一种海洋柔性胶囊波能发电装置研究

杨 武，白志刚，余海涛，马 暄，臧 颖，陈 成，戴 磊

(天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

一种海洋柔性胶囊波能发电装置研究

杨 武，白志刚，余海涛，马 暄，臧 颖，陈 成，戴 磊

(天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

海洋波浪能可再生能源的开发是未来发展的趋势，开发设计更为高效的波能转换利用装置是开发利用波浪能的关键。根据脉搏脉动机理，设计发明了一种柔性胶囊发电装置，利用柔性结构的强收缩性，让其随着波峰波谷收缩扩张，进而形成脉动来传输水体，使相连尾端竖管内水位随着脉动骤升骤降来压缩排出和快速吸入空气。进行了一系列探索性实验，着重研究柔性材料厚度、波高、周期、气室孔径对该试验装置的波能转换率的影响，数据表明，柔性硅胶管有很好的聚波作用，气室的设计和建造对波能转换效率有较大的影响。

波浪能；柔性胶囊；发电装置；波能转换率；聚波作用；脉动；气室

Abstract：The development of ocean wave renewable energy is the trend of future.The coastline is long in China and our wave energy is abundant.The key of using the wave energy is to design more efficient use of the wave energy conversion device.Based on the mechanism of pulse fluctuation,making good use of the flexible capsule expansion and contraction with the peaks and valleys,the pulsating is formed to transfer water.Tthe experimental study focuses on the wave energy conversion rate of the test device.A series of exploratory experiments are designed to study the influence of flexible material thickness,wave height,period,chamber aperture in the wave energy conversion rate of the test apparatus.The data suggest that the flexible capsule has a good ability to gather wave energy.The design of air chamber has a great influence on the wave energy conversion rate.

Keywords：wave energy; flexible capsule; power generation device; wave energy conversion rate; gather wave energy; pulsation; air chamber

20世纪70年代以来，许多海洋国家积极开展波浪能开发利用的研究，并取得了较大进展。目前，波浪能开发利用技术渐趋成熟，已进入商业化发展阶段，将向大规模利用和独立稳定发电方向发展。最早利用波浪能发电的探索可追溯到200多年前，即1799年在巴黎发表了第一个波能转换装置的专利。英国有着世界上最好的波浪能资源。从20世纪70年代开始，英国将波浪发电研究放在新能源开发的首位。20世纪80年代初，英国就已成为世界波浪能研究中心。日本已有数千座波浪能电站投入运行，其中兆瓦级的“海明号”波力发电船，是世界上最著名的波浪能发电装置。1985年，挪威建成一座装机容量500 kW的波浪能发电站，是迄今世界上已建成的最大的岸式波浪能发电站。

我国波浪能发电研究始于20世纪70年代，于1975年研制成1台1 kW的波力发电浮标，在浙江省嵊山岛进行了试验。80年代以后获得较快发展，1984年广州能源所研制成功6W小型波力发电装置，用于导航灯标，随后按不同导航灯标的要求，又开发了系列产品。目前在我国沿海航线已安装了数百台这种小型波力发电装置，已向国外出口，该技术属于国际领先水平。

中国第一座实验波力电站位于南中国海的珠海市大万山岛，1989年试建成功，装机容量为3 kW的多振荡水柱型沿岸固定式波力电站。1989年、1990年及1991年分别对其做了三次海上运行实验，研究了实海况下气室、透平及电机的性能。试验结果表明，该电站具有很好的实海况性能。波力电站的平均“总效率”大都在10%～35%，最大值接近40%。在该电站原有结构基础上，广州能源研究所已将其改建成一座20 kW的波力电站，并于1996年2月试发电成功，逐步完善后将向岛上提供补充电源。

“九五”期间，在科技部科技攻关计划支持下，广州能源研究所正在广东汕尾市遮浪研建100 kW波力电站，是一座与电网并网运行的岸式振荡水柱型波能装置，项目开始于1996年12月，工程结束于2001年2月。现在已经进入试发电和实海况实验阶段，从试发电和实海况试验的情况来看，电站设计合理，波能转换效率较高，达到了设计要求。同时，由天津国家海洋局海洋技术所研建的100 kW摆式波力电站，已在1999年9月在青岛即墨大官岛试运行成功。我国计划至2020年，在山东、海南、广东各建一座1 000 kW级的岸式波力电站。

而对于柔性结构的波能发电装置，国内目前仍没有系统完善的研究。柔性体在运动流体诱发下的耦合运动不单与来流的速度、方向有关，还受到固体结构本身密度和弹性材料特性的影响。该问题的求解同时涉及到流体力学、材料力学、结构动力学和计算力学等学科的知识，研究难度较大。而且多个柔性体在流体中的耦合运动，在传统的流固耦合问题基础上又增加了固体和固体之间的运动耦合机制。固体之间的个体差异以及多个固体的排列方式和排列间距都会对耦合运动产生影响。复杂流场的描述本身就是个难点，柔性体与非均匀流场的流固耦合问题更具难度。尤其是波浪与安置的海上柔性结构物(如养殖网箱、近岸的植物群等)的相互作用问题具有更广泛的应用背景，柔性结构在波浪作用下的振动响应问题更值得研究和探讨。养殖网箱是一种典型的柔性结构，Tsukrov等[1]构造了一致性单元来模拟网面在海洋环境载荷作用下的响应。Fredriksson等[2]对碟型网箱在水中上下振动的问题作了试验研究和数值模拟。詹杰民和苏炜等对作用在网面以及圆形网箱上的来流阻力进行了试验研究,为优化网箱结构设计提供了理论依据[3-4]。李玉成等[5-7]对碟形及拟碟形网箱的受力特性进行了系列试验研究，为网箱设计及结构形式的选择提供了依据。防浪林是一种值得关注的柔性结构。白玉川和杨建民[8-9]进行了植物消浪护岸模型试验研究，得出消浪系数与植物主要影响因素之间的定量关系。黄本胜等[10]介绍了三角洲河口堤外滩地种植适生防浪树的实践与经验，及其固滩固岸、防浪护堤的作用和效果。

迄今为止，国内对于海洋环境下柔性结构波能发电装置的研究，尚未建立起较完善的设计体系，研究成果距离实际工程需要相差甚远。随着水弹性力学在海岸和近海工程中的发展，迫切需要开展系统深入的研究工作来分析海上柔性结构物在波浪冲击作用下的受力情况和动力响应。

本文基于脉搏脉动机理，设计发明了一种柔性胶囊波能发电装置，并基于上述波浪能发电理念进行了一系列的探索性试验，对比研究了柔性材料厚度、波高、周期、气室孔径等条件对波浪能转换率的影响。

本实验装置与现有技术相比，有比较明显的优点：1)利用硅胶较好的弹性，很大程度上提升了波浪的振幅，从而大大提升了波浪能的吸收率；2)本实验装置中的主体采用柔性极强的硅胶管，其结构稳定性强，成本低廉，耐腐蚀性强，维护成本低，长期运行可靠，并且大大降低了成本；3)橡胶管膨胀波与管尾汇集波大大增加了波浪能量，即便在小波浪的条件下运行，也会有很高的效率；4)该实验装置可以与防波堤结合使用，将柔性结构布置在防波堤之前，能起到很好的消波作用，有效缓解了防波堤的负担。

1 柔性材料厚度的选取

本试验选用硅橡胶作为柔性材料，它是一种合成特种橡胶材料，硅橡胶具有特殊的结构以及优异的性能，在橡胶家族中占据重要的地位。与一般以C-C键为主体骨架的橡胶相比，硅橡胶以键为主链，其键能高，具有饱和性，因而比较稳定。正是由于其结构的特殊性，它具有耐高温(180℃～200℃)、耐低温(-40℃～60℃)，耐臭氧老化、耐高电压(击穿电压为20～25kV/mm)、耐辐射，良好的生理稳定性和极佳的回弹性以及永久变形小(200℃、48小时不大于50%)的性质，因此其应用领域非常广泛。

柔性材料的厚度是该实验装置设计成功与否的关键，材料过薄会经常破损，不利于试验的进行，过厚会导致硅胶管柔性偏小，不能很好地与水体发生共振，聚波效果不好，因此需要进行试验对比研究进而选取出一个比较好的柔性材料厚度。

本试验拟选取四种厚度的硅橡胶进行柔性胶囊的制作和试验并进行对比选择，四种厚度分别为：0.2、0.5、0.7及1 mm，密度均为1.30g/cm3。分别裁剪出长度为10 cm、宽度为1、2及3 cm的硅橡胶条，用万能实验机对其力学性质进行测试，拉伸速度为(500±50)mm/min，实验结果如表1所示。

表1 硅胶力学性质表Tab.1 The mechanical properties of rubber

由不同厚度的硅胶力学性质试验结果可知，随着硅胶厚度的增大，硅胶的断裂伸长率呈减小趋势，但极限负荷呈增大趋势。即越厚的硅胶能承受越大的力但受到相同力时伸长率越小。试验用柔性胶囊的制作中发现，0.2 mm厚的硅胶在与固体结构接触时很容易划破，不适用于本试验，故舍弃0.2 mm厚硅胶材料。试验过程中，0.5 mm厚的硅胶材料出现接口处破裂等问题的频率较高，故舍弃0.5 mm厚硅胶材料，1 mm的硅胶材料厚度过大，变形较小，弹性不太理想，不利于试验，综合比较，本实验选用0.7 mm厚度的柔性结构。

2 试验装置和方法

图1 柔性胶囊波能发电装置Fig.1 Flexible capsule wave energy generation device

试验在波浪水槽中进行。水槽长、宽、高分别为90.0 m、2.0 m、1.8 m，造波机系统为双轴推板式造波机，采用NI公司生产的PCI-7342型运行控制卡装配主控计算机，两块造波板由两台交流伺服电机驱动实现同步控制，可按给定函数造出规则波或非规则波，本实验在规则正弦波浪下进行。另一端为长2 m的不锈钢切屑消波段。消波段前是试验段，气室模型装在试验段末端。

本实验装置是一种柔性胶囊发电装置(如图1所示)，包括底部基床，高10 cm，铺设在基床上的硅胶管，是一个直径30 cm，长650 cm的半圆柱体以及与硅胶管相连传输水体的竖管，竖管是一个直径为30 cm、高120 cm的圆柱体，竖管上方设有开孔，开孔孔径可以根据需要进行变化，实验水深为1 m。所述柔性结构的硅胶管具有很强的收缩性，它随着波峰波谷收缩扩张，形成脉动来传输水体，使相连尾端竖管内水位随着脉动骤升骤降来压缩排出和快速吸入空气。所述硅胶管密封铺设于基床上，基床固定于水底，竖管下部弯至水平与硅胶管相连，波浪作用于密闭的装满水的硅胶管上。

试验之前先进行滤波，在距造波板8 m处装有电容式波高仪，测量入射波参数；试验中在气室模型顶部安装有电容式波高仪，用于测量竖管内水位的变化，气室模型顶部有测压口，用低压力传感器测量气室内相对压力。全部测量用计算机控制。试验时，根据试验要求，将所需的造波机参数输入计算机，造波机即可造出所需的波况。根据测得的入射波波高H0、入射波周期T、气室内压力ΔPi和内水位Hi的波动过程，即可算出入射波功率NW(W)、气室平均输出气流功率NA(W)和气室波能转换效率ηA等参数。

图2 试验装置布置Fig.2 The layout of test device

气室平均输出气流功率NA(W)[11]为：

式中：ΔPi为第i点气室内相对压力(Pa);hi+1和hi为第i+1和i点气室内水位；F为气室截面积(m2);n为采样点总数；Δt为采样时间间隔(s)。

入射波功率NW(W)为：

气室波能转换效率ηA为：

3 试验内容

3.1无气室时气室性能试验

在气室完全开孔的情况下进行一系列试验，对无输气管(即顶部开敞)的气室而言，其波能俘获能力可由气室内的振荡水柱波面升沉的波幅所反映。振荡水柱的波幅越大，气室内外的相对压强也越大，由此产生的往复气流的平均流速也就越大，因此振荡水柱波幅的大小，可反映气室波能转换能力，波幅越大，波能转化率越高。

在气室完全开孔情况下分别进行两组试验，一组是保持周期不变，改变波高的大小；另一组是保持波高不变，改变周期的大小。试验结果由无量纲相对波高(竖管内水位振幅的变化/竖管外水位振幅的变化)来表示。

3.2变波高变周期下气室性能试验

在气室孔径d=2.4 cm的情况下进行一系列试验，波周期T=1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 s,共有6个变化，入射波高H=0.08、0.11、0.14、0.17、0.20 m,共有5个变化。共进行30组试验，进而分析气室波能转换效率ηA随波高和周期的变化情况。

3.3变气室孔径下气室性能试验

在改变气室孔径下进行一系列试验，气室孔径共有d=1.6、2.0、2.4、2.8、3.4五组变化，在每个孔径下进行两组试验，一组是周期不变，改变波高的大小，另一组是波高不变，改变周期的大小，以此来探讨气室孔径对气室性能的影响。

4 试验结果与分析

图3、图4分别为入射波周期为2.5 s，入射波高为0.14 m时竖管内水位、压强随时间的变化情况。由图3、图4可以看出，其均为规则的正弦曲线。图4所示为无气室时气室性能试验结果，左图为入射波高保持不变，改变入射波周期的大小，相对波高(即竖管内波高与竖管外波高的比值)随入射波周期的变化情况，右图为入射波周期不变，改变入射波高的大小，相对波高(即竖管内波高与竖管外波高的比值)随入射波高的变化情况。由图5(a)左图可以看出，相对波高随着入射波周期的增大而增大，在入射波周期由1.5至4.0 s情况下，相对波高由1增加到3，在T=3 s左右达到峰值，之后保持不变，说明硅胶管的收缩性还是起到了一个很好的聚波作用；图5(b)可以看出，相对波高并不会随着入射波高的变化而变化，在入射波周期为2.5 s时，相对波高维持在2.3左右。

图3 竖管内水位随时间的变化情况Fig.3 The change of water depth in the tube

图4 竖管内压强随时间的变化情况Fig.4 The change of pressure in the tube

图5 无气室时装置试验结果Fig4. Test results of device without air chambers

表2和图6所示在气室孔径为2.4 cm的情况下，入射波能转换率随波高和周期的变化情况，由图5可以看出，在不同入射波高情况下，转换率随周期的变化规律大致相同，类似于一个抛物曲线，在短周期区，入射波能转换率ηA随着周期的增大而不断增加，由10%左右增加到50%，在周期T=2.5 s时达到峰值，之后随着入射波周期的增大，ηA不断减小，在T=3.5 s时降到最低谷，然后随着T的增大，ηA又缓慢上升。总的来说，入射波周期T对入射波能转换率ηA有较大的影响，先是随着周期T增大而不断增大，在T=2.5 s时达到最佳转换率，之后随着周期T增大而不断减小，在T=3.5 s达到谷底，之后随着周期T的增加而略有上升。在不同波高下，ηA-T曲线的变化情况大致相同。

表2 入射波能转换率随波高和周期的变化情况 %Tab.2 The changes of wave energy conversion rate with wave height and period %

图6 入射波能转换率随波高和周期的变化情况Fig.6 The changes of wave energy conversion rate with wave height and period

图7 入射波能转换率随气室孔径的变化情况Fig.7 The changes of incident wave energy conversion rate with chamber aperture

表3和图7所示为入射波周期T=2.5 s固定不变时，改变入射波高和气室孔径的大小，入射波能转换率的变化情况，由以上可知，气室孔径为2.0 cm时，波能转化率总体最好，在大孔径时(d=2.8和3.4 cm)，入射波能转换率随着入射波高的增大先有所增大，到达顶端后又随着入射波高的增大而减小，在小孔径时(d=1.6、2.0和2.4 cm)，入射波能转化率随着入射波高的增大而不断减小。在孔径(d=2.0及2.4 cm)时，波能转换效果比较好，最高能达到65%左右。

表3 入射波能转换率随气室孔径的变化情况 %Tab.3 The changes of incident wave energy conversion rate with chamber aperture %

表4和图8所示为入射波高H=0.14 m固定不变时，改变入射波周期和气室孔径的大小，入射波能转换率的变化情况，由以上可知，气室孔径变化时，入射波能转换率随周期的变化情况大致相同，先是随着周期的增大而增大，在T=2.5 s时转换率达到最大，而后又随着周期的增大而减小，在T=4.0 s时，转换率又有所上升。总的来说，在长周期区，转换率的变化要比短周期区要缓慢，在T=2.5 s时，效率最高，气室孔径d=2.0、2.4和2.8 cm时，转换效率比较高，孔径过大和过小都会影响入射波能转换效率。

表4 入射波能转换率随气室孔径的变化情况 %Tab.4 The changes of incident wave energy conversion rate with chamber aperture %

图8 入射波能转换率随气室孔径的变化情况Fig 8 The changes of incident wave energy conversion rate with chamber aperture

5 结 语

1) 无气室(即顶部开敞)时，竖管内的波高要远远高于竖管外的波高，相对波高的大小受入射波周期影响较大，在入射波周期由1.5 s至4.0 s情况下，相对波高由1增加到3，在T=3 s左右达到峰值，之后保持不变，说明橡胶管起到了很好的聚波作用；

2) 入射波周期T对入射波能转换率有较大的影响，在不同的入射波高情况下，入射波能转换率随波周期的变化情况大致相同，先是随着周期T增大而不断增大，在T=2.5 s时达到最佳转换率，之后随着周期T增大而不断减小，在T=3.5 s达到谷底，之后随着周期T的增加而略有上升。

3) 在大孔径时(d=2.8和3.4 cm)，入射波能转换率随着入射波高的增大先有所增大，到达顶端后又随着入射波高的增大而减小，在小孔径时(d=1.6、2.0及2.4 cm)，入射波能转化率随着入射波高的增大而不断减小。在孔径d=2.0及2.4 cm时，波能转换效果比较好，最高能达到65%左右。

4) 气室孔径过大或者过小都会影响入射波能的转换，在气室孔径d=2.0 cm时，气室转换效率最好，不同孔径时，入射波能转换率随入射波周期的变化情况大致相同，都类似于一个抛物曲线，在T=2.5 s时效率最佳。

[1] TSUKROV I,O EROSHKIN,et al.Finite element modeling of net panels using a consistent net element[J].Ocean Engineering,2002,30(2)：251-270.

[2] FREDRIKSSON D W,SWIFT M R,IRISH J D,et al.Fish cage and mooring system dynamics using physical and numerical models with field measurements[J].Aquacultural Engineering,2003,27(2)：117-146.

[3] 苏炜,詹杰民.水流作用下渔网养殖空间变化的计算方法[J].海洋工程,2007，25(1)：93-100.(SU Wei,ZHAN Jie-min.Computational method for deformation of volume of net structure in current[J].The Ocean Engineering,2007,25(1)：93-100.(in Chinese))

[4] 詹杰民，苏炜.浮式养殖网箱系统的数值模拟[J].中山大学学报，2006,45(6)：1-6.(ZHAN Jiemin,SU Wei.Numercial analysis of a floating net cages system[J].Journal of Sun Yat-sen University,Natural Science Edition,2006,45(6)：1-6.(in Chinese))

[5] ZHAN J M,X P Jia,Y S Li,et al.Analytical and experimental investigation of drag on nets of fish cages[J].Aquacultural Engineering,2006,35：91-101.

[6] ZHAN J M,W Su,Y X Li,et al.Comparison of drags on fish cages of different shapes[J].China Ocean Engineering,2006,20(3)：457-471.

[7] 李玉成，桂福坤,宋芳，等.漂浮状态下重力式及碟形网箱锚绳受力特性的比较[J].水产学报,2005,29(4)：570-573.(LI Yucheng,GUI Fukun,SONG Fang,et al.Comparison on the force characteristics of mooring lines between gravity cage and sea station cage under floating condition[J].Journal of Fisheries of China,2005,29(4)：570-573.(in Chinese))

[8] 白玉川，杨建民,胡嵋，等.植物消浪护岸模型试验研究[J].海洋工程,2005,23(3)：65-69.(BAI Yuchuan,YANG Jianmin,HU Mei,et al.Model test of vegetation on the bank to attenuate waves and protect embankments[J].The Ocean Engineering,2005,23(3)：65-69.(in Chinese))

[9] 杨建民.植物消浪护岸动力机制理论分析与模型试验研究[D].天津：天津大学，2003.(YANG Jianmin.The dynamics and model experiment of planting on the bank to attenuate waves and protect the embankment[D].Tianjin：Tianjin University,2003.(in Chinese))

[10] 黄本胜，赖冠文，邱静.河滩种树对行洪影响试验研究[J].水动力学研究与进展，1999，14(4)：468-474.(HUANG Bensheng,LAI Guanwen,QIU Ging,et al.Experimental research on influence of vegetated floodplains upon flood carrying capacity of river[J].Journal of Hydrodynamics,1999,14(4)：468-474.(in Chinese))

[11] 梁贤光，孙培亚,游亚戈.汕尾100 kW波力电站气室模型试验[J].海洋工程，2003,21(1)：113-116.(LIANG Xianguang,SUN Peiya,YOU Yage.Performance experiment of Shanwei 100 kW wave power station’s air-room[J].The Ocean Engineering,2003,21(1)：113-116.(in Chinese))

Flexible capsule model tests on the ocean wave energy generation system

YANG Wu,BAI Zhigang,YU Haitao,MA Xuan,ZANG Ying,CHEN Cheng,DAI Lei

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.05.012

白志刚。 E-mail：zhigangbai@tju.edu.cn

1005-9865(2016)05-0101-08

2016-02-01

天津市自然科学基金——海洋柔性胶囊波能发电系统实验研究与系统仿真(12JCZDJC29100)

杨武(1991-)，男，江苏人，硕士研究生，主要从事波浪能储量评估研究工作。