振蕩水柱式波浪發(fā)電的波能收集結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

王亞龍，尹廣斌，尹勝軍，于金龍，李 倩

（1.國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司豐滿培訓(xùn)中心，吉林吉林 132100；2.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林吉林 132100）

近年來(lái)，隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，人類正面臨著越來(lái)越大的能源壓力，我國(guó)未來(lái)30年內(nèi)年均能源需求將達(dá)到本世紀(jì)初的3倍［1］。緩解社會(huì)發(fā)展過(guò)程中的能源壓力，開發(fā)利用新能源是重要的途徑。在“碳達(dá)峰，碳中和”的戰(zhàn)略背景下，增加非化石能源的占比［2］，是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。

五種海洋能可再生總量及可開發(fā)量匯總?cè)绫?所示。其中，波浪能由于開發(fā)過(guò)程中對(duì)環(huán)境影響小且以機(jī)械能形式存在，是品位最高的海洋能［3］。振蕩水柱式波能發(fā)電是目前波浪能利用技術(shù)中廣泛采用的一種［4］。

表1 海洋能資源分布億kW

振蕩水柱式發(fā)電技術(shù)中波浪能需要借助空氣來(lái)推動(dòng)葉輪機(jī)械進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)完成發(fā)電［5］。在整個(gè)過(guò)程中，進(jìn)入氣室內(nèi)的波浪能大小直接決定了發(fā)電量的多少。傳統(tǒng)的振蕩水柱式波浪能發(fā)電系統(tǒng)只能俘獲氣室正前方涌來(lái)的波浪，多數(shù)波浪能撞擊到海岸衰減耗散掉，波能俘獲率和利用率低，導(dǎo)致發(fā)電效率較低。優(yōu)化波能收集設(shè)施提高進(jìn)入氣室內(nèi)的波浪能，具有重要的價(jià)值。為此，本文從提高氣室對(duì)波能的俘獲率角度入手，通過(guò)改進(jìn)波能收集裝置從而提高波能利用率。通過(guò)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究，確定最優(yōu)化的波能收集結(jié)構(gòu)。

1 數(shù)值建模

1.1 幾何結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)研究大量國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有振蕩氣室的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，并確定氣室結(jié)構(gòu)參數(shù)如下［6－7］：氣室內(nèi)靜水深h1＝16 m；前墻厚度ls＝0.8 m；氣室寬度lb＝6.0 m；前墻入水深度lp＝3.0 m；氣室長(zhǎng)度lm＝12 m；氣室底坡角θ＝26°；氣室高度h＝21 m；氣室底坡高度h2＝5.0 m。

1.2 數(shù)值方法

本文主采用基于仿物理造波中的推板式造波方法［8］，其特點(diǎn)是能采用簡(jiǎn)單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生比較精準(zhǔn)的波浪，同時(shí)減少對(duì)水槽中波浪的干涉［9］。因此，本文采用Ursell和Dean［10］提出的造波理論。造波板的位移x（t）和速度u（t）方程為

根據(jù)以上微小波幅理論，結(jié)合CFD中模擬波浪運(yùn)動(dòng)的控制方法，在無(wú)振蕩氣室和收集裝置情況下，模擬二維平底水槽波浪的運(yùn)動(dòng)情況。水槽長(zhǎng)L＝100 m，高H＝21 m，如圖2所示。

模擬參數(shù)設(shè)置如下：造波板運(yùn)動(dòng)行程S0＝0.8 m；運(yùn)動(dòng)周期T＝6.0 s；水深d＝16 m；計(jì)算步長(zhǎng)△t＝0.01 s；推板式造波利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)（Dynamic Mesh）實(shí)現(xiàn)造波板來(lái)回運(yùn)動(dòng)；湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ－ε模型；構(gòu)造數(shù)值波浪水槽過(guò)程中采用自由水面追蹤方法（VOF模型）［11］；壓力與速度耦合方式采用PISO算法；邊界條件采用壓力入口和壓力出口；基于用戶自定義函數(shù)（UDF）控制動(dòng)網(wǎng)格邊界的運(yùn)動(dòng)形式；計(jì)算網(wǎng)格用前處理軟件Gambit生成。

在Fluent中用UDF方法將造波板的上述運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為計(jì)算模塊中可執(zhí)行程序。采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)（Dynamic Mesh）處理造波板處的動(dòng)邊界問(wèn)題。將數(shù)值模擬和理論的波幅時(shí)程曲線繪制如圖3所示。

由圖3可見，在剛開始階段，波浪的波幅從零逐漸增大到理論值，在第3個(gè)周期后基本于理論波浪曲線一致。數(shù)值模擬得到的波浪與理論計(jì)算的波幅相吻合，說(shuō)明了本文中所采用的數(shù)值計(jì)算方法的可靠性與正確性。

2 三維仿真

為了更好地展現(xiàn)出波能收集裝置對(duì)波浪能的俘獲能力，本文在三維水槽中進(jìn)行數(shù)值模擬研究。其造波的原理和方法與二維模擬中的一致。三維數(shù)值水槽如圖4所示，其中L＝100 m，B＝40 m，H＝21 m，d＝16 m。

造波板（造波邊界）和氣室及消波邊界分別位于水槽兩端。為了說(shuō)明波浪收集裝置對(duì)波浪的俘獲能力，本文中只模擬在相同波浪周期T＝6.0 s和同一入射波波幅條件下，不同形狀結(jié)構(gòu)收集裝置的收集效果。針對(duì)模擬中幾個(gè)工況，給出了氣室與拋物面相匹配的位置關(guān)系圖（俯視圖）如圖5所示，從而研究不同拋物面形狀對(duì)氣室收集效果的影響。三維數(shù)值模擬工況如表2所示。

表2 三維數(shù)值模擬工況表

根據(jù)前面確定的氣室的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用UG三維造型軟件建模，通過(guò)Fluent12.1軟件完成模擬計(jì)算。通過(guò)監(jiān)視水相體積分?jǐn)?shù)，來(lái)反映波面的波動(dòng)情況。因此，本文采用分別監(jiān)測(cè)氣室內(nèi)水相體積分?jǐn)?shù)和距造波板50 m處面的水相體積分?jǐn)?shù)變化來(lái)反映氣室內(nèi)波面和入射波面的振動(dòng)幅值大小。

圖6為沒有收集裝置時(shí)氣室內(nèi)波幅和入射波波幅時(shí)程曲線。由圖6計(jì)算可得入射波平均半波高A0＝0.34 m，氣室內(nèi)波面振蕩幅值A(chǔ)＝0.58 m。為清晰地展現(xiàn)三維波浪的運(yùn)動(dòng)，截取中間斷面t＝80 s時(shí)垂直波浪運(yùn)動(dòng)方向的波面情況，如圖7所示。

本文采用無(wú)量綱因子——相對(duì)波幅A／A0來(lái)評(píng)價(jià)氣室內(nèi)波面的升降變化。其中，A為氣室內(nèi)波幅，A0為入射波波幅。將研究工況下氣室內(nèi)水柱振蕩隨時(shí)間變化的幅值與入射波半波高的比值作為判斷氣室內(nèi)振蕩大小的依據(jù)。在入射波相同的前提下，該比值越大，說(shuō)明氣室內(nèi)水柱振蕩越劇烈，從而產(chǎn)生更多的電能。由圖6計(jì)算可得平均相對(duì)波幅A／A0＝1.69。這一結(jié)果說(shuō)明在無(wú)波能收集裝置時(shí)，氣室內(nèi)水柱的振蕩波幅是入射波波幅的1.69倍。

為改善拋物面內(nèi)的流動(dòng)情況，在工況4的基礎(chǔ)上增設(shè)導(dǎo)流板，其模型三維結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖9給出了本文所有工況中氣室內(nèi)相對(duì)波幅結(jié)果。與無(wú)波能收集裝置工況下結(jié)果相比，發(fā)現(xiàn)氣室內(nèi)相對(duì)波幅有了明顯提高。工況3和工況4模擬的結(jié)果相差不大，可以看出隨著拋物面焦點(diǎn)與氣室中心相對(duì)位置的變化，氣室內(nèi)相對(duì)波幅不同，當(dāng)焦點(diǎn)在氣室中心和氣室內(nèi)墻之間時(shí)，效果較好。

由工況2～5中（圖9中紅色連線）的計(jì)算結(jié)果可知，工況4時(shí)，氣室內(nèi)波面的振動(dòng)效果最好。因此將以工況4為基礎(chǔ)，增加拋物面的開口大小，研究開口大小對(duì)收集效果的影響。由上述模擬計(jì)算結(jié)果可知，在拋物面焦半徑不變的情況下隨著開口的增大，氣室內(nèi)波面的振蕩幅值也會(huì)增大。但考慮實(shí)際建造的工程成本因素，開口增大時(shí)，建造的成本也會(huì)隨之增加；當(dāng)開口增加到一定程度時(shí)，所獲得的經(jīng)濟(jì)效益反而會(huì)下降。故在實(shí)際波能發(fā)電系統(tǒng)建造中，拋物面開口設(shè)計(jì)不宜過(guò)大。

綜合考慮各個(gè)因素，認(rèn)為工況8所對(duì)應(yīng)的拋物面加導(dǎo)流板的收集裝置是最佳的，其氣室內(nèi)相對(duì)波幅A／A0＝2.99，而無(wú)收集裝置的氣室內(nèi)相對(duì)波幅A／A0＝1.69，可見最佳的波能收集裝置中氣室內(nèi)相對(duì)波幅提高了76.9%。

圖10（a）給出了工況4數(shù)值模擬中t＝80 s時(shí)水深2 m處水平面上壓強(qiáng)分布情況，從圖中可以看出，在拋物面墻內(nèi)側(cè)壓強(qiáng)值明顯比中間的高，其原因在于從遠(yuǎn)處涌來(lái)的海浪通過(guò)漸縮趨勢(shì)的拋物面墻時(shí)，由于海浪的慣性對(duì)拋物面墻存在撞擊作用，使得海浪在拋物面墻內(nèi)側(cè)受到擠壓而抬高，影響了海浪的涌動(dòng)，導(dǎo)致海浪不能很好地被氣室所俘獲，從而造成能量損失。拋物面墻尺寸越大，其影響效果也越明顯。

圖10（b）給出了工況8數(shù)值模擬中t＝80 s時(shí)水深2 m處水平面上壓強(qiáng)分布情況，由圖可知，工況8中，平均相對(duì)波幅A／A0＝2.99。與工況4相比相對(duì)波幅進(jìn)一步提高，同時(shí)該結(jié)構(gòu)有效地改善了拋物面內(nèi)的流動(dòng)情況，從而減小了海浪對(duì)拋物面的沖擊力。

3 實(shí)驗(yàn)研究

數(shù)值模擬為理想狀態(tài)下得到的結(jié)果，與實(shí)際海浪運(yùn)動(dòng)存在一定的差異。如模擬中所造出的海浪為規(guī)則的正弦波，而實(shí)際海浪是多種波疊加的結(jié)果。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)采用搖板式造波方法，在長(zhǎng)×寬×高為3 m×1 m×0.5 m的玻璃水槽中造浪，并通過(guò)測(cè)量氣室內(nèi)外水位高度來(lái)反映波的振蕩幅值大小。

3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

本文涉及的實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖11所示，采用搖板式造波方法進(jìn)行造波，在水槽兩端都布置消波墻；通過(guò)數(shù)字化智能壓力變送器和ADAM－4118輸入模塊采集氣室內(nèi)外波面高度數(shù)據(jù)，基于Advantech Adam.Net Utility軟件監(jiān)測(cè)氣室內(nèi)外水位高度變化，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文對(duì)數(shù)值模擬得到的最佳收集裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)無(wú)收集裝置情況進(jìn)行對(duì)比。為了研究收集裝置對(duì)不同波浪的收集效果，利用造波機(jī)造出不同周期的波浪。

波浪運(yùn)動(dòng)為重力作用下的非定常流動(dòng)，按照相似理論應(yīng)保證斯特勞哈爾數(shù)：St＝vt／l；弗勞德數(shù)：Fr＝v2／gl相等。模型實(shí)驗(yàn)中尺寸相似數(shù)Cl＝50，則時(shí)間相似數(shù)。通過(guò)折算得到實(shí)驗(yàn)工況如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)工況表s

通過(guò)調(diào)速器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)造波板的擺動(dòng)周期，依次取各工況下的周期值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

通過(guò)數(shù)據(jù)采集得到各工況下氣室內(nèi)和氣室外兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)處水面波動(dòng)信息對(duì)應(yīng)的電壓波動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)電壓波動(dòng)數(shù)據(jù)和傳感器參數(shù)可計(jì)算出水面波動(dòng)幅值。水面波動(dòng)隨時(shí)間變化曲線，如圖12所示。

為研究不同周期的波浪對(duì)氣室俘獲波能的影響，針對(duì)工況1和工況8進(jìn)行了不同周期入射波實(shí)驗(yàn)。取較長(zhǎng)一段時(shí)間（約為30 s），用同一工況下2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處數(shù)據(jù)平均分別求出相對(duì)波幅大小。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖13所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖13中可知，當(dāng)T＝6 s時(shí)，最佳收集裝置情況下氣室內(nèi)相對(duì)波幅為3.25，而無(wú)收集裝置情況下氣室內(nèi)相對(duì)波幅為1.58?？梢姅?shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地吻合。

相同入射波前提下，最佳收集裝置氣室內(nèi)相對(duì)波幅比無(wú)收集裝置情況下顯著增大，充分說(shuō)明了收集裝置在很大周期范圍內(nèi)對(duì)提高氣室內(nèi)水面振蕩幅度有明顯效果，因此對(duì)波能利用率的提高也是非常顯著的。

此外，氣室內(nèi)相對(duì)波幅隨周期的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象，這與海浪發(fā)電的實(shí)際情況相符合。當(dāng)T＝6 s時(shí)氣室內(nèi)相對(duì)波幅達(dá)到最大，說(shuō)明該收集裝置對(duì)周期在6 s附近波的收集加強(qiáng)效果最好。而我國(guó)在東南沿海地區(qū)海浪周期正好也6 s附近，因此該收集裝置很適合我國(guó)的地理?xiàng)l件，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了拋物面型和導(dǎo)流板相結(jié)合的新型波能收集裝置對(duì)波能的收集效果。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先通過(guò)數(shù)值模擬比較不同形狀的收集裝置對(duì)海浪的收集加強(qiáng)效果，最終確定出最佳的收集裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該收集裝置能將氣室內(nèi)相對(duì)波幅提高到3.0左右，與無(wú)收集裝置時(shí)的1.6左右相比而言，提高了約80%。可見波能收集裝置對(duì)振蕩水柱式波浪發(fā)電具有非常重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。