OWC裝置空氣透平壓降作用試驗研究＊

史宏達，高人杰，劉 臻，焦建輝

（1.中國海洋大學海洋工程山東省重點實驗室，山東青島266100；2.大唐青島港務有限公司，山東青島266400）

在海洋資源及海岸工程領域內，關于波浪能開發利用的研究正在逐漸成為備受關注的熱點課題。［1］振蕩水柱（Oscillating Water Column，簡稱OWC）式裝置由于結構簡單、無水下活動部件、造價低、可靠性高而成為世界上應用最為廣泛的波能發電裝置，也是目前公認最有前途、投入研究力量最大的岸式波能發電裝置［2］。

近年來，國內外學者對振蕩水柱波能發電裝置進行了卓有成效的研究，獲得了許多有價值的研究成果。根據能量2次轉換的過程，該領域的研究內容大體可分為針對氣室結構和空氣透平兩部分［3］。但傳統研究中，通常是將其中一個能量轉換過程簡單假設而對另一過程進行相對獨立的考察：氣室研究中忽略透平結構及其影響，透平研究中忽略自由水面、氣室內壓強及空氣吸入與呼出的變化。通過分別提高各轉換率的方法，達到提高整個裝置波能轉化效率的目的。

但在OWC波能裝置中，2個能量轉換過并非各自獨立：氣室內振蕩水柱的升沉，帶動氣室內氣體壓強產生變化，氣室內外壓強產生空氣的往復流動；另一方面，空氣流過透平后會產生相對壓降，從而帶來氣室內氣壓變化，該變化又會導致自由水面振幅發生改變。由此可見，振蕩水柱升沉，氣室內氣體壓強以及輸氣管內的往復氣流是三者聯動，相互耦合，相互作用的關系。印度波能電站的實測資料也表明了該耦合過程的重要性［4］，未引入透平影響的氣室內相對波幅值可達到1.5～2.0，而包含透平運行的電站實測相對幅值則只有0.3左右。但前人在OWC氣室結構的研究中，氣室模型基本為頂部完全開敞或僅在頂部（后部）安裝輸氣管道，而未見安裝透平結構或引入透平的壓降影響，因此難以準確反映氣室結構的實際工作狀態與性能。由此可見，傳統研究方法既難以全面揭示OWC裝置的能量轉換機理，也難以準確預測裝置在實際運行過程中的波能轉換效率。

在此能量轉換過程中，空氣透平的壓降作用及由其帶來的空氣流速變化，是串聯2次能量轉換過程、實現兩轉換過程耦合的核心要素。因此，構建2次能量轉換的耦合系統就必須考察透平壓降作用對能量耦合系統整體工作性能的影響。本實驗即基于透平壓降裝置的替代性研究展開。氣室后部分別安裝帶有發電設備的沖擊式透平或孔板結構，用于提供空氣透平的壓降作用。

1 振蕩水柱（OWC）波能發電裝置介紹

1.1 裝置的工作原理

OWC波能發電裝置主要包含2個能量轉換過程：

（1）第一次能量轉換，氣室結構首先將入射波能轉換為往復流動氣體的動能；

（2）第二次能量轉換，輸氣管內的透平帶動電機再將空氣動能轉化為電能。

波能裝置研究的核心問題，即在揭示能量轉換機理的基礎上提高裝置的能量轉換效率［5］。

圖1 波浪能轉換過程圖Fig.1 The conversion process of Wave Energy

波動的總能量由水面位移產生的勢能和流動的水質點的動能組成。

1個波長（L）范圍內單寬波峰線長度的波浪勢能Ep由下式確定：

1個波長范圍內單寬波峰線長度的波浪動能EK由下式計算：

在微幅波中，上式可近似地寫為：

其中，根據勢流理論可求得流體內部任一點（x，z）處水質點運動的水平分速u和垂直分速w分別為：

將式（1～5）、（1～6）代入式（1～4）并積分后得：

于是1個波長范圍內的總波能為：

本文設定開孔氣室的開孔寬度為B，透射波能系數為γi，其中γi≤1，則進入氣室的入射波總能量為：

氣室中的能量轉換主要通過氣液相互作用使波浪能轉換為空氣的動能，因此，1個波長范圍內的輸氣管中的空氣動能為：

式中：d為輸氣管管徑；ρk為空氣密度。

由上述公式（9）和（10）可以看出，定義OWC波力發電裝置的第一次能量轉換效率η為：

因此通過測量輸氣管內空氣流速計算裝置的第1次能量裝換效率。至于空氣動能轉化為空氣透平轉動的機械能從而帶動發電機轉動發電的第2次能量轉換的效率本試驗中暫不涉及。

1.2 裝置的氣室設計

本試驗裝置主要振蕩水柱式波力發電裝置氣室及其輸氣管，示意圖如圖2所示。

圖2 OWC發電裝置氣室設計示意圖Fig.2 The view of the Air chamber design of OWC

上圖中：①是振蕩水柱式發電裝置的氣室，用于消浪、吸收轉換能量，氣室前壁下部大開孔；②為輸氣管，內置空氣透平，連接氣室與外界空氣。

結合本文的試驗研究，設計氣室原型厚0.5 m，底板厚度0.7 m，蓋板厚0.7 m；長12.8 m，寬8 m，高16 m。

2 物理模型實驗

2.1 試驗設備及儀器

本試驗在海軍工程實驗室的斷面物理模型試驗水槽中進行，水槽長50 m、寬1.2 m、深1.2 m。水槽底部、槽首造波機安裝段與槽尾消能區均為混凝土結構，中間試驗段采用鋼架結構，2個邊壁鑲嵌12 mm厚的玻璃（見圖3）。低慣量直流式電機無反射不規則造波機安裝在水槽的首端，造波機所能產生的最大模型試驗波高為0.23 m，控制系統通過固定在造波板上的2個浪高儀反饋的波高信息，調整造波信號，以達到吸收包括建筑物模型等所產生的反射波能，減小造波板二次反射對試驗結果的影響的效果，整個造波系統的穩定性和精度可滿足試驗的要求。另一端為消能設施，造波機后部及水槽尾端采用的消波材料，試驗段水槽分為2格，寬度分別為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。

圖3 試驗水槽Fig.3 The experimental channel

試驗中，波高的測量采用電容式波高儀，將其布置在氣室中心位置，數據采集主要采用SG2000型多功能數據采集處理系統。

在氣室頂部側面開孔連接2個氣壓傳感器，在氣室后端輸氣管中段布置1個熱敏式流速儀，該流速儀量程為0～10 m／s。試驗中氣壓、流速數據是通過USB－4716數據采集模塊接收氣壓傳感器和流速儀的電壓輸出信號轉換而得。此外，試驗在輸氣管中加入沖擊式透平，通過透平上的直流式電機輸出電信號，點亮LED燈泡。

2.2 試驗模型比尺的選取及模型儀器布置

本試驗中，試驗原型最大波高值可達7 m，原型波周期最大可達18 s，為能夠覆蓋近海波浪至涌浪的模擬，根據試驗水槽的能力及氣室初步設計的尺度，試驗比尺設定為1∶16，波浪模型遵照重力相似準則，進行規則波波型的試驗，在氣室前墻及氣室內中點附近分別布置波高儀，用以監測各處的波高變化；分別在氣室上部內及輸氣管透平兩側布置壓力傳感器，用以監測各處的氣壓變化；在輸氣管內布置空氣流量計及流速計用以測定往復氣流通量。

2.3 試驗設計

2.3.1 試驗內容與方法 為了更好地探究空氣透平的壓降作用效果及進行替代性研究，本試驗主要從以下幾個方面進行研究：

（1）輸氣管－氣室系統，輸氣管安裝在氣室的后側，主要考察氣室內的波高、壓強及輸氣管中空氣流速等參數的變化；

（2）在輸氣管中加入負載（圖4，孔板結構），考察氣室內的波高、壓強及輸氣管中空氣流速等參數的變化，研究負載的影響；

（3）在輸氣管中加入空氣透平（見圖5），同樣考察氣室內的波高、壓強及輸氣管中空氣流速等參數的變化，并通過與透平連接的發電機研究各參量的變化。

本實驗將OWC裝置2次能量轉換過程聯立，構建2次能量轉換的耦合系統，考察與預測氣室內振蕩水柱的升沉、氣室內氣壓級輸氣管內空氣流動的相互作用與變化，也為數值模擬提供數據支持。

在試驗進行之前，首先布置氣室內與氣室前墻外的波高儀，然后對波高儀進行率定，最后進行依據波試驗，率定造波機。在試驗數據的采集過程中，當波浪到達氣室前墻并穩定后開始采集波高、氣室內壓強及輸氣管內空氣流速。數據采集過程中，規則波的采樣間隔時間為0.016 s，波峰間隔個數為10～12個。

2.3.2 試驗工況介紹 本試驗依據裝置的特殊性，設計了工作高水位、平均水位和工作低水位3個水位工況。將對能量轉換過程有影響的因素：入射波周期T、入射波高H、氣室內壓強P及輸氣管內空氣流速V等作為參量進行研究比較，針對以上內容制定見表1（規則波）的試驗工況。

3 試驗數據處理

本試驗分別在工作高水位、工作平均水位及工作低水位3個工作水位下進行，試驗中規則波采用入射波高為1、1.5、2 m，入射波周期為4～9 s進行。試驗主要研究氣室內波高、壓強及輸氣管內空氣流速的變化與透平及負載的關系。

表1 規則波作用下空氣透平壓降作用試驗研究試驗工況一覽表（模型值）Table 1 The capture effect of Air chamber and the total table of reference wave（Model value）

試驗數據進行處理時，將采集到的每組工況的波高按時間順序排列，在MATLAB中讀取并畫出時程曲線，編程取出每個波峰值和波谷值，進而計算出波高，再取平均值作為該組工況的試驗波高值。將采集到的壓強及空氣流速值按時間順序排列，同理畫出時程曲線，編程取出每個極大值和極小值，再分別算極大值和極小值的平均值，作為該組工況的試驗壓強（正或負）值及試驗風速（正或負）值。

3.1 透平壓降影響與孔板替代作用分析

3.1.1 空載、孔板與透平作用下氣室內波面、壓強及空氣流速變化的時域分析 通過試驗中對數據的處理發現在不同周期下，氣室內波面、壓強及輸氣管中空氣流速的變化存在不同程度的相位差。因此，首先選取平均水位、入射波高H＝1.5 m入射波周期T＝6 s時，氣室內波高、壓強與輸氣管中空氣流速的對比曲線圖進行研究分析。

當輸氣管分別為空載、內置孔徑為1／3輸氣管直徑孔板、內置孔徑為2／3輸氣管直徑孔板和內置空氣透平時氣室內波高、壓強與輸氣管內空氣流速的過程曲線對比圖（見圖6～8）：

從每個圖中均可看出：氣室內波高變化與輸氣管內空氣流速的變化趨勢基本一致，但各周期內幅值略有差異，這是由于氣室內波面的起伏帶動其室內外空氣通過輸氣管進出氣室引起的。但氣室內壓強與氣室內波高的變化相差1／2周期，而且由于加入內置孔板或透平，氣室內壓強值明顯增大，這說明輸氣管內壓強變化相比波面和空氣流速變化有滯后性，而且當輸氣管內有負載時壓強增大更加明顯。

另外，試驗中發現，內置空氣透平時的情況基本與內置孔板內徑為2／3輸氣管直徑時接近。此結論由圖6～8均可以看出，為了驗證這一結果，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時，氣室內波高、壓強與輸氣管中空氣流速的過程曲線對比圖作為參考（見圖9～14）。

上述圖線進一步驗證了由圖6～8得出的結論，而且也可以看出，在不同工況下，能起到替代內置透平作用的是內置孔徑為2／3輸氣管直徑的孔板。這也為數值計算時利用空氣透平的替代作用進行模擬提供了有力的支持。

3.1.2 空載、孔板與透平作用下氣室內波面、壓強及空

氣流速變化的頻域分析 以下對空氣透平壓降作用試驗研究采用無量綱因子——相對波高H0／H考察氣室內波面的升降變化，其中，H0為入射波高，H為氣室內波面升降的波高。

圖15 負載對相對波高的影響Fig.15 Effect of load on the wave height

本試驗數據處理中，選取在平均水位及入射波高1.5 m的情況下，分別從相對波高、氣室內壓強及輸氣管中空氣流速3方面分析負載的影響（對應工況25～30）。試驗中，在輸氣管內設置孔板（包括內徑2／3輸氣管直徑和1／3輸氣管直徑2種）作為負載，主要作用是使輸氣管中氣壓產生壓降，以模擬空氣透平對輸氣管中氣壓的影響。圖15是分別在輸氣管空載、孔板內徑為1／3輸氣管直徑、孔板內徑為2／3輸氣管直徑和空氣透平4種情況氣室相對波高的變化曲線。由圖可以看出，隨著入射波周期的增大，相對波高逐漸增大，而加入內置孔板后，相對波高明顯降低，可見內置孔板及空氣透平對氣室內波面的振蕩產生的影響較大。

圖16是負載對氣室內壓強的影響分析圖，圖中可以看出，氣室內壓強與入射波周期基本呈線性關系，但是在周期T＝7 s時有明顯下降現象，這是由于到達氣室前墻的入射波與氣室內波面產生共振引起的。雖然氣室內壓強隨著內置孔板的直徑的減小而增大，但并非說明輸氣管的直徑越小越有利于裝置的發電，因為空氣透平的放置需要輸氣管具有一定直徑，并且裝置的壽命和強度對壓強也有要求。因此，輸氣管的直徑需綜合考慮多方面因素的影響。

圖16 負載對氣室內壓強的影響Fig.16 Effect of load on the pressure of air chanber

3.1.3 氣室內波能轉換效率 由式1～11可知，氣室內波能轉換效率通過測得的輸氣管內空氣流速加上對應的工況即可計算出氣室內波能轉換效率。此處以工況25～30為例，給出這幾種工況下對應的氣室內波能轉換效率值。

表2 裝置一次轉換效率值一覽表（模型值）Table 2 The effect of device energy conversion（Model value）

從裝置一次能量轉換效率值一覽表中可以看出，在進行物理模型試驗中，氣室輸出能隨著周期的增大而增大，但隨著入射波高的增大，氣室內的轉換效率逐漸減小，這是由于隨著入射波高的增大，抵達氣室前墻的波浪產生破碎消耗了部分波浪能。

4 結語

本沖擊式透平物理模型試驗主要進行了OWC裝置透平壓降的替代性作用的研究，為數值模擬提供包括數據支持與波面運動對比等驗證服務。

物理模型試驗研究發現：氣室內波高與輸氣管內空氣流速的變化基本一致，與氣室內壓強的變化相差1／2周期。在規則波作用下，隨著入射波高的增大，氣室內波面振幅也逐漸增大，但隨著周期的增大趨于平緩，而氣室內的相對波高逐漸減小，這是由于隨著入射波高的增加，氣室內的波幅增大帶來的強非線性導致波浪破碎，造成波能的內部損耗，從而導致氣室內波高逐漸減小。加入內置孔板后，相對波高明顯降低，對氣室內波面的振蕩產生的影響較大，氣室內壓強明顯增大，但輸氣管內空氣流速增大并不明顯。對內置空氣透平壓降作用效果可起到替代作用的為內徑為2／3輸氣管直徑的內置孔板。

［1］ Edwards Cassedy.可持續能源的前景［M］.北京：清華大學出版社，2003：1－6.

［2］ 徐柏林，馬勇，金英蘭.當今世界海洋發電發展趨勢［J］.發電設備，2000，12（1）：37－42

［3］ 任建莉，鐘英杰，張雪梅，等.海洋波能發電的現狀與前景［J］.浙江工業大學學報，2006，5（1）：69－73.

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［5］ 陳加菁，王冬蛟，王龍文.波浪發電系統的水動力匹配準則［J］.水動力學研究與進展，1995，12（6）：581－587.