一種越浪式波能發(fā)電裝置越浪量和波壓力的試驗(yàn)研究

楊宗宇，劉曉鵬

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

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一種越浪式波能發(fā)電裝置越浪量和波壓力的試驗(yàn)研究

楊宗宇，劉曉鵬

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

越浪式發(fā)電裝置具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在前人的研究基礎(chǔ)上，對(duì)越浪式波能發(fā)電裝置的模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)研究了該波能發(fā)電裝置在不同波況、不同干舷高度下對(duì)波能的俘獲能力以及結(jié)構(gòu)的受力情況。對(duì)越浪量的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了無(wú)量綱分析，分別得出了越浪式模型裝置的越浪量關(guān)于干舷高度和波高的指數(shù)函數(shù)擬合曲線，總結(jié)了兩者對(duì)越浪量影響的普遍規(guī)律。通過(guò)對(duì)規(guī)則波和不規(guī)則波波浪作用下裝置受力結(jié)果的歸納總結(jié)，探討了波能裝置波壓力和浮托力變化的一般規(guī)律。本研究可為越浪式波能發(fā)電裝置的研究提供參考依據(jù)，為波浪能的利用提供一定的參考價(jià)值。

越浪式發(fā)電裝置；模型試驗(yàn)；干舷高度；波壓力；浮托力；越浪量；無(wú)量綱分析

海洋儲(chǔ)有巨大的能量。海洋能可以通過(guò)很多形式表現(xiàn)出來(lái)，其中以波浪能和潮汐能為兩種主要的海洋能源。海洋能與其他能源相比，具有能量形式簡(jiǎn)單易轉(zhuǎn)換、能流密度大和分布廣泛等特點(diǎn)。在當(dāng)今能源消費(fèi)日益增長(zhǎng)以及化石燃料所帶來(lái)溫室效應(yīng)和環(huán)境成本日益受到重視的情況下，發(fā)展海洋能對(duì)于改善能源結(jié)構(gòu)、減少化石能源對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)于波浪能發(fā)電裝置研究，在航標(biāo)燈、浮標(biāo)上的小型波能裝置得到了大規(guī)模的應(yīng)用，中、大型波能發(fā)電裝置在日本和歐洲的一些國(guó)家得到了十分快速的發(fā)展，并且涌現(xiàn)出一些比較成功的大中型波浪能發(fā)電裝置。越浪式裝置是其中的一種，其結(jié)構(gòu)活動(dòng)部件較少，整體穩(wěn)定性較高、可靠性好，適應(yīng)各種極端海況的能力較強(qiáng)，在岸線布置的越浪式波能裝置還可以與防波堤等堤岸結(jié)構(gòu)很好的結(jié)合。越浪式波能發(fā)電裝置的主要原理：利用特殊地形或者裝置將波浪聚集在傾斜坡道之前，在坡道之前由于聚集作用波高變大，波浪越過(guò)坡道之后進(jìn)入水庫(kù)，通過(guò)水庫(kù)底部的低水頭水輪機(jī)將水庫(kù)中水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。主要有下面幾種類型：

1)收縮波道裝置(TAPCHAN)，是挪威在1985年建成的波能電站，利用海島的特殊地形，波浪進(jìn)入水庫(kù)的坡道逐漸變窄，入射波在進(jìn)入水庫(kù)前波高逐漸變大進(jìn)而能越過(guò)水庫(kù)，使得水庫(kù)中水的勢(shì)能通過(guò)水輪機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。2)漂浮式波能船(Floating Wave Power Vessel)[1]，是一個(gè)海上的漂浮水倉(cāng)，裝置為矩形，在其4個(gè)角安裝有4個(gè)壓載倉(cāng)支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)，裝置的坡道和水倉(cāng)位于結(jié)構(gòu)中部。裝置具有特殊的錨固系統(tǒng)，使得裝置的坡道能夠朝向波能最強(qiáng)的方向，因此該裝置的轉(zhuǎn)換效率較高。3)龍式波能裝置(Wave Dragon)[2-3]，是由丹麥開(kāi)發(fā)的一種離岸越浪式波能轉(zhuǎn)換裝置。在該裝置的坡道正前方兩側(cè)有兩個(gè)聚波板，當(dāng)波浪傳播到坡道時(shí)，經(jīng)過(guò)聚波板之后的波高會(huì)顯著增大，隨后波浪越過(guò)坡道，在坡道后有蓄水庫(kù)，及時(shí)存儲(chǔ)水體，水庫(kù)位于水平面上方，在水庫(kù)下安裝有低水頭渦輪機(jī)。該裝置可根據(jù)不同情況進(jìn)行排列組裝，對(duì)于不同的極端海況也具有較好的適應(yīng)能力。4)錐型槽波能發(fā)電裝置(Sea Slot-cone Generator)[4-5]，其基本思路是：根據(jù)不同入射波高將海水存儲(chǔ)于不同高度的水庫(kù)內(nèi)，每級(jí)水庫(kù)都有一個(gè)渦輪機(jī)，海水流經(jīng)渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)而發(fā)電。多層水庫(kù)設(shè)計(jì)使得此種裝置可適應(yīng)多種海面波況，保證了裝置的工作時(shí)間。多級(jí)渦輪機(jī)是該裝置最具特色的部分，它的啟動(dòng)力矩非常小，即使裝置只有一個(gè)水庫(kù)供水也能使裝置高效地運(yùn)作。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是活動(dòng)構(gòu)件少，只有多級(jí)渦輪和回流控制閥門，易于安裝和維護(hù)。

本文在之前對(duì)規(guī)則波波況下越浪裝置水力性能研究的基礎(chǔ)上[6]，設(shè)計(jì)了一種越浪式波能發(fā)電裝置，通過(guò)無(wú)量綱化方法分析了在規(guī)則波、不規(guī)則波波況越浪裝置的越浪量變化，還研究了不同干舷高度下裝置的越浪性能，測(cè)量了裝置主要部位在波浪中的受力情況。通過(guò)對(duì)越浪式波能發(fā)電裝置越浪性能和波壓力的初步研究及不同波況下越浪性能以及結(jié)構(gòu)受力情況的對(duì)比，探究了越浪式波能發(fā)電裝置的越浪規(guī)律和結(jié)構(gòu)的波壓力分布狀況。

1　模型實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)布置

本文對(duì)如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了研究，由于本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象為裝置的水力性能，不涉及到漂浮時(shí)裝置的性能，所以為本實(shí)驗(yàn)裝置固定在水槽上。本模型包含3個(gè)主要部分：1)兩側(cè)的聚波板，防止波浪從兩側(cè)滑落；2)裝置主體，包含前方坡道、中間過(guò)渡水倉(cāng)和后方的測(cè)量水倉(cāng)；3)裝置整體支撐結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)固定，并且可以通過(guò)該支撐結(jié)構(gòu)的升降來(lái)調(diào)節(jié)裝置的吃水，進(jìn)而改變裝置的干舷高度。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置三維圖Fig.1　3-D graph of the OWEC model

圖2　裝置的布置示意圖(mm)Fig.2　Layout of the OWEC model(mm)

實(shí)驗(yàn)在大連理工大學(xué)港海教研室波浪水槽中進(jìn)行，水槽寬度為1.3 m。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)水深為0.6 m，將規(guī)則波和不規(guī)則波分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了測(cè)量裝置的受力情況，在坡道上部以及過(guò)渡水倉(cāng)的底部共安裝有5個(gè)壓力盒①②③④⑤，壓力盒的具體分布位置以及裝置各部分的尺寸見(jiàn)圖2。使用DJ800數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取波壓力數(shù)據(jù)。整個(gè)模型安裝在水槽的中部，浪高儀在裝置前方1.8 m處。

1.2實(shí)驗(yàn)組設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)M西沙水域的波況，平均波高1.4 m，周期3.5 s。實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)度比例尺1∶10，故對(duì)應(yīng)的模型試驗(yàn)波況為波高0.14 m，周期1.1 s。根據(jù)此安排的規(guī)則波實(shí)驗(yàn)組如表1所示。為了探究裝置在不同波浪狀況下的越浪性能和波壓力的差別，本文還研究了在不規(guī)則波波況下裝置的越浪性能和受力。為便于對(duì)比，不規(guī)則情況下均采用1/3波高和1/3周期，對(duì)應(yīng)于規(guī)則波情況下的波高和周期。由于造波板的沖程限制，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件下不能夠造出有效波高為0.16 m，周期為1 s的不規(guī)則波波況。具體不規(guī)則波實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1　規(guī)則波實(shí)驗(yàn)組別

表2　不規(guī)則波實(shí)驗(yàn)組別

實(shí)驗(yàn)組波高從10 cm依次遞增到16 cm，周期為1.00～1.25 s。dr為裝置的吃水深度，為了考察裝置的吃水對(duì)越浪量的影響，將dr分別設(shè)置為1，3和6 cm。由于裝置垂直長(zhǎng)度固定為20 cm，所以吃水的變化會(huì)導(dǎo)致干舷高度的相應(yīng)變化。實(shí)驗(yàn)中控制每次造波的時(shí)長(zhǎng)T，在測(cè)量水倉(cāng)中得到越浪水體的體積V，然后除以迎浪面寬度和時(shí)間t，就可以得到模型單寬上的平均越浪量q，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次之后取平均值。得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之后，對(duì)越浪量和波壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

本文的主要研究目標(biāo)為模型裝置的越浪性能與不同波要素之間、與裝置不同吃水之間的關(guān)系。研究裝置在幾種不同波況和吃水條件下的波壓力分布情況，進(jìn)而對(duì)該類裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行初步分析。

2.1越浪量和波要素之間的關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)采用JENTSJE和JOHANNES[7]提出的無(wú)量綱越浪量模型對(duì)越浪量進(jìn)行分析

(1)

式中，Q為無(wú)量綱越浪量；q為實(shí)測(cè)越浪量；Hs為每個(gè)實(shí)驗(yàn)組的平均波高。為了尋找出越浪量和干舷高度之間的普遍規(guī)律，使用無(wú)量綱參數(shù)R=Rc/Hs代替干舷高度的具體數(shù)值，其中Rc為干舷高度。由得到的越浪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到圖3和圖4所示的Q與R的關(guān)系。

圖4　不規(guī)則波要素對(duì)越浪量的影響Fig.4　The influences of irregular wave parameters to overtopping discharge

擬合指數(shù)曲線的函數(shù)關(guān)系式已在圖3和圖4中標(biāo)出，由圖可知，在不規(guī)則波的有效波高和規(guī)則波相同的情況下，不規(guī)則波的越浪量要小于規(guī)則波的越浪量；在規(guī)則波和不規(guī)則波的波況下出現(xiàn)同樣的變化規(guī)律：1)越浪量隨著周期的增加有增加的趨勢(shì)，在不規(guī)則波波況下表現(xiàn)的更加明顯；2)無(wú)量綱越浪量Q隨著R的增加而減小，而且基本符合指數(shù)變化規(guī)律，這與斜坡越浪量的基本模型相符合，由此還可以得到，波高越大越浪量越大，很顯然波高大的時(shí)候，能夠提供足夠的越浪；3)當(dāng)R處于一定的范圍內(nèi)時(shí)，越浪量實(shí)驗(yàn)結(jié)果與函數(shù)曲線的離散化程度會(huì)隨著R的增加而增加，這說(shuō)明，當(dāng)波高較小且有越浪時(shí)，指數(shù)函數(shù)的描述不夠準(zhǔn)確，越浪量的規(guī)律不夠顯著和穩(wěn)定，這與實(shí)驗(yàn)情況也比較相符。

2.2越浪量和干舷高度之間的關(guān)系

圖5和圖6分別給出了裝置在不同干舷高度下的越浪量變化，從圖中可以明顯地看出，干舷高度越小，裝置的越浪量越大，在大波高的情況下這個(gè)規(guī)律更加明顯。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以明顯地看到，當(dāng)增大吃水深度時(shí)，波浪水體的大部分能夠越過(guò)坡道進(jìn)入水倉(cāng)。這主要是由于在同一波況下波浪的爬高能力相同，當(dāng)吃水深度加大時(shí)，裝置的干舷高度減小，波浪就很容易爬高越過(guò)坡道，大部分水體都能夠進(jìn)入水倉(cāng)中。由圖4和圖6可知，無(wú)量綱越浪量Q和R基本符合指數(shù)關(guān)系，R是干舷高度與波高的無(wú)量綱化參數(shù)，所以，當(dāng)波高不變時(shí)，Q隨著干舷高度的增加而減小。

圖5　規(guī)則波下干舷高度對(duì)越浪量的影響Fig.5　The influences of freeboard to overtopping discharge during regular wave conditions

圖6　不規(guī)則波下干舷高度對(duì)越浪量的影響Fig.6　The influences of freeboard to overtopping discharge during irregular wave conditions

2.3裝置的受力分析

本文還對(duì)裝置的坡道和水倉(cāng)在波浪作用下所受的壓力進(jìn)行了研究。通過(guò)安放的壓力盒①②③④⑤得到壓力數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)的采樣頻率為500 Hz。就裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定來(lái)說(shuō)，主要研究的是裝置極端情況下結(jié)構(gòu)的受力情況。所以本實(shí)驗(yàn)選取波高0.16 m的波壓力情況作為主要的研究對(duì)象。選取每組3次實(shí)驗(yàn)中波壓力沒(méi)有明顯的漂移的數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑處理，得到如圖7所示的規(guī)則波波壓力。

圖7　規(guī)則波實(shí)驗(yàn)組不同波高下所受波壓力對(duì)比Fig.7　The comparison of wave pressure in different wave height during regular conditions

由圖7可以得到以下結(jié)論：

1) 坡道所受的波壓力的數(shù)值從上至下逐漸減小，除了最底部的測(cè)點(diǎn)1之外，其余測(cè)點(diǎn)都處在靜水面之上，所以受到的都是沖擊力。測(cè)點(diǎn)1受到波吸力和波壓力的共同作用，但主要都是波壓力，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3所受的全部是波壓力；

2) 從裝置底部測(cè)點(diǎn)的波壓力圖可以看到，由于裝置底部浸沒(méi)在水中，裝置會(huì)受到波壓力和波吸力的反復(fù)作用，這與實(shí)驗(yàn)中裝置出現(xiàn)前后晃動(dòng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相吻合；

3) 在同一周期不同波高的情況下，坡道和裝置底部所受的波壓力隨著波高的增大而增大，測(cè)點(diǎn)4的波壓力和波吸力比測(cè)點(diǎn)5的稍小，這說(shuō)明裝置底部所受的波壓力和波吸力沿著入射波的方向逐漸減小。

圖8　規(guī)則波實(shí)驗(yàn)組不同周期下所受波壓力對(duì)比Fig.8　The comparison of wave pressure in different wave period during regular conditions

圖8給出了不同周期下裝置波壓力的變化情況，基本規(guī)律與圖7所表現(xiàn)出的基本趨勢(shì)相同。另外，在規(guī)則波波高不變的情況下，裝置坡道所受波壓力隨著周期的增加而減小，從圖中看出，當(dāng)周期從1.00 s增加到1.25 s時(shí)，測(cè)點(diǎn)1的波壓力從1 340 Pa降到了650 Pa，降低了50%。最頂部測(cè)點(diǎn)3的波壓力并未出現(xiàn)大幅的下降，從320 Pa降到300 Pa。裝置底部受力隨著周期的增大而增大，當(dāng)周期從1.00 s增加到1.25 s時(shí)，測(cè)點(diǎn)1的波壓力從160 Pa增加到190 Pa，增加了18% 。

圖9　不規(guī)則波實(shí)驗(yàn)組不同波高下裝置所受波壓力Fig.9　Wave pressure in different wave height during irregular conditions

圖10　不規(guī)則波實(shí)驗(yàn)組不同周期下裝置所受波壓力對(duì)比Fig.10　Wave pressure in different wave period during irregular conditions

在不規(guī)則波波況下，由于波高和周期的不規(guī)律性，所以采用較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)波壓力圖進(jìn)行結(jié)果分析，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組選取出現(xiàn)最大波高的時(shí)間段，本組實(shí)驗(yàn)選擇16 s內(nèi)的受力情況進(jìn)行分析。選取的實(shí)驗(yàn)組合的波高和周期與規(guī)則波波況時(shí)相對(duì)應(yīng)，得到的波壓力如圖9和10所示。

由圖9可知，在不規(guī)則波不同波高的作用下，測(cè)點(diǎn)波壓力的基本變化規(guī)律與規(guī)則波波況時(shí)相同，各測(cè)點(diǎn)波壓力隨著波高的增大而增大。

由圖10可知，在不規(guī)則波不同周期的作用下，測(cè)點(diǎn)波壓力的基本變化規(guī)律與規(guī)則波波況時(shí)相同。當(dāng)周期從1.0 s增加1.1 s，再增加到1.25 s時(shí)，坡道測(cè)點(diǎn)1的最大波壓力從825 Pa增加到1 240 Pa，隨后減小到750 Pa，變化幅度在50%左右。測(cè)點(diǎn)2的最大波壓力由390 Pa增加到417 Pa最后減小到380 Pa，測(cè)點(diǎn)1的最大波壓力變化幅度較小。由此可知隨著周期的增大，裝置坡道的最大波壓力先增大后減小。當(dāng)周期從1.0 s增加1.1 s，再增加到1.25 s時(shí)，而裝置底部的最大波壓力從175 Pa減小到160 Pa，最后增加到200 Pa左右。由此可知隨著周期的增大，裝置底部的最大波壓力先減小后增大。

對(duì)比圖7和圖9可知，測(cè)點(diǎn)3在不規(guī)則波波況下的最大波壓力為1 380 Pa，而在規(guī)則波波況下的最大波壓力為930 Pa，提高了50%。最大波壓力均出現(xiàn)在波高為16 cm的情況下。在波高為10 cm時(shí)，2種波況的最大波壓力相差不大。

3　結(jié)　論

本文研究了波要素對(duì)裝置越浪量和受力的影響，得到了波要素以及裝置的吃水深度對(duì)裝置越浪量和受力影響的一般規(guī)律。

1)關(guān)于波要素對(duì)越浪量的影響： 在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)規(guī)則波和不規(guī)則波越浪量進(jìn)行了無(wú)量綱分析，并給出了模型裝置越浪量的指數(shù)函數(shù)擬合曲線及規(guī)律：越浪量隨著周期的增加有增加的趨勢(shì)；無(wú)量綱越浪量Q隨著R的變化符合指數(shù)變化規(guī)律，當(dāng)波高較小且有越浪時(shí)，指數(shù)函數(shù)的描述不準(zhǔn)確。

2)關(guān)于吃水深度對(duì)越浪量的影響：在裝置高度固定的情況下，吃水越深，裝置的越浪量越大，在大波高的情況下這個(gè)規(guī)律更加明顯。無(wú)量綱越浪量Q和R基本符合指數(shù)關(guān)系。

3)關(guān)于波壓力的影響：①規(guī)則波波況下：裝置坡道受力沿坡道從下而上逐漸減小，裝置底部受力沿入射波方向逐漸減小。隨著波高的增大，坡道中部和上部都會(huì)出現(xiàn)較大的沖擊作用。在相同波高下，周期越小時(shí)，坡道所受最大波壓力越大，裝置底部的最大波壓力則越小，而且波浪對(duì)于坡道的沖擊作用也變得顯著；②不規(guī)則波壓力隨波高的變化規(guī)律與規(guī)則波相同，但是隨周期的增大，裝置坡道的最大波壓力先增大后減小，裝置底部的最大波壓力先減小后增大；③裝置坡道所受波壓力隨著吃水的增加而增加，但是裝置底部所受到的波壓力隨著吃水的增加而減??；④不規(guī)則波波況下的最大波壓力比規(guī)則波波況下要大50%左右。

[1]LAGSTROE M G.Wave Power-moving towards commercial viability[C]∥London: Institution of Mechanical Engineers Seminar,1999:8-12.

[2]FRIGAARD P, KOFOED J P, RASMUSSEN M R. Overtopping measurements on the wave dragon nissum bredning prototype[C]∥Proceedings of the Fourteenth International Offshore and Polar Engineering Conference. Toulon: International Society of Offshore and Polar Engineers, 2004(1):210-216.

[3]KOFOED J P,FRIGAARD P, MADSEN E F, et al. Prototype testing of the wave energy converter wave dragon[J].Renewable Energy, 2006，31(2)：181-189.

[4]MARGHERITINI L,VICINANZA D,FRIGARRD P.SSG wave energy converter：Design, reliability and hydraulic performance of an innovative overtopping device[J]. Renewable Energy，2009，34:1371-1380.

[5]KEULENAER H D.Seawave Slot-Cone generator[J].The Power of the Oceans-Leonardo Energy, 2007(1):1-6.

[6]陳兵，楊宗宇，BRUCE T.越浪式波能發(fā)電裝置的水利性能研究[J].可再生能源，2013(1):81-86.

[7]JENTSJE W van der MEER, JOHANNES P F M JANSSEN. Wave run-up and wave overtopping at dikes and revetments[R/OL].[2016-04-22]http:∥www.vandermeerconsulting.nl/downloads/functional_a/1994_vandermeer_janssen.pdf

The Experimental Study on Overtopping Discharge and Wave Pressure of an Overtopping Wave Energy Converter

YANG Zong-yu, LIU Xiao-peng

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchingInstitute,Beijing 100095)

The Overtopping Wave Energy Convertor (OWEC) has the advantages of high structural stability and reliability. Base on previous studies, this paper design a new optimized OWEC model, the wave energy capture capability and structure stress status during different wave conditions and freeboard are investigated through model test of the OWEC.The exponential function fitting curve of the overtopping discharge on the freeboard height and wave height are respectively obtained by nondimensionalization, and the universal laws of the two factors on wave overtopping is also given. According to the analysis for pressure results of the OWEC during the regular wave and irregular wave conditions, the general changing laws of the wave pressure and uplift of the OWEC is obtained. The results can provide some reference for further research on the OWEC and the utilization of the wave energy.

OWEC;model test; freeboard; wave pressure; uplift; overtopping discharge; nondimensionalization

1002-3682(2016)03-0063-11

2016-05-22作者簡(jiǎn)介：楊宗宇(1987-)，男，碩士，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)和海岸結(jié)構(gòu)方面研究.E-mail:yangzongyu@snpdri.com(陳靖編輯)

P743.2

Adoi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.03.007