后彎管波浪能利用技術及樣機設計

吳必軍，李　猛,4，伍儒康,4，陳天祥,4

（1.中國科學院廣州能源研究所，廣東　廣州 510070；2.中國科學院可再生能源重點實驗室，廣東　廣州 510070；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發與應用重點實驗室，廣東　廣州510640；4.中國科學院大學，北京　100049）

后彎管波浪能利用技術及樣機設計

吳必軍1,2,3，李猛1,2,3,4，伍儒康1,2,3,4，陳天祥1,2,3,4

（1.中國科學院廣州能源研究所，廣東廣州 510070；2.中國科學院可再生能源重點實驗室，廣東廣州 510070；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發與應用重點實驗室，廣東廣州510640；4.中國科學院大學，北京100049）

分析總結了目前世界上發展的后彎管波浪能利用技術。歷史資料表明，水槽規則波模型實驗俘獲寬度比最大值達到了79.1%，水池規則波實驗最高值達到172.8%，而且都呈現較寬的通頻帶。水池隨機波實驗俘獲寬度比平均值最高為52%。后彎管技術表現出優良的波浪能量轉換特性?；谇捌诘难芯炕A，經過對模型的改進和水槽規則波實驗，研究發現模型從波浪能到氣動功率的俘獲寬度比最高值達到了99%，遠超過歷史文獻最好值79.1%。樣機設計表明，基于后彎管技術發展的波浪能利用裝置具有良好的經濟性。

波浪能；后彎管；俘獲寬度比

海洋波浪能蘊藏量豐富，開發利用潛力巨大[1]。開發利用波浪能對于我國海洋資源開發、海島建設、海防、海洋觀測、海水淡化等具有重要意義。

目前波浪能利用技術種類繁多，但基于漂浮式技術發展的裝置由于可以工廠批量低成本生產、建造受海洋環境影響小、適用面廣而成為國際上發展的主流技術。漂浮式波浪能技術種類繁多，但絕大部分波浪能利用技術是在波浪直接作用下利用載體（空氣、海水、結構物）與結構物（支撐平臺）的相對運動轉換波浪能量，還有一部分是利用載體受波的壓力產生形變或通過壓電效應轉換能量。形變或壓電效應轉換波浪能量由于波浪產生的壓頭不高而轉換效率不高，這兩類技術轉換效率最高不超過5%[2]。不同的轉換載體后續的轉換機構是不一樣的,如圖1所示，這些機構的復雜程度和建造成本差別很大。

漂浮式技術中，通過結構物（一般稱振蕩浮子）這種載體轉換能量的形式很多，有圓餅型[3]、長條型[4]，其最突出代表是點頭鴨形式[5]。這些技術前級能量轉換特征是波浪能轉換為結構物的機械能，是目前國內外技術發展的主流。1974年，著名波浪能專家Salter提出了點頭鴨式技術，其特點是利用特殊設計的外形和運動形式，提高一級轉換效率，使二維正弦波水槽試驗的俘獲寬度比超過90%。在寬水池實驗中，在松弛系泊系統作用下，其正弦波浮獲寬度比不超過40%[6]，而在剛性構架作用下，其正弦波浮獲寬度比超過160%。點頭鴨技術高效的關鍵是鴨體具有圓形的后部，以及其轉軸基本固定。然而通過結構物與結構物形成漂浮相對運動轉換能量這種雙（多）浮體形式，綜合成本（材料成本、建造成本、系泊成本、投放成本、維護成本等）做到低成本的空間小，結構物之間在惡劣海況下相互運動出現超限幾率大，相撞事件不可避免，安全系數低。以液壓系統作為后續轉換機構復雜，液壓系統中采用油作為工質有對海洋環境產生污染的風險。

漂浮式技術中，通過海水這種載體轉換能量最突出代表是歐洲多國合作的Wave Dragon波力裝置，其特點是單浮體（承載平臺），裝置要承擔轉換載體（海水）的重量，因此其結構規模強勁和龐大，在風、波和流共同作用的海況下，系泊系統設計復雜，投資大，水輪機同海水接觸，受海生物附著影響大，發展緩慢[7]。

漂浮式技術中，通過空氣這種載體轉換能量就是所謂的漂浮振蕩水柱技術，其前級能量轉換過程也可理解為是波浪能轉換為結構物的機械能過程，與漂浮振蕩浮子轉換原理一樣，其特殊性是載體和承載平臺合二為一。后續轉換機構是管道、空氣透平、發電機（或其它負載）。相對于相同裝機功率的漂浮振蕩浮子裝置，由于去掉了強大的支撐平臺，裝置規模至少降低2/3，將導致材料、建造、運輸、投放、回收、系泊等成本大幅度降低。該技術總體結構簡單，材料利用率高，運輸、投放和回收工藝簡單和成本低，維護成本低，海生物附著影響小，環境友好。

圖1　波浪能到電能的后續轉換機構

漂浮振蕩水柱式技術優秀代表是后彎管技術[8-9]，其突出特點是裝置整體搖、蕩運動的充分利用，使其俘獲寬度比（指氣動功率與裝置迎波面寬度內的入射波功率之比，由于“聚波”效應，有的條件下裝置入射波功率遠大于裝置迎波面寬度內的波浪功率，這就是兩者之比大于100%的原因）較高(窄水槽試驗接近80%[8-9]，寬水池試驗達到172.8%[11])。本文介紹后彎管技術的發展歷程和樣機設計。

1　國外后彎管技術重要進展

1986年，著名波浪能專家Masuda[10]提出了后彎管技術概念，如圖2所示。該裝置由一個L形的導管、一個浮室、一個氣室、一個空氣透平和一個發電機組成，海水從導管的后部開口端進入，推動氣室內的空氣運動，運動的空氣推動空氣透平驅動發電機輸出電能。該技術從波浪能到電能轉換一般分為兩級，初級轉換（Primary Conversion）是從波浪能到氣動能量，第二級轉換（Secondary Conversion）是從氣動能量到電能。

圖2　后彎管波能裝置示意圖

從收集的文獻可知，1999年，印度人Pathak等同Masuda合作，對一個前方后圓（未延伸）長1.2 m、寬0.87 m、高0.9 m的后彎管模型以及彎管向后分別延伸0.32 m、0.47 m和0.62 m共4種模型進行了水池試驗研究。水池長30 m、寬30 m、深3 m，彎管氣室水線面積為0.87 m×0.27 m=0.234 9 m2，模型吃水深度為0.45 m。研究表明，適當延長后彎管的長度不僅提高了俘獲寬度比的峰值，而且拓寬了頻率響應寬度。研究表明，在波高0.25 m、周期1.65 s規則波作用下，氣動功率達到了155 W，俘獲寬度比達到了172.8%。研究表明，在JONSWAP波譜作用下，向后延伸0.47 m的后彎管模型俘獲寬度比平均值達到了52%（入射波功率按計算，Hs入射波有義波高（m），Tz入射波平均周期（s），B浮體迎波寬度（m））[11]。2011年，日本學者Imai等對一個前方后方（未延伸）長0.85 m、寬0.78 m、高0.6 m的后彎管模型（Type-A）以及彎管向后分別延伸0.15 m（Type-B）、0.47 m（Type-C）共3種模型進行了水槽和水池試驗研究。造波水槽長18 m、寬0.8 m、深1.2 m，造波水池長65 m、寬5 m、深7 m，模型吃水深度都為0.35 m。規則波實驗研究表明，未延伸后彎管的俘獲寬度比在水槽實驗中最高可到70%（水槽寬度與模型寬度之比為1.03），而在水池實驗中達到了大約108%（水池寬度與模型寬度之比為6.41）。水槽規則波實驗表明，向后延伸的后彎管模型俘獲寬度比要低于未延伸的后彎管模型。未延伸模型尺度放大3倍在水池中進行了發電實驗，此時模型尺度為長2.55 m、寬2.34 m、高1.8 m，吃水1.05 m，空氣透平為帶導葉的沖動透平。規則波實驗研究表明，其俘獲寬度比最高為78%（水池寬度與模型寬度之比為2.14），從波浪能到電的轉換效率最高為49%[12]。最近幾年未查到有關后彎管能量轉換性能的實驗研究文獻。

2008-2011年，愛爾蘭基于后彎管技術研建的1:4 OE Buoy海試樣機投放成功運行，裝置自重28 t，經受住了幾次強颶風的考驗（圖3）[13]。

圖3　海試中的OE Buoy裝置（2006年）

表1　國外后彎管模型能量轉換性能研究進展

2　我國后彎管技術的重要進展

1989年，中國科學院廣州能源研究所開始了后彎管型波力發電導航浮標的研究工作，1990年4月研制出第一臺雙胴體型后彎管波力發電導航燈浮標，當時造波水池試驗表明，其俘獲寬度比比傳統的中心管型波力發電導航浮標高1倍；1993年又研制出新一代前方后圓浮室后彎管波力發電導航燈浮標，性能較雙胴體型又有了很大提高，更適應淺水微浪水域的要求，生產了3臺樣機，分別在湛江和珠江口伶仃洋北面水域進行實用試驗。1994年，中國科學院廣州能源研究所向日本出口一套WBF2.86×2.2A型后彎管波力發電導航燈浮標，并于1995年4月為其研制了配套用BD4501型波力發電裝置，日本波能專家益田善雄先生于1995年9月在日本明古屋西南的三河灣進行了海上試驗，結果表明，在相同地點、相同波況、外形尺寸近同條件下發電量為日本自己研制的雙胴體后彎管波力發電裝置的10倍，獲得益田善雄先生高度贊賞。中國科學院廣州能源研究所獨創的燈船用后彎管波力發電裝置，已于1993年10月通過鑒定，先后有3艘波力發電燈船在瓊州海峽中水道、北水道和珠江口投入使用。1995年，中國科學院廣州能源研究所研制成功當時世界上裝機容量最大的5 kW后彎管波力發電裝置（圖4），裝置自重19 t，1996年1月5 kW裝置成功投放在珠江口桂山島西南面海域，地點為東經113°47′24″、北緯22°06′12″，試驗中記錄到最大發電功率為5.7 kW[14]。在1996年3月通過相關部門驗收。

在后彎管技術研究中，我國波浪能專家梁賢光等人作出了重要貢獻，見表2。1995年，梁賢光等人在文獻[15]中描述了4種后彎管模型實驗研究成果，這4種后彎管模型分別為雙胴體后彎管浮體模型、單胴體后彎管浮體模型、圓柱形浮室后彎管浮體模型、前方后圓浮室后彎管浮體模型。研究表明前方后圓浮室后彎管浮體模型在波高0.1 m、周期1.25 s、模型質量30 kg條件下，得到最高40.5%的俘獲寬度比[15]。為改進后彎管波力發電浮標的性能，1997年，梁賢光等人在文獻[16]中對6種模型（前方后圓浮室后彎管浮體、橫軸半圓浮室后彎管浮體、橫軸半圓加寬后彎管浮體、90°圓弧后彎管浮體、前方后圓浮室后伸型后彎管浮體(Ⅰ)、前方后圓浮室后伸型后彎管浮體(Ⅱ)）進行了新一輪試驗研究，測定了它們的氣室平均輸出氣流功率隨波周期的變化曲線，最后確定了最佳浮體“前方后圓浮室后伸型后彎管浮體(Ⅱ)”。研究表明前方后圓浮室后伸型后彎管浮體(Ⅱ)模型在波高0.1 m、周期1.25 s、模型質量24 kg條件下，得到最高俘獲寬度比為73.3%，而且高效區周期寬度擴大[16]。為進一步提高后彎管能量轉換性能，2000年，梁賢光等在文獻[17]描述了4種新的前方后圓浮室后伸型后彎管浮體模型的能量轉換性能。試驗研究表明，將后彎管水平段適當向后延伸，有利于波能轉換效率的提高，并使特性變得較為平緩，擴大響應波周期范圍[17]。為了研究多點系泊下后彎管浮體波能轉換性能、錨泊力和運動規律，以獲得多點系泊下的最佳后彎管浮體模型和最佳系泊方式，梁賢光等人采用前方后圓浮室后伸型模型在水池中進行了多種工況下的性能實驗。研究表明，系泊系統對后彎管浮體波能轉換性能有很大影響，在波高0.1 m、周期1.271 s、3點松弛系泊下可使俘獲寬度比達到150.7%[18]。為了降低大型裝置的建造成本，梁賢光等人以前期最佳模型為基礎采用雙聯和三聯方式對后彎管波力發電浮體模型性能進行了試驗研究。結果表明并聯式后彎管浮體模型的最佳響應周期同單體模型基本一樣，各單元浮體性能略有差異，位于中間的單元浮體性能略低于兩側的浮體，波能轉換性能隨浮體數量增加而下降，多點系泊使并聯式后彎管裝置效率提高。并聯式后彎管波力發電裝置采用標準化單元設計，靈活組成不同裝機容量的裝置，將大大降低錨泊系統、海底電纜系統的費用[19]。2014年，劉臻等考察了氣室內水柱振蕩幅度與入射波波高和入射波周期之間的關系，分析了氣室完全開敞、輸氣管添加負載以及彎管橫管長度對氣室內水柱振蕩的影響[20]。

圖4　我國5 kW后彎管裝置（1996年）及海試

3　近期后彎管技術模型試驗結果

2014年12月（從2001年到2015年時隔15 a），對模型C的能量轉換效率進行了重新測試，測試水槽長56 m、寬1.2 m、水深為0.925 m，自然垂鏈，錨鏈長2.4倍水深，即222 cm，吃水24 cm，總重12.129+25=37.129（kg），研究得到的結果如表3所示，最高為80.8%。該結果同文獻[17]的結果相當，說明盡管時隔了10多年，盡管采用的浪高儀、差壓傳感器等不同，但得到了幾乎一樣的結果，互相進行了驗證，兩個時間段的測量結果是可信的。

2015年，為了進一步提高轉換效率，依據一些理念對模型進行了一些改進，從傳統的后圓浮室改成了后三角浮室，如表3中的模型D。大量實驗表明，模型D俘獲寬度比有一定的提高，最高達到了82.5%。模型D的俘獲寬度比隨周期的變化情況可查看表3模型D對應的圖。對模型D進一步改進得到模型E，見表3中的模型E。水槽實驗表明，模型E俘獲寬度比最高達到了99.15%，而且有較寬的通頻帶（為隨機波條件下得到較高的轉換效率創造了條件）。

表2　我國后彎管模型能量轉換性能研究進展

表3　最新模型實驗結果

4　樣機設計

基于模型E的實驗研究結果，我們設計了一些樣機并進行比對，如表4所示。顯然，對于同一尺度和同一吃水深度的模型，由于材料密度及厚度不同，將導致模型總質量不同。本實驗模型采用了木質材料，木板厚度為7 mm，木板浮力大，導致在一定吃水條件下，模型總質量過大，達到了46.6 kg。我們以模型浮力艙排開水的重量來計算樣機的重量。模型E排開水的質量計算為33.7 kg。根據相似理論，當模型放大5倍得到實型，那么波浪能樣機發電裝置的迎波寬為2.61 m，長為5.93 m，重量為4.2 t（包括壓艙物的重量），在波峰周期2.9 s、波高為0.5 m條件下，輸出氣動功率為1.87 kW，氣動功率到電的轉換效率按25%計，可輸出平均電功率0.47 kW（目前國際上氣動能量到電的轉換效率實海況統計數據已接近60%[21]）。當模型放大20倍得到實型，那么波浪能樣機發電裝置的迎波寬為10.44 m，長為23.72 m，重量為239.7 t，在波峰周期5.8 s、波高為2 m條件下，輸出氣動功率為239.7 kW，如果氣動功率到電的轉換效率按25%計，可輸出平均電功率60 kW，如果氣動功率到電的轉換效率按50%計，可輸出平均電功率120 kW。從模型試驗到樣機的多種物理和幾何特性表現看，后彎管技術具有良好的經濟性。

表4　新型發電浮體特性比較

5　結論

（1）基于后彎管振蕩水柱技術發展的漂浮式波浪能裝置由一個簡單結構物構成，其材料、建造、運輸、投放、回收、系泊實現低成本的空間大，由于沒有結構物與結構物超限運動相撞問題，其可靠性高，生存能力強。后續轉換機構位于水面上，便于維修，也避免了海生物附著的影響；

（2）后彎管技術水槽規則波實驗波浪能到氣動功率俘獲寬度比已達到99%，水池規則波實驗俘獲寬度比達到172.8%，同著名的點頭鴨技術相當（轉軸固定），在海洋工程上優于點頭鴨技術。后彎管技術在隨機波條件下從波浪能到氣動功率的俘獲寬度比達到52%。

（3）基于后彎管振蕩水柱技術發展的波浪能發電裝置在幾何尺度、質量方面等相對目前發展的其它波浪能利用技術有優越性。

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Research on the Backward Bent Duct Buoy Wave Energy Conversion Technology and Prototype Design

WU Bi-jun1,2,3,LI Meng1,2,3,4,WU Ru-kang1,2,3,4,CHENG Tian-xiang1,2,3,4
1.Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,Guangdong Province,China; 2.Key Laboratory of Renewable Energy,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,Guangdong Province,China; 3.Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development,Guangzhou 510640,Guangdong Province,China; 4.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

This paper summarizes the backward bent duct buoy(BBDB)wave energy conversion technologies utilized across the world.Historical data show that the maximum capture width ratio(CWR)reaches 79.1%in 2D regular tank experiments and 172.8%in 3D regular tank experiments.The relatively wide pass-band width is also present in 2D and 3D regular experiments.The maximum average CWR is 52%in 3D random experiments. The BBDB technology shows high wave power conversion efficiency.Based on previous studies,through improvement of the BBDB prototype and 2D regular experiments,it is found that the maximum CWR of the new model is 99%,far higher than the best historical literature value 79.1%.Prototype design indicates that the wave energy converter based on the BBDB technology is economically outstanding.

wave energy;backward bent duct buoy(BBDB);capture width ratio(CWR)

P743.2

A

1003-2029（2016）05-0010-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.003

2016-03-31

中國科學院戰略性先導科技專項（A類）資助項目（XDA13040202）；國家自然科學基金資助項目（51579231，51276185）

吳必軍（1965-），男，博士，研究員，主要從事海洋波浪能轉換技術研究。E-mail：wubj@ms.giec.ac.cn