防波堤兼作振荡水柱波能装置的工作性能试验

纪君娜

(山东省调水工程运行维护中心棘洪滩水库管理站，山东 青岛 266111)

随着能源危机的日益突出，开发利用海洋可再生能源正受到越来越多的关注，波浪能由于资源储量丰富且能流密度较高，是目前开发的热点[1]。振荡水柱式装置(oscillating water column，OWC)能量转换原理较为简单，可灵活布置，并且便于维修，是目前世界上最受欢迎的波能发电装置之一[2]。该装置首先通过空气气室将波浪能转换为气动能，再利用空气透平将气动能转换为转轴轴功，最后发电机可将转轴轴功转换为电能。

通过改变OWC装置气室的结构形式，可以提高其波能转换效率。Ashlin等[3]研究了气室不同底部形式对OWC装置转换性能的影响，发现底部为圆弧形的气室性能更优。Vyzikas等[4]对比了气室形式对能量转换效率的影响，研究发现，U型结构的气室能有效提高装置的能量转换效率。王鹏等[5]提出一种带水平底板的气室结构，探究了不同底板结构及波浪条件对OWC装置水动力特性的影响。宁德志等[6]在数值模拟中研究了气室宽度、前墙高度与厚度等变量对装置能量转换的影响。

OWC装置通常可以和防波堤等海工结构物进行复合式开发，这是因为二者在工作水域、工作特征及受力特征等方面都有共通之处，具备联合开发的基础。例如，防波堤和振荡水柱装置均设置在近海海域且都需要承受波浪力作用。将沉箱防波堤的前墙下方开口，其中迎浪面处隔舱不再回填砂石，而是采用空腔结构，使其作为OWC波能装置的气室，如图1所示。通过此改造，可使原有防波堤在为港口提供泊稳条件的同时，兼作波能发电装置[7]。Zheng等[8]基于势流理论，构建了OWC与防波堤相结合的数值理论模型，研究了气室的厚度、开口大小等对装置的影响。史宏达等[9]对OWC防波堤所受的波浪力及稳定性进行了验算。He等[10]将OWC装置与圆筒桩基型防波堤结合，总结了装置的动力特性规律。

图1 兼作OWC气室的沉箱防波堤[7]Fig.1 Break water integrated with the air chamber of oscillating water column[7]

目前大部分相关文献都侧重于OWC装置单独气室的能量转换，对于防波堤兼作OWC装置的波-电能量转换过程研究较少。本文通过模型试验，构建了沉箱防波堤兼作OWC装置的物理模型，并在气室上连接空气透平与发电机，研究了不同波浪条件下装置的发电性能，研究结果可为未来工程应用开发提供直接数据支持。

1 试验概况

1.1 装置模型

本文使用的OWC气室为直立式沉箱结构，由厚度为10 mm的亚克力板制成，如图2所示，沉箱长0.6 m，宽0.8 m，高1.2 m，沉箱前墙下端开口，开口高度为0.3 m。沉箱顶部开圆孔，用以固定安装波高仪，测量气室内自由液面的升沉高度，此外通过沉箱顶部开孔连接压力传感器，采集气室内空气压强的实时变化。

采用冲击式透平作为能量转换装置，透平转子的外径为0.12 m，轮毂比为0.7，动叶片共28个，两侧导流叶片各21个，如图3所示。本试验电机选择直流增速发电机，发电机内置于空气透平中，转轴通过键接与透平转子相固定，通过电压传感器和电流传感器，可测得OWC装置在不同工况下的电压、电流和电功率输出情况。

图2 沉箱气室模型Fig.2 Air chamber model

图3 冲击式透平模型Fig.3 Impulse turbine model

1.2 模型布置

本文的物理模型试验在中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室的波流水槽中进行，水槽长60 m，宽0.8 m，高1.5 m，槽首安装造波机，槽尾铺设消波网。防波堤气室安装在距离造波板40 m处，以充分利用水槽长度，减少波浪反射的影响，如图4所示。在气室内部左、中、右处各布置一支波高仪，以反映水柱的振荡形式和幅度。气室内空气压强的变化通过顶部的压力传感器测得，与空气透平相连的扭矩传感器可以测量透平的转速和扭矩。

图4 水工物理试验布置Fig.4 Layout of the OWC model in the wave flume

1.3 波浪条件

试验采用规则波波况作为入射波，水深固定为0.75 m，设计规则波波高H为0.05～0.20 m，间隔0.05 m取一组，共4组；波浪周期T为1.5～2.5 s，间隔0.25 s取一组，共5组。试验中采集了气室内自由液面高度、气室内空气压强、透平的转速及扭矩、发电机的电流及电压数据。根据测得的物理量，可求得OWC防波堤的各级能量转换效率，公式如下：

η1=P空气/P波浪，

(1)

η2=P透平/P空气，

(2)

η=P透平/P波浪，

(3)

式中，η1、η2、η分别代表气室的能量转换效率、透平的能量转换效率和装置的波电能量转换效率。而波浪平均功率P波浪，空气平均功率P空气及透平平均功率P透平可分别由以下公式求得：

P波浪=0.5ρga2CW，

(4)

(5)

(6)

式中，ρ和g分别为水的密度和重力加速度，a为入射波振幅，C为波速，W为气室宽度，S为水面面积，p为空气压强，α为气室内波高，I和U分别发电机输出的电流和电压。

2 试验结果分析

2.1 气室能量转换效率

利用公式1，可计算不同入射波波高和周期条件下，OWC防波堤气室的能量转换效率，如图5所示。结果显示：当周期小于2.25 s时，不同波高条件下，气室的能量转换效率相差不大，并且都随着入射波周期的增大而明显增大；当入射波周期大于2.25 s，随着入射波周期继续增大，气室的转换效率增幅有限；气室最低转换效率在T= 1.5 s处获得，为0.026，而气室的最高效率可达0.405，在最大周期T=2.5 s处获得。此结果说明入射波波浪周期对沉箱气室性能有较大影响，在实际工程中，要根据波浪条件，对沉箱的尺寸进行合理设计。

2.2 透平能量转换效率

透平的能量转换效率如图6所示，计算结果依据公式2求得。由图可见，当波高为最小的0.05 m时，透平的转换性能较差，这是因为波高较小时，气室内产生的空气气流流速较低，透平在低转速状态下产生的电流和电压较小。同时，入射波周期对透平的能量转换效率也有较大影响，在小波浪周期条件下，气室内水面挤压空气变化的周期也较短，气流吸入和呼出变化速度加快，空气流速增大，透平在大流速条件下，获得较高的能量转换效率。

2.3 波电能量转换效率

图5 不同入射波高的气室能量转换效率Fig.5 Efficiencies of the air chamber

图6 不同入射波高的透平能量转换效率Fig.6 Efficiencies of the air turbine

沉箱气室和透平的能量转换性能共同决定了OWC防波堤的波电转换效率，根据公式3，可求得OWC的波电能量转换效率，如图7所示。结果显示，当波况较差，即入射波高较小时，OWC的波电转换性能较差。在各个波高下，随着入射波周期的增大，OWC的波电能量转换效率逐渐增大。本试验所测范围内，波电能量转换效率最高为10.7 %，在波高H=0.15 m，T=2.5 s处取得。因此在设计振荡水柱防波堤时，要特别注意建设地点的波浪条件，尤其是波浪周期。

图7 波电能量转换效率Fig.7 Efficiencies of wave-to-wire

3 结论

本文通过物理模型试验，研究了沉箱防波堤兼作OWC波能发电装置的工作性能，分析了不同波浪条件对气室能量转换效率、空气透平能量转换效率以及装置整体波电能量转换效率的影响。研究发现，入射波浪周期对于OWC装置的能量转换过程有较大的影响，随着波浪周期的增大，气室的能量转换效率逐渐增大，而透平的转换效率降低。此外，在波高较小时，振荡水柱防波堤的波电转换性能较差，在长周期波浪作用下，装置的波电转换效率较高。因此在设计防波堤兼作振荡水柱电站时，要根据实际的波浪条件，对装置的尺寸进行合理选择与优化。