振荡水柱式波浪发电实验装置设计与开发

包兴先， 吴州淼

(中国石油大学(华东) 石油工程学院， 山东 青岛 266580)



振荡水柱式波浪发电实验装置设计与开发

包兴先， 吴州淼

(中国石油大学(华东) 石油工程学院， 山东 青岛 266580)

开发了气室高度、底坡角度可调节的振荡水柱式波浪发电实验装置，并在实验室中的波浪水槽内进行实验。考虑了3种气室高度、3种底坡角度及2种波高，共12个典型工况，根据不同工况下的实验结果，探讨了气室形状参量、波浪要素等对发电装置性能的影响规律。通过实验，启发学生进一步优化发电装置的思考，加深了对实际应用中波浪能开发及海洋工程结构设计与制造过程的认识。

振荡水柱； 波浪发电； 实验装置； 实践教学

0 引 言

我国拥有漫长的海岸线，在开发利用海洋能源，特别是波浪能方面具有先天优势。波浪能是一种清洁的可再生的能源，分布广泛，能量密度高，波浪能发电综合利用效益较好，是海洋可再生能源开发的热点[1-3]。目前，振荡水柱式波浪发电装置是实用化与商业开发程度较高的波浪能转换装置[4-5]。实验教学是高等教育的重要组成部分，在人才培养中占有重要的战略地位[6-11]。本文通过振荡水柱式波浪发电实验装置的设计与开发，配套开展相应的实验课程，对于提高学生的海洋工程实践素质，增强学生的动手能力，培养学生的创新意识有着积极意义。

1 振荡水柱式波浪发电原理

振荡水柱式波浪发电装置主要由气室、输气管道、透平与发电机组构成，如图1所示。气室为半淹没状态的空腔结构，气室前壁下方与海水相连；气室后壁上方有输气管道，连接透平与发电机组。波浪向气室推进，当波峰接近气室前壁时，水进入气室，推动室内水位上升，上升的水位使室内气压增加，气室内空气通过输气管道高速喷出。当波谷接近气室前壁时，水从气室抽出，室内水位下降，下降的水位使室内气压降低，外面空气通过输气管道高速进入气室。流出流进的气体将推动透平旋转，从而带动发电机发电。

1-气室， 2-输气管道， 3-透平， 4-发电机组

图1 振荡水柱式波浪发电装置示意图

2 振荡水柱式波浪发电实验

振荡水柱式波浪发电装置前方的波浪传播、气室内的自由水面振荡及输气管内的往复气流的运动都受到气室形状的影响。因此，气室形状参量在波能转换过程中具有重要作用。开展针对气室形状参量的研究，对揭示振荡水柱式波浪发电装置的工作机理，提高气室工作性能有重要的工程价值[12-16]。而且，通过学生自主设置气室形状参量，自己摸索掌握发电装置性能的影响规律，对学生的实践能力、问题探究能力及创新思维的提高具有重要意义。本实验装置采用的气室形状参量主要包括气室高度和底坡角度，这也是影响气室工作性能的主要因素[2]。

2.1 发电装置设计与制作

气室模型各部分由有机玻璃制作并黏合而成。有机玻璃厚度0.01 m，气室长0.50 m，宽0.38 m，气室上部设置三层“抽屉式”挡板，可以调节气室高度，气室高度可调节为0.405、0.475和0.550 m。在气室底部设置了斜坡板，斜坡板可在槽状轨道内滑动，用以改变底坡角度，底坡角度可调为30°、45°和60°。发电装置如图2所示。

2.2 实验设计与实施

(1) 实验设备。本实验是在中国石油大学(华东)船舶与海洋工程实验室中的小型波浪水槽内进行，如图3所示。水槽整体是钢结构和有机玻璃材质，长约15 m，宽0.4 m，深0.5 m，如图3(a)所示。水槽一端安装有机械摇杆推板造波机，如图3(b)所示，另一端有消波设施。数据采集系统采用DH5922动态测

图2 振荡水柱式波浪发电实验装置

量设备和DHDAS动态信号采集分析系统，如图3(c)所示，DHDAS系统可以将DH5922设备传来的电压信号传输给计算机进行处理，获得实时电压数据。

(a)波浪水槽(b)造波系统

(c)数据采集系统(d)实验装置安放

图3 振荡水柱式波浪发电装置实验

(2) 实验工况。为了探讨不同气室形状参量对发电装置性能的影响规律，考虑了3种气室高度(530、475、405 mm)、3种底坡角度(30°、45°、60°)及2种波高(29、18 mm)情况，共12个实验工况，如表1前4列所示。实验静水深280 mm，实验装置的波浪入口在静水面以下60 mm。连续采集的波峰个数为15～20个。每个工况下的实验重复3次，以消除外界环境、实验仪器引起的系统误差，取3次结果的平均值为最终实验结果。

(3) 实验数据处理。对12个工况分别进行电压信号采集与处理可以得到各个工况下输出电压随时间变化情况。以Case 03为例，输出电压值随时间变化如图4所示。可以看出，发电机输出的是正弦交流电，电压峰值稳定性较好(均值为621.8 mV)，说明此时气室内、外气流使透平稳定转动，整个振荡水柱式波浪发电装置工作性能表现优良。同样可以得到其他11个工况下的输出电压随时间变化情况，并得到峰值电压的均值。

表1 各实验工况下输出电压一览表

(4) 实验结论。比较表1各工况下的峰值电压均值，可以得到以下几点结论：① 气室高度对振荡水柱式波浪发电装置性能的影响。通过比较波高一定、底坡角度一定、气室高度变化的情况下3组工况(01、02、03)、(04、05、06)和(07、08、09)的峰值电压均值。发现随着气室高度减小，输出电压值增大，发电装置的发电性能提高。本例中气室高度为405 mm时，发电机输出电压值较大，此时装置的发电性能较好。② 底坡角度对振荡水柱式波浪发电装置性能的影响。通过比较波高一定、气室高度一定、底坡角度变化的情况下4组工况(01、04、07)、(02、05、08)、(03、06、09)和(10、11、12)的峰值电压均值。发现随着底坡角度增加，发电装置的发电性能有所下降。本例中底坡角度为30°时，发电机输出电压值较大，此时装置的发电性能较好。③ 波高对振荡水柱式波浪发电装置性能的影响。通过比较气室高度一定、底坡角度一定、波高变化的情况下3组工况(03、10)、(06、11)和(09、12)的峰值电压均值。发现随着波高的减小，输出电压值减小，这说明在一定的范围内，波高对装置的性能有明显的影响。

事实上，在对振荡水柱式波浪发电装置性能研究时，还需要对气室高度、底坡角度、波高、周期以及不同气室形状参量的组合等对气室工作性能的影响进行更为深入的研究。本实验装置选取了几种典型工况进行研究，旨在增强学生的感性认识，提高学生的实践动手能力，培养学生的创新意识。本实验装置的进一步优化设计与开发，可作为毕业设计题目、大学生创新实验课题等进行研究。

3 结 语

通过振荡水柱式波浪发电实验可以使学生掌握振荡水柱式波浪发电基本原理，理解气室形状参量、波浪要素等对发电装置性能的影响规律，启发学生进一步优化发电装置的思考，还能使学生了解波浪能等新能源的开发现状与前景，加深对海洋工程结构设计与制造过程的认识。此外，该实验需多人一组协同完成，锻炼了学生的动手能力与团队合作能力。总之，通过该实验的开展，能够培养学生学习的积极性和主动性，掌握思考问题、解决问题的方法，激发创新思维和创新意识，提高其综合素质和实践能力。

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Design and Development of Experimental Oscillating Water Column Wave Energy Convertor

BAOXing-xian,WUZhou-miao

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

The experimental oscillating water column wave energy convertor with adjustable height of air chamber and angle of bottom slope is designed and manufactured in order to improve the students’ practical ability and cultivate the students’ innovative consciousness. During the experiments in wave tank, 12 typical cases are introduced, including 3 cases of height of air chamber, 3 cases of angle of bottom slope and 2 cases of wave height. Based on the experimental results of the 12 cases, the students can learn about the principle of the oscillating water column wave energy convertor, and the impact factors on the performance of the device, such as air chamber and wave parameters. Moreover, the students can think about the further optimization of the device. With the experiment, the understanding of students on the engineering application of the wave energy development and ocean engineering design and manufacture process is developed.

oscillating water column; wave energy convertor; experimental device; practical teaching

2015-12-07

国家自然科学基金项目(51309239); 2014年中国石油大学(华东)教改重点项目(SY-A201408)

包兴先(1981-)，男，山东海阳人，博士，讲师，现主要从事海洋工程结构设计与可靠性分析研究。

Tel.:13864244536； E-mail:baoxingxian@163.com

P 743.2； G 642.423

A

1006-7167(2016)09-0051-03