振蕩水柱式波浪發(fā)電實驗裝置設計與開發(fā)

包興先， 吳州淼

(中國石油大學(華東) 石油工程學院， 山東 青島 266580)

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振蕩水柱式波浪發(fā)電實驗裝置設計與開發(fā)

包興先， 吳州淼

(中國石油大學(華東) 石油工程學院， 山東 青島 266580)

開發(fā)了氣室高度、底坡角度可調(diào)節(jié)的振蕩水柱式波浪發(fā)電實驗裝置，并在實驗室中的波浪水槽內(nèi)進行實驗?？紤]了3種氣室高度、3種底坡角度及2種波高，共12個典型工況，根據(jù)不同工況下的實驗結果，探討了氣室形狀參量、波浪要素等對發(fā)電裝置性能的影響規(guī)律。通過實驗，啟發(fā)學生進一步優(yōu)化發(fā)電裝置的思考，加深了對實際應用中波浪能開發(fā)及海洋工程結構設計與制造過程的認識。

振蕩水柱； 波浪發(fā)電； 實驗裝置； 實踐教學

0 引 言

我國擁有漫長的海岸線，在開發(fā)利用海洋能源，特別是波浪能方面具有先天優(yōu)勢。波浪能是一種清潔的可再生的能源，分布廣泛，能量密度高，波浪能發(fā)電綜合利用效益較好，是海洋可再生能源開發(fā)的熱點[1-3]。目前，振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置是實用化與商業(yè)開發(fā)程度較高的波浪能轉換裝置[4-5]。實驗教學是高等教育的重要組成部分，在人才培養(yǎng)中占有重要的戰(zhàn)略地位[6-11]。本文通過振蕩水柱式波浪發(fā)電實驗裝置的設計與開發(fā)，配套開展相應的實驗課程，對于提高學生的海洋工程實踐素質，增強學生的動手能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識有著積極意義。

1 振蕩水柱式波浪發(fā)電原理

振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置主要由氣室、輸氣管道、透平與發(fā)電機組構成，如圖1所示。氣室為半淹沒狀態(tài)的空腔結構，氣室前壁下方與海水相連；氣室后壁上方有輸氣管道，連接透平與發(fā)電機組。波浪向氣室推進，當波峰接近氣室前壁時，水進入氣室，推動室內(nèi)水位上升，上升的水位使室內(nèi)氣壓增加，氣室內(nèi)空氣通過輸氣管道高速噴出。當波谷接近氣室前壁時，水從氣室抽出，室內(nèi)水位下降，下降的水位使室內(nèi)氣壓降低，外面空氣通過輸氣管道高速進入氣室。流出流進的氣體將推動透平旋轉，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。

1-氣室， 2-輸氣管道， 3-透平， 4-發(fā)電機組

圖1 振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置示意圖

2 振蕩水柱式波浪發(fā)電實驗

振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置前方的波浪傳播、氣室內(nèi)的自由水面振蕩及輸氣管內(nèi)的往復氣流的運動都受到氣室形狀的影響。因此，氣室形狀參量在波能轉換過程中具有重要作用。開展針對氣室形狀參量的研究，對揭示振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置的工作機理，提高氣室工作性能有重要的工程價值[12-16]。而且，通過學生自主設置氣室形狀參量，自己摸索掌握發(fā)電裝置性能的影響規(guī)律，對學生的實踐能力、問題探究能力及創(chuàng)新思維的提高具有重要意義。本實驗裝置采用的氣室形狀參量主要包括氣室高度和底坡角度，這也是影響氣室工作性能的主要因素[2]。

2.1 發(fā)電裝置設計與制作

氣室模型各部分由有機玻璃制作并黏合而成。有機玻璃厚度0.01 m，氣室長0.50 m，寬0.38 m，氣室上部設置三層“抽屜式”擋板，可以調(diào)節(jié)氣室高度，氣室高度可調(diào)節(jié)為0.405、0.475和0.550 m。在氣室底部設置了斜坡板，斜坡板可在槽狀軌道內(nèi)滑動，用以改變底坡角度，底坡角度可調(diào)為30°、45°和60°。發(fā)電裝置如圖2所示。

2.2 實驗設計與實施

(1) 實驗設備。本實驗是在中國石油大學(華東)船舶與海洋工程實驗室中的小型波浪水槽內(nèi)進行，如圖3所示。水槽整體是鋼結構和有機玻璃材質，長約15 m，寬0.4 m，深0.5 m，如圖3(a)所示。水槽一端安裝有機械搖桿推板造波機，如圖3(b)所示，另一端有消波設施。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用DH5922動態(tài)測

圖2 振蕩水柱式波浪發(fā)電實驗裝置

量設備和DHDAS動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)，如圖3(c)所示，DHDAS系統(tǒng)可以將DH5922設備傳來的電壓信號傳輸給計算機進行處理，獲得實時電壓數(shù)據(jù)。

(a)波浪水槽(b)造波系統(tǒng)

(c)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(d)實驗裝置安放

圖3 振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置實驗

(2) 實驗工況。為了探討不同氣室形狀參量對發(fā)電裝置性能的影響規(guī)律，考慮了3種氣室高度(530、475、405 mm)、3種底坡角度(30°、45°、60°)及2種波高(29、18 mm)情況，共12個實驗工況，如表1前4列所示。實驗靜水深280 mm，實驗裝置的波浪入口在靜水面以下60 mm。連續(xù)采集的波峰個數(shù)為15～20個。每個工況下的實驗重復3次，以消除外界環(huán)境、實驗儀器引起的系統(tǒng)誤差，取3次結果的平均值為最終實驗結果。

(3) 實驗數(shù)據(jù)處理。對12個工況分別進行電壓信號采集與處理可以得到各個工況下輸出電壓隨時間變化情況。以Case 03為例，輸出電壓值隨時間變化如圖4所示。可以看出，發(fā)電機輸出的是正弦交流電，電壓峰值穩(wěn)定性較好(均值為621.8 mV)，說明此時氣室內(nèi)、外氣流使透平穩(wěn)定轉動，整個振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置工作性能表現(xiàn)優(yōu)良。同樣可以得到其他11個工況下的輸出電壓隨時間變化情況，并得到峰值電壓的均值。

表1 各實驗工況下輸出電壓一覽表

(4) 實驗結論。比較表1各工況下的峰值電壓均值，可以得到以下幾點結論：① 氣室高度對振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置性能的影響。通過比較波高一定、底坡角度一定、氣室高度變化的情況下3組工況(01、02、03)、(04、05、06)和(07、08、09)的峰值電壓均值。發(fā)現(xiàn)隨著氣室高度減小，輸出電壓值增大，發(fā)電裝置的發(fā)電性能提高。本例中氣室高度為405 mm時，發(fā)電機輸出電壓值較大，此時裝置的發(fā)電性能較好。② 底坡角度對振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置性能的影響。通過比較波高一定、氣室高度一定、底坡角度變化的情況下4組工況(01、04、07)、(02、05、08)、(03、06、09)和(10、11、12)的峰值電壓均值。發(fā)現(xiàn)隨著底坡角度增加，發(fā)電裝置的發(fā)電性能有所下降。本例中底坡角度為30°時，發(fā)電機輸出電壓值較大，此時裝置的發(fā)電性能較好。③ 波高對振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置性能的影響。通過比較氣室高度一定、底坡角度一定、波高變化的情況下3組工況(03、10)、(06、11)和(09、12)的峰值電壓均值。發(fā)現(xiàn)隨著波高的減小，輸出電壓值減小，這說明在一定的范圍內(nèi)，波高對裝置的性能有明顯的影響。

事實上，在對振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置性能研究時，還需要對氣室高度、底坡角度、波高、周期以及不同氣室形狀參量的組合等對氣室工作性能的影響進行更為深入的研究。本實驗裝置選取了幾種典型工況進行研究，旨在增強學生的感性認識，提高學生的實踐動手能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。本實驗裝置的進一步優(yōu)化設計與開發(fā)，可作為畢業(yè)設計題目、大學生創(chuàng)新實驗課題等進行研究。

3 結 語

通過振蕩水柱式波浪發(fā)電實驗可以使學生掌握振蕩水柱式波浪發(fā)電基本原理，理解氣室形狀參量、波浪要素等對發(fā)電裝置性能的影響規(guī)律，啟發(fā)學生進一步優(yōu)化發(fā)電裝置的思考，還能使學生了解波浪能等新能源的開發(fā)現(xiàn)狀與前景，加深對海洋工程結構設計與制造過程的認識。此外，該實驗需多人一組協(xié)同完成，鍛煉了學生的動手能力與團隊合作能力?？傊?，通過該實驗的開展，能夠培養(yǎng)學生學習的積極性和主動性，掌握思考問題、解決問題的方法，激發(fā)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，提高其綜合素質和實踐能力。

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Design and Development of Experimental Oscillating Water Column Wave Energy Convertor

BAOXing-xian,WUZhou-miao

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

The experimental oscillating water column wave energy convertor with adjustable height of air chamber and angle of bottom slope is designed and manufactured in order to improve the students’ practical ability and cultivate the students’ innovative consciousness. During the experiments in wave tank, 12 typical cases are introduced, including 3 cases of height of air chamber, 3 cases of angle of bottom slope and 2 cases of wave height. Based on the experimental results of the 12 cases, the students can learn about the principle of the oscillating water column wave energy convertor, and the impact factors on the performance of the device, such as air chamber and wave parameters. Moreover, the students can think about the further optimization of the device. With the experiment, the understanding of students on the engineering application of the wave energy development and ocean engineering design and manufacture process is developed.

oscillating water column; wave energy convertor; experimental device; practical teaching

2015-12-07

國家自然科學基金項目(51309239); 2014年中國石油大學(華東)教改重點項目(SY-A201408)

包興先(1981-)，男，山東海陽人，博士，講師，現(xiàn)主要從事海洋工程結構設計與可靠性分析研究。

Tel.:13864244536； E-mail:baoxingxian@163.com

P 743.2； G 642.423

A

1006-7167(2016)09-0051-03