OWC裝置空氣透平壓降作用試驗(yàn)研究＊

史宏達(dá)，高人杰，劉 臻，焦建輝

（1.中國海洋大學(xué)海洋工程山東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266100；2.大唐青島港務(wù)有限公司，山東青島266400）

在海洋資源及海岸工程領(lǐng)域內(nèi)，關(guān)于波浪能開發(fā)利用的研究正在逐漸成為備受關(guān)注的熱點(diǎn)課題。［1］振蕩水柱（Oscillating Water Column，簡稱OWC）式裝置由于結(jié)構(gòu)簡單、無水下活動(dòng)部件、造價(jià)低、可靠性高而成為世界上應(yīng)用最為廣泛的波能發(fā)電裝置，也是目前公認(rèn)最有前途、投入研究力量最大的岸式波能發(fā)電裝置［2］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)振蕩水柱波能發(fā)電裝置進(jìn)行了卓有成效的研究，獲得了許多有價(jià)值的研究成果。根據(jù)能量2次轉(zhuǎn)換的過程，該領(lǐng)域的研究內(nèi)容大體可分為針對(duì)氣室結(jié)構(gòu)和空氣透平兩部分［3］。但傳統(tǒng)研究中，通常是將其中一個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程簡單假設(shè)而對(duì)另一過程進(jìn)行相對(duì)獨(dú)立的考察：氣室研究中忽略透平結(jié)構(gòu)及其影響，透平研究中忽略自由水面、氣室內(nèi)壓強(qiáng)及空氣吸入與呼出的變化。通過分別提高各轉(zhuǎn)換率的方法，達(dá)到提高整個(gè)裝置波能轉(zhuǎn)化效率的目的。

但在OWC波能裝置中，2個(gè)能量轉(zhuǎn)換過并非各自獨(dú)立：氣室內(nèi)振蕩水柱的升沉，帶動(dòng)氣室內(nèi)氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生變化，氣室內(nèi)外壓強(qiáng)產(chǎn)生空氣的往復(fù)流動(dòng)；另一方面，空氣流過透平后會(huì)產(chǎn)生相對(duì)壓降，從而帶來氣室內(nèi)氣壓變化，該變化又會(huì)導(dǎo)致自由水面振幅發(fā)生改變。由此可見，振蕩水柱升沉，氣室內(nèi)氣體壓強(qiáng)以及輸氣管內(nèi)的往復(fù)氣流是三者聯(lián)動(dòng)，相互耦合，相互作用的關(guān)系。印度波能電站的實(shí)測(cè)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(nèi)相對(duì)波幅值可達(dá)到1.5～2.0，而包含透平運(yùn)行的電站實(shí)測(cè)相對(duì)幅值則只有0.3左右。但前人在OWC氣室結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)或引入透平的壓降影響，因此難以準(zhǔn)確反映氣室結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與性能。由此可見，傳統(tǒng)研究方法既難以全面揭示OWC裝置的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理，也難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)裝置在實(shí)際運(yùn)行過程中的波能轉(zhuǎn)換效率。

在此能量轉(zhuǎn)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(lián)2次能量轉(zhuǎn)換過程、實(shí)現(xiàn)兩轉(zhuǎn)換過程耦合的核心要素。因此，構(gòu)建2次能量轉(zhuǎn)換的耦合系統(tǒng)就必須考察透平壓降作用對(duì)能量耦合系統(tǒng)整體工作性能的影響。本實(shí)驗(yàn)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(fā)電設(shè)備的沖擊式透平或孔板結(jié)構(gòu)，用于提供空氣透平的壓降作用。

1 振蕩水柱（OWC）波能發(fā)電裝置介紹

1.1 裝置的工作原理

OWC波能發(fā)電裝置主要包含2個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程：

（1）第一次能量轉(zhuǎn)換，氣室結(jié)構(gòu)首先將入射波能轉(zhuǎn)換為往復(fù)流動(dòng)氣體的動(dòng)能；

（2）第二次能量轉(zhuǎn)換，輸氣管內(nèi)的透平帶動(dòng)電機(jī)再將空氣動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。

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

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

波動(dòng)的總能量由水面位移產(chǎn)生的勢(shì)能和流動(dòng)的水質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能組成。

1個(gè)波長（L）范圍內(nèi)單寬波峰線長度的波浪勢(shì)能Ep由下式確定：

1個(gè)波長范圍內(nèi)單寬波峰線長度的波浪動(dòng)能EK由下式計(jì)算：

在微幅波中，上式可近似地寫為：

其中，根據(jù)勢(shì)流理論可求得流體內(nèi)部任一點(diǎn)（x，z）處水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(gè)波長范圍內(nèi)的總波能為：

本文設(shè)定開孔氣室的開孔寬度為B，透射波能系數(shù)為γi，其中γi≤1，則進(jìn)入氣室的入射波總能量為：

氣室中的能量轉(zhuǎn)換主要通過氣液相互作用使波浪能轉(zhuǎn)換為空氣的動(dòng)能，因此，1個(gè)波長范圍內(nèi)的輸氣管中的空氣動(dòng)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(fā)電裝置的第一次能量轉(zhuǎn)換效率η為：

因此通過測(cè)量輸氣管內(nèi)空氣流速計(jì)算裝置的第1次能量裝換效率。至于空氣動(dòng)能轉(zhuǎn)化為空氣透平轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電的第2次能量轉(zhuǎn)換的效率本試驗(yàn)中暫不涉及。

1.2 裝置的氣室設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)裝置主要振蕩水柱式波力發(fā)電裝置氣室及其輸氣管，示意圖如圖2所示。

圖2 OWC發(fā)電裝置氣室設(shè)計(jì)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(fā)電裝置的氣室，用于消浪、吸收轉(zhuǎn)換能量，氣室前壁下部大開孔；②為輸氣管，內(nèi)置空氣透平，連接氣室與外界空氣。

結(jié)合本文的試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

本試驗(yàn)在海軍工程實(shí)驗(yàn)室的斷面物理模型試驗(yàn)水槽中進(jìn)行，水槽長50 m、寬1.2 m、深1.2 m。水槽底部、槽首造波機(jī)安裝段與槽尾消能區(qū)均為混凝土結(jié)構(gòu)，中間試驗(yàn)段采用鋼架結(jié)構(gòu)，2個(gè)邊壁鑲嵌12 mm厚的玻璃（見圖3）。低慣量直流式電機(jī)無反射不規(guī)則造波機(jī)安裝在水槽的首端，造波機(jī)所能產(chǎn)生的最大模型試驗(yàn)波高為0.23 m，控制系統(tǒng)通過固定在造波板上的2個(gè)浪高儀反饋的波高信息，調(diào)整造波信號(hào)，以達(dá)到吸收包括建筑物模型等所產(chǎn)生的反射波能，減小造波板二次反射對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響的效果，整個(gè)造波系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度可滿足試驗(yàn)的要求。另一端為消能設(shè)施，造波機(jī)后部及水槽尾端采用的消波材料，試驗(yàn)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(yàn)水槽Fig.3 The experimental channel

試驗(yàn)中，波高的測(cè)量采用電容式波高儀，將其布置在氣室中心位置，數(shù)據(jù)采集主要采用SG2000型多功能數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

在氣室頂部側(cè)面開孔連接2個(gè)氣壓傳感器，在氣室后端輸氣管中段布置1個(gè)熱敏式流速儀，該流速儀量程為0～10 m／s。試驗(yàn)中氣壓、流速數(shù)據(jù)是通過USB－4716數(shù)據(jù)采集模塊接收氣壓傳感器和流速儀的電壓輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換而得。此外，試驗(yàn)在輸氣管中加入沖擊式透平，通過透平上的直流式電機(jī)輸出電信號(hào)，點(diǎn)亮LED燈泡。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸叩倪x取及模型儀器布置

本試驗(yàn)中，試驗(yàn)原型最大波高值可達(dá)7 m，原型波周期最大可達(dá)18 s，為能夠覆蓋近海波浪至涌浪的模擬，根據(jù)試驗(yàn)水槽的能力及氣室初步設(shè)計(jì)的尺度，試驗(yàn)比尺設(shè)定為1∶16，波浪模型遵照重力相似準(zhǔn)則，進(jìn)行規(guī)則波波型的試驗(yàn)，在氣室前墻及氣室內(nèi)中點(diǎn)附近分別布置波高儀，用以監(jiān)測(cè)各處的波高變化；分別在氣室上部內(nèi)及輸氣管透平兩側(cè)布置壓力傳感器，用以監(jiān)測(cè)各處的氣壓變化；在輸氣管內(nèi)布置空氣流量計(jì)及流速計(jì)用以測(cè)定往復(fù)氣流通量。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.3.1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法 為了更好地探究空氣透平的壓降作用效果及進(jìn)行替代性研究，本試驗(yàn)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

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

（2）在輸氣管中加入負(fù)載（圖4，孔板結(jié)構(gòu)），考察氣室內(nèi)的波高、壓強(qiáng)及輸氣管中空氣流速等參數(shù)的變化，研究負(fù)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(nèi)的波高、壓強(qiáng)及輸氣管中空氣流速等參數(shù)的變化，并通過與透平連接的發(fā)電機(jī)研究各參量的變化。

本實(shí)驗(yàn)將OWC裝置2次能量轉(zhuǎn)換過程聯(lián)立，構(gòu)建2次能量轉(zhuǎn)換的耦合系統(tǒng)，考察與預(yù)測(cè)氣室內(nèi)振蕩水柱的升沉、氣室內(nèi)氣壓級(jí)輸氣管內(nèi)空氣流動(dòng)的相互作用與變化，也為數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支持。

在試驗(yàn)進(jìn)行之前，首先布置氣室內(nèi)與氣室前墻外的波高儀，然后對(duì)波高儀進(jìn)行率定，最后進(jìn)行依據(jù)波試驗(yàn)，率定造波機(jī)。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集過程中，當(dāng)波浪到達(dá)氣室前墻并穩(wěn)定后開始采集波高、氣室內(nèi)壓強(qiáng)及輸氣管內(nèi)空氣流速。數(shù)據(jù)采集過程中，規(guī)則波的采樣間隔時(shí)間為0.016 s，波峰間隔個(gè)數(shù)為10～12個(gè)。

2.3.2 試驗(yàn)工況介紹 本試驗(yàn)依據(jù)裝置的特殊性，設(shè)計(jì)了工作高水位、平均水位和工作低水位3個(gè)水位工況。將對(duì)能量轉(zhuǎn)換過程有影響的因素：入射波周期T、入射波高H、氣室內(nèi)壓強(qiáng)P及輸氣管內(nèi)空氣流速V等作為參量進(jìn)行研究比較，針對(duì)以上內(nèi)容制定見表1（規(guī)則波）的試驗(yàn)工況。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)分別在工作高水位、工作平均水位及工作低水位3個(gè)工作水位下進(jìn)行，試驗(yàn)中規(guī)則波采用入射波高為1、1.5、2 m，入射波周期為4～9 s進(jìn)行。試驗(yàn)主要研究氣室內(nèi)波高、壓強(qiáng)及輸氣管內(nèi)空氣流速的變化與透平及負(fù)載的關(guān)系。

表1 規(guī)則波作用下空氣透平壓降作用試驗(yàn)研究試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，將采集到的每組工況的波高按時(shí)間順序排列，在MATLAB中讀取并畫出時(shí)程曲線，編程取出每個(gè)波峰值和波谷值，進(jìn)而計(jì)算出波高，再取平均值作為該組工況的試驗(yàn)波高值。將采集到的壓強(qiáng)及空氣流速值按時(shí)間順序排列，同理畫出時(shí)程曲線，編程取出每個(gè)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(yàn)壓強(qiáng)（正或負(fù)）值及試驗(yàn)風(fēng)速（正或負(fù)）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(nèi)波面、壓強(qiáng)及空氣流速變化的時(shí)域分析 通過試驗(yàn)中對(duì)數(shù)據(jù)的處理發(fā)現(xiàn)在不同周期下，氣室內(nèi)波面、壓強(qiáng)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(shí)，氣室內(nèi)波高、壓強(qiáng)與輸氣管中空氣流速的對(duì)比曲線圖進(jìn)行研究分析。

當(dāng)輸氣管分別為空載、內(nèi)置孔徑為1／3輸氣管直徑孔板、內(nèi)置孔徑為2／3輸氣管直徑孔板和內(nèi)置空氣透平時(shí)氣室內(nèi)波高、壓強(qiáng)與輸氣管內(nèi)空氣流速的過程曲線對(duì)比圖（見圖6～8）：

從每個(gè)圖中均可看出：氣室內(nèi)波高變化與輸氣管內(nèi)空氣流速的變化趨勢(shì)基本一致，但各周期內(nèi)幅值略有差異，這是由于氣室內(nèi)波面的起伏帶動(dòng)其室內(nèi)外空氣通過輸氣管進(jìn)出氣室引起的。但氣室內(nèi)壓強(qiáng)與氣室內(nèi)波高的變化相差1／2周期，而且由于加入內(nèi)置孔板或透平，氣室內(nèi)壓強(qiáng)值明顯增大，這說明輸氣管內(nèi)壓強(qiáng)變化相比波面和空氣流速變化有滯后性，而且當(dāng)輸氣管內(nèi)有負(fù)載時(shí)壓強(qiáng)增大更加明顯。

另外，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，內(nèi)置空氣透平時(shí)的情況基本與內(nèi)置孔板內(nèi)徑為2／3輸氣管直徑時(shí)接近。此結(jié)論由圖6～8均可以看出，為了驗(yàn)證這一結(jié)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(shí)，氣室內(nèi)波高、壓強(qiáng)與輸氣管中空氣流速的過程曲線對(duì)比圖作為參考（見圖9～14）。

上述圖線進(jìn)一步驗(yàn)證了由圖6～8得出的結(jié)論，而且也可以看出，在不同工況下，能起到替代內(nèi)置透平作用的是內(nèi)置孔徑為2／3輸氣管直徑的孔板。這也為數(shù)值計(jì)算時(shí)利用空氣透平的替代作用進(jìn)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(nèi)波面、壓強(qiáng)及空

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

圖15 負(fù)載對(duì)相對(duì)波高的影響Fig.15 Effect of load on the wave height

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(duì)波高、氣室內(nèi)壓強(qiáng)及輸氣管中空氣流速3方面分析負(fù)載的影響（對(duì)應(yīng)工況25～30）。試驗(yàn)中，在輸氣管內(nèi)設(shè)置孔板（包括內(nèi)徑2／3輸氣管直徑和1／3輸氣管直徑2種）作為負(fù)載，主要作用是使輸氣管中氣壓產(chǎn)生壓降，以模擬空氣透平對(duì)輸氣管中氣壓的影響。圖15是分別在輸氣管空載、孔板內(nèi)徑為1／3輸氣管直徑、孔板內(nèi)徑為2／3輸氣管直徑和空氣透平4種情況氣室相對(duì)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(duì)波高逐漸增大，而加入內(nèi)置孔板后，相對(duì)波高明顯降低，可見內(nèi)置孔板及空氣透平對(duì)氣室內(nèi)波面的振蕩產(chǎn)生的影響較大。

圖16是負(fù)載對(duì)氣室內(nèi)壓強(qiáng)的影響分析圖，圖中可以看出，氣室內(nèi)壓強(qiáng)與入射波周期基本呈線性關(guān)系，但是在周期T＝7 s時(shí)有明顯下降現(xiàn)象，這是由于到達(dá)氣室前墻的入射波與氣室內(nèi)波面產(chǎn)生共振引起的。雖然氣室內(nèi)壓強(qiáng)隨著內(nèi)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(fā)電，因?yàn)榭諝馔钙降姆胖眯枰敋夤芫哂幸欢ㄖ睆?，并且裝置的壽命和強(qiáng)度對(duì)壓強(qiáng)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(fù)載對(duì)氣室內(nèi)壓強(qiáng)的影響Fig.16 Effect of load on the pressure of air chanber

3.1.3 氣室內(nèi)波能轉(zhuǎn)換效率 由式1～11可知，氣室內(nèi)波能轉(zhuǎn)換效率通過測(cè)得的輸氣管內(nèi)空氣流速加上對(duì)應(yīng)的工況即可計(jì)算出氣室內(nèi)波能轉(zhuǎn)換效率。此處以工況25～30為例，給出這幾種工況下對(duì)應(yīng)的氣室內(nèi)波能轉(zhuǎn)換效率值。

表2 裝置一次轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率值一覽表中可以看出，在進(jìn)行物理模型試驗(yàn)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(nèi)的轉(zhuǎn)換效率逐漸減小，這是由于隨著入射波高的增大，抵達(dá)氣室前墻的波浪產(chǎn)生破碎消耗了部分波浪能。

4 結(jié)語

本沖擊式透平物理模型試驗(yàn)主要進(jìn)行了OWC裝置透平壓降的替代性作用的研究，為數(shù)值模擬提供包括數(shù)據(jù)支持與波面運(yùn)動(dòng)對(duì)比等驗(yàn)證服務(wù)。

物理模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：氣室內(nèi)波高與輸氣管內(nèi)空氣流速的變化基本一致，與氣室內(nèi)壓強(qiáng)的變化相差1／2周期。在規(guī)則波作用下，隨著入射波高的增大，氣室內(nèi)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(nèi)的相對(duì)波高逐漸減小，這是由于隨著入射波高的增加，氣室內(nèi)的波幅增大帶來的強(qiáng)非線性導(dǎo)致波浪破碎，造成波能的內(nèi)部損耗，從而導(dǎo)致氣室內(nèi)波高逐漸減小。加入內(nèi)置孔板后，相對(duì)波高明顯降低，對(duì)氣室內(nèi)波面的振蕩產(chǎn)生的影響較大，氣室內(nèi)壓強(qiáng)明顯增大，但輸氣管內(nèi)空氣流速增大并不明顯。對(duì)內(nèi)置空氣透平壓降作用效果可起到替代作用的為內(nèi)徑為2／3輸氣管直徑的內(nèi)置孔板。

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