù)測方面提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞： 波浪能發(fā)電裝置; 實驗室測試方法; 物理模型試驗; 不規(guī)則波試驗; 波-電轉(zhuǎn)換比率

中圖分類號： TB9; TM612; P743.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）03–0096–09

0 引 言

在“雙碳”目標(biāo)背景下，如何減低二氧化碳排放，提高能源利用效率成為能源發(fā)展的重要問題[1]。海洋可再生能源作為傳統(tǒng)能源的替補(bǔ)方案之一，我國于2010 年起就設(shè)立了海洋可再生能源專項資金，并取得了豐富的成果。海洋能發(fā)電裝置的測試工作是判斷裝置優(yōu)劣的重要手段，歐美等海洋國家較早進(jìn)行了海洋能發(fā)電裝置的測試和評價工作，目前已有包括英國的歐洲海洋能源中心（European MarineEnergy Centre，EMEC）、加拿大的Fundy 海洋能源中心 （FORCE）、和丹麥的Folke-Center 海洋能測試場等10 多個系統(tǒng)成熟的海洋試驗場[2]。其中，EMEC 于2009 年發(fā)布了其用于試驗、測試、評價等方面的共計 12 份指南和標(biāo)準(zhǔn)化文件[3]，國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）出版了海洋能相關(guān)的技術(shù)規(guī)范[4]，國際拖曳水池會議（International Towing Tank Conference，ITTC）也出版了有關(guān)波浪能轉(zhuǎn)換裝置模型試驗的推薦程序和指南[5]。

波浪能發(fā)電裝置的主要研究方法包括理論分析、數(shù)值模擬、物理模型試驗和現(xiàn)場觀測試驗。在針對國內(nèi)的波浪能發(fā)電裝置的現(xiàn)場測試方法中，已有相應(yīng)的研究成果，如王項南等[6] 針對我國“萬山號”波浪能發(fā)電裝置開展現(xiàn)場測試工作并對測試指標(biāo)進(jìn)行了評價與分析。針對波浪能發(fā)電裝置的模型試驗研究，張亞群等[7] 對新型的雙浮體“鷹式”波浪能浮標(biāo)，開展了實驗室內(nèi)二維水槽的物理模型試驗；何則辰等[8] 針對振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置陣列，通過模型試驗研究了不同波浪條件下裝置運(yùn)動性能和發(fā)電功率的影響規(guī)律。目前波浪能發(fā)電裝置物理模型試驗研究中，許多試驗工作受環(huán)境限制，規(guī)則波下的性能測試較多，不規(guī)則波的測試較少；而由于不規(guī)則波的試驗工況更能反映發(fā)電裝置在實際海況中的運(yùn)行性能，波浪能發(fā)電裝置的實際應(yīng)用過程離不開不規(guī)則波下的測試試驗。同時，現(xiàn)有的物理模型試驗中多數(shù)僅針對裝置某一部件或某一能量轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行測試，如液壓過程、氣動過程等，其中完整規(guī)范的波至電的性能測試較少。因此本文在已有的研究基礎(chǔ)上，提出了波-電轉(zhuǎn)換比率的定義，以及實驗室內(nèi)不規(guī)則波下的波-電轉(zhuǎn)換特性測試方法。

本文通過參考國內(nèi)外測試標(biāo)準(zhǔn)及方法，以及結(jié)合在國家海洋技術(shù)中心海洋動力環(huán)境實驗室的實際測試工作經(jīng)驗，提出了基于波-電轉(zhuǎn)換比率定義的不規(guī)則波下波浪能發(fā)電裝置物理模型的實驗室測試方法，并應(yīng)用于中國科學(xué)院廣州能源研究所研制的喇叭型后彎管波浪能發(fā)電模型的測試試驗中，同時對測試結(jié)果展開評價分析。研究結(jié)論與提出的不規(guī)則波試驗的測試方法及實際的試驗過程，可為國內(nèi)外研究人員開展波浪能發(fā)電裝置物理模型的不規(guī)則波試驗提供參考依據(jù)。

1 測試方法

國家海洋技術(shù)中心海洋動力環(huán)境實驗室自2017 年建成以來，先后完成了浮力擺式、點(diǎn)吸收式、鷹式等波浪能發(fā)電裝置以及水平軸式、磁力耦合式潮流能發(fā)電裝置的測試試驗。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)出波浪能發(fā)電裝置物理模型的室內(nèi)測試方法應(yīng)包括以下五個方面：確定測試裝置的類型、明確試驗階段、試驗環(huán)境要求、物理模型及試驗工況設(shè)計、試驗數(shù)據(jù)處理及計算方法。

目前國際上關(guān)于波浪能發(fā)電裝置物理模型測試方法，主要參考是ITTC 的《Wave energy convertermodel test experiments》和EMEC 的《Tank testingof wave energy conversion systems》，這兩個方法主要適用于歐美等海洋國家的波浪能發(fā)電裝置的測試過程，同時沒有針對物理模型完整的波-電轉(zhuǎn)換特性的測試方法。本文在此基礎(chǔ)上并結(jié)合了我國的標(biāo)準(zhǔn)文件，具體說明測試方法五個方面的內(nèi)容，同時提出波-電轉(zhuǎn)換比率的定義，用于反映波浪能發(fā)電裝置物理模型的整體波-電轉(zhuǎn)換特性。