OWC装置空气透平压降作用试验研究＊

史宏达，高人杰，刘 臻，焦建辉

（1.中国海洋大学海洋工程山东省重点实验室，山东青岛266100；2.大唐青岛港务有限公司，山东青岛266400）

在海洋资源及海岸工程领域内，关于波浪能开发利用的研究正在逐渐成为备受关注的热点课题。［1］振荡水柱（Oscillating Water Column，简称OWC）式装置由于结构简单、无水下活动部件、造价低、可靠性高而成为世界上应用最为广泛的波能发电装置，也是目前公认最有前途、投入研究力量最大的岸式波能发电装置［2］。

近年来，国内外学者对振荡水柱波能发电装置进行了卓有成效的研究，获得了许多有价值的研究成果。根据能量2次转换的过程，该领域的研究内容大体可分为针对气室结构和空气透平两部分［3］。但传统研究中，通常是将其中一个能量转换过程简单假设而对另一过程进行相对独立的考察：气室研究中忽略透平结构及其影响，透平研究中忽略自由水面、气室内压强及空气吸入与呼出的变化。通过分别提高各转换率的方法，达到提高整个装置波能转化效率的目的。

但在OWC波能装置中，2个能量转换过并非各自独立：气室内振荡水柱的升沉，带动气室内气体压强产生变化，气室内外压强产生空气的往复流动；另一方面，空气流过透平后会产生相对压降，从而带来气室内气压变化，该变化又会导致自由水面振幅发生改变。由此可见，振荡水柱升沉，气室内气体压强以及输气管内的往复气流是三者联动，相互耦合，相互作用的关系。印度波能电站的实测资料也表明了该耦合过程的重要性［4］，未引入透平影响的气室内相对波幅值可达到1.5～2.0，而包含透平运行的电站实测相对幅值则只有0.3左右。但前人在OWC气室结构的研究中，气室模型基本为顶部完全开敞或仅在顶部（后部）安装输气管道，而未见安装透平结构或引入透平的压降影响，因此难以准确反映气室结构的实际工作状态与性能。由此可见，传统研究方法既难以全面揭示OWC装置的能量转换机理，也难以准确预测装置在实际运行过程中的波能转换效率。

在此能量转换过程中，空气透平的压降作用及由其带来的空气流速变化，是串联2次能量转换过程、实现两转换过程耦合的核心要素。因此，构建2次能量转换的耦合系统就必须考察透平压降作用对能量耦合系统整体工作性能的影响。本实验即基于透平压降装置的替代性研究展开。气室后部分别安装带有发电设备的冲击式透平或孔板结构，用于提供空气透平的压降作用。

1 振荡水柱（OWC）波能发电装置介绍

1.1 装置的工作原理

OWC波能发电装置主要包含2个能量转换过程：

（1）第一次能量转换，气室结构首先将入射波能转换为往复流动气体的动能；

（2）第二次能量转换，输气管内的透平带动电机再将空气动能转化为电能。

波能装置研究的核心问题，即在揭示能量转换机理的基础上提高装置的能量转换效率［5］。

图1 波浪能转换过程图Fig.1 The conversion process of Wave Energy

波动的总能量由水面位移产生的势能和流动的水质点的动能组成。

1个波长（L）范围内单宽波峰线长度的波浪势能Ep由下式确定：

1个波长范围内单宽波峰线长度的波浪动能EK由下式计算：

在微幅波中，上式可近似地写为：

其中，根据势流理论可求得流体内部任一点（x，z）处水质点运动的水平分速u和垂直分速w分别为：

将式（1～5）、（1～6）代入式（1～4）并积分后得：

于是1个波长范围内的总波能为：

本文设定开孔气室的开孔宽度为B，透射波能系数为γi，其中γi≤1，则进入气室的入射波总能量为：

气室中的能量转换主要通过气液相互作用使波浪能转换为空气的动能，因此，1个波长范围内的输气管中的空气动能为：

式中：d为输气管管径；ρk为空气密度。

由上述公式（9）和（10）可以看出，定义OWC波力发电装置的第一次能量转换效率η为：

因此通过测量输气管内空气流速计算装置的第1次能量装换效率。至于空气动能转化为空气透平转动的机械能从而带动发电机转动发电的第2次能量转换的效率本试验中暂不涉及。

1.2 装置的气室设计

本试验装置主要振荡水柱式波力发电装置气室及其输气管，示意图如图2所示。

图2 OWC发电装置气室设计示意图Fig.2 The view of the Air chamber design of OWC

上图中：①是振荡水柱式发电装置的气室，用于消浪、吸收转换能量，气室前壁下部大开孔；②为输气管，内置空气透平，连接气室与外界空气。

结合本文的试验研究，设计气室原型厚0.5 m，底板厚度0.7 m，盖板厚0.7 m；长12.8 m，宽8 m，高16 m。

2 物理模型实验

2.1 试验设备及仪器

本试验在海军工程实验室的断面物理模型试验水槽中进行，水槽长50 m、宽1.2 m、深1.2 m。水槽底部、槽首造波机安装段与槽尾消能区均为混凝土结构，中间试验段采用钢架结构，2个边壁镶嵌12 mm厚的玻璃（见图3）。低惯量直流式电机无反射不规则造波机安装在水槽的首端，造波机所能产生的最大模型试验波高为0.23 m，控制系统通过固定在造波板上的2个浪高仪反馈的波高信息，调整造波信号，以达到吸收包括建筑物模型等所产生的反射波能，减小造波板二次反射对试验结果的影响的效果，整个造波系统的稳定性和精度可满足试验的要求。另一端为消能设施，造波机后部及水槽尾端采用的消波材料，试验段水槽分为2格，宽度分别为0.8和0.4 m，其中0.8 m的一格放置模型，另一格用于消能。

图3 试验水槽Fig.3 The experimental channel

试验中，波高的测量采用电容式波高仪，将其布置在气室中心位置，数据采集主要采用SG2000型多功能数据采集处理系统。

在气室顶部侧面开孔连接2个气压传感器，在气室后端输气管中段布置1个热敏式流速仪，该流速仪量程为0～10 m／s。试验中气压、流速数据是通过USB－4716数据采集模块接收气压传感器和流速仪的电压输出信号转换而得。此外，试验在输气管中加入冲击式透平，通过透平上的直流式电机输出电信号，点亮LED灯泡。

2.2 试验模型比尺的选取及模型仪器布置

本试验中，试验原型最大波高值可达7 m，原型波周期最大可达18 s，为能够覆盖近海波浪至涌浪的模拟，根据试验水槽的能力及气室初步设计的尺度，试验比尺设定为1∶16，波浪模型遵照重力相似准则，进行规则波波型的试验，在气室前墙及气室内中点附近分别布置波高仪，用以监测各处的波高变化；分别在气室上部内及输气管透平两侧布置压力传感器，用以监测各处的气压变化；在输气管内布置空气流量计及流速计用以测定往复气流通量。

2.3 试验设计

2.3.1 试验内容与方法 为了更好地探究空气透平的压降作用效果及进行替代性研究，本试验主要从以下几个方面进行研究：

（1）输气管－气室系统，输气管安装在气室的后侧，主要考察气室内的波高、压强及输气管中空气流速等参数的变化；

（2）在输气管中加入负载（图4，孔板结构），考察气室内的波高、压强及输气管中空气流速等参数的变化，研究负载的影响；

（3）在输气管中加入空气透平（见图5），同样考察气室内的波高、压强及输气管中空气流速等参数的变化，并通过与透平连接的发电机研究各参量的变化。

本实验将OWC装置2次能量转换过程联立，构建2次能量转换的耦合系统，考察与预测气室内振荡水柱的升沉、气室内气压级输气管内空气流动的相互作用与变化，也为数值模拟提供数据支持。

在试验进行之前，首先布置气室内与气室前墙外的波高仪，然后对波高仪进行率定，最后进行依据波试验，率定造波机。在试验数据的采集过程中，当波浪到达气室前墙并稳定后开始采集波高、气室内压强及输气管内空气流速。数据采集过程中，规则波的采样间隔时间为0.016 s，波峰间隔个数为10～12个。

2.3.2 试验工况介绍 本试验依据装置的特殊性，设计了工作高水位、平均水位和工作低水位3个水位工况。将对能量转换过程有影响的因素：入射波周期T、入射波高H、气室内压强P及输气管内空气流速V等作为参量进行研究比较，针对以上内容制定见表1（规则波）的试验工况。

3 试验数据处理

本试验分别在工作高水位、工作平均水位及工作低水位3个工作水位下进行，试验中规则波采用入射波高为1、1.5、2 m，入射波周期为4～9 s进行。试验主要研究气室内波高、压强及输气管内空气流速的变化与透平及负载的关系。

表1 规则波作用下空气透平压降作用试验研究试验工况一览表（模型值）Table 1 The capture effect of Air chamber and the total table of reference wave（Model value）

试验数据进行处理时，将采集到的每组工况的波高按时间顺序排列，在MATLAB中读取并画出时程曲线，编程取出每个波峰值和波谷值，进而计算出波高，再取平均值作为该组工况的试验波高值。将采集到的压强及空气流速值按时间顺序排列，同理画出时程曲线，编程取出每个极大值和极小值，再分别算极大值和极小值的平均值，作为该组工况的试验压强（正或负）值及试验风速（正或负）值。

3.1 透平压降影响与孔板替代作用分析

3.1.1 空载、孔板与透平作用下气室内波面、压强及空气流速变化的时域分析 通过试验中对数据的处理发现在不同周期下，气室内波面、压强及输气管中空气流速的变化存在不同程度的相位差。因此，首先选取平均水位、入射波高H＝1.5 m入射波周期T＝6 s时，气室内波高、压强与输气管中空气流速的对比曲线图进行研究分析。

当输气管分别为空载、内置孔径为1／3输气管直径孔板、内置孔径为2／3输气管直径孔板和内置空气透平时气室内波高、压强与输气管内空气流速的过程曲线对比图（见图6～8）：

从每个图中均可看出：气室内波高变化与输气管内空气流速的变化趋势基本一致，但各周期内幅值略有差异，这是由于气室内波面的起伏带动其室内外空气通过输气管进出气室引起的。但气室内压强与气室内波高的变化相差1／2周期，而且由于加入内置孔板或透平，气室内压强值明显增大，这说明输气管内压强变化相比波面和空气流速变化有滞后性，而且当输气管内有负载时压强增大更加明显。

另外，试验中发现，内置空气透平时的情况基本与内置孔板内径为2／3输气管直径时接近。此结论由图6～8均可以看出，为了验证这一结果，在此列出有代表性的平均水位、入射波高H＝1.5 m，入射波周期T＝4 s和T＝8 s时，气室内波高、压强与输气管中空气流速的过程曲线对比图作为参考（见图9～14）。

上述图线进一步验证了由图6～8得出的结论，而且也可以看出，在不同工况下，能起到替代内置透平作用的是内置孔径为2／3输气管直径的孔板。这也为数值计算时利用空气透平的替代作用进行模拟提供了有力的支持。

3.1.2 空载、孔板与透平作用下气室内波面、压强及空

气流速变化的频域分析 以下对空气透平压降作用试验研究采用无量纲因子——相对波高H0／H考察气室内波面的升降变化，其中，H0为入射波高，H为气室内波面升降的波高。

图15 负载对相对波高的影响Fig.15 Effect of load on the wave height

本试验数据处理中，选取在平均水位及入射波高1.5 m的情况下，分别从相对波高、气室内压强及输气管中空气流速3方面分析负载的影响（对应工况25～30）。试验中，在输气管内设置孔板（包括内径2／3输气管直径和1／3输气管直径2种）作为负载，主要作用是使输气管中气压产生压降，以模拟空气透平对输气管中气压的影响。图15是分别在输气管空载、孔板内径为1／3输气管直径、孔板内径为2／3输气管直径和空气透平4种情况气室相对波高的变化曲线。由图可以看出，随着入射波周期的增大，相对波高逐渐增大，而加入内置孔板后，相对波高明显降低，可见内置孔板及空气透平对气室内波面的振荡产生的影响较大。

图16是负载对气室内压强的影响分析图，图中可以看出，气室内压强与入射波周期基本呈线性关系，但是在周期T＝7 s时有明显下降现象，这是由于到达气室前墙的入射波与气室内波面产生共振引起的。虽然气室内压强随着内置孔板的直径的减小而增大，但并非说明输气管的直径越小越有利于装置的发电，因为空气透平的放置需要输气管具有一定直径，并且装置的寿命和强度对压强也有要求。因此，输气管的直径需综合考虑多方面因素的影响。

图16 负载对气室内压强的影响Fig.16 Effect of load on the pressure of air chanber

3.1.3 气室内波能转换效率 由式1～11可知，气室内波能转换效率通过测得的输气管内空气流速加上对应的工况即可计算出气室内波能转换效率。此处以工况25～30为例，给出这几种工况下对应的气室内波能转换效率值。

表2 装置一次转换效率值一览表（模型值）Table 2 The effect of device energy conversion（Model value）

从装置一次能量转换效率值一览表中可以看出，在进行物理模型试验中，气室输出能随着周期的增大而增大，但随着入射波高的增大，气室内的转换效率逐渐减小，这是由于随着入射波高的增大，抵达气室前墙的波浪产生破碎消耗了部分波浪能。

4 结语

本冲击式透平物理模型试验主要进行了OWC装置透平压降的替代性作用的研究，为数值模拟提供包括数据支持与波面运动对比等验证服务。

物理模型试验研究发现：气室内波高与输气管内空气流速的变化基本一致，与气室内压强的变化相差1／2周期。在规则波作用下，随着入射波高的增大，气室内波面振幅也逐渐增大，但随着周期的增大趋于平缓，而气室内的相对波高逐渐减小，这是由于随着入射波高的增加，气室内的波幅增大带来的强非线性导致波浪破碎，造成波能的内部损耗，从而导致气室内波高逐渐减小。加入内置孔板后，相对波高明显降低，对气室内波面的振荡产生的影响较大，气室内压强明显增大，但输气管内空气流速增大并不明显。对内置空气透平压降作用效果可起到替代作用的为内径为2／3输气管直径的内置孔板。

［1］ Edwards Cassedy.可持续能源的前景［M］.北京：清华大学出版社，2003：1－6.

［2］ 徐柏林，马勇，金英兰.当今世界海洋发电发展趋势［J］.发电设备，2000，12（1）：37－42

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