黃 燕,史宏達(dá),劉 臻

(中國(guó)海洋大學(xué)山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100)

碟形越浪式波能發(fā)電裝置越浪性能的試驗(yàn)研究*

黃 燕,史宏達(dá)**,劉 臻

(中國(guó)海洋大學(xué)山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100)

碟形越浪式波能發(fā)電裝置是1種新型的波能發(fā)電裝置,本文對(duì)其幾何形狀及尺寸進(jìn)行了初始設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)裝置越浪性能的物理模型試驗(yàn)研究,揭示了裝置越浪量與入射波要素的變化關(guān)系,得到了不同干舷高度在各入射波要素下裝置的波能俘獲能力。

碟形越浪式;物理模型試驗(yàn);波浪要素;干舷高度;越浪性能

隨著不可再生能源的日益枯竭,對(duì)于新能源的開(kāi)發(fā)刻不容緩。海洋波浪能是1種無(wú)污染、可再生的能源,與其他海洋能源相比,它具有能量轉(zhuǎn)換原理簡(jiǎn)單、相對(duì)成本低的優(yōu)點(diǎn),因此世界各國(guó)對(duì)于海洋波浪能的開(kāi)發(fā)非常重視。1980年代以來(lái),挪威[1]、日本[2]、印度[3]、英國(guó)[4]、葡萄牙[5]與中國(guó)[6]等國(guó)家相繼建造了數(shù)種波能發(fā)電裝置。

波能轉(zhuǎn)換裝置在進(jìn)行波能發(fā)電時(shí),通常包含2個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程:首先是將波浪能轉(zhuǎn)換為可供渦輪電機(jī)利用的機(jī)械能,即能量的一次轉(zhuǎn)換過(guò)程;其次是通過(guò)渦輪電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行輸出,即能量的二次轉(zhuǎn)換過(guò)程。波能轉(zhuǎn)換裝置的核心問(wèn)題是能量的一次轉(zhuǎn)換過(guò)程。根據(jù)能量在一次轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械能的形式,波能發(fā)電裝置主要可分為以下3種形式:液壓式、越浪式、振蕩水柱式。越浪式波能發(fā)電裝置具有波能轉(zhuǎn)換率較高、裝置整體穩(wěn)定性較高、可與其他近岸設(shè)施相結(jié)合以減少投資等優(yōu)點(diǎn)。其基本工作原理為利用海岸地形或特殊裝置將入射波聚集于坡道之上,波浪越過(guò)坡道后進(jìn)入蓄水池,波浪能轉(zhuǎn)換為蓄水池內(nèi)水體的壓力勢(shì)能,水體沿出流管道返回大海時(shí)帶動(dòng)低水頭發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)發(fā)電。

目前世界上比較著名的越浪式發(fā)電裝置主要有:瑞典開(kāi)發(fā)的漂浮式波能船[7](Floating Wave Power),主要組成部分為1個(gè)由4個(gè)壓載倉(cāng)制成的漂浮式水池,其特有的錨固系統(tǒng)可使船體正對(duì)波能最強(qiáng)的方向;丹麥開(kāi)發(fā)的龍式波能裝置(Wave Dragon)[8],其發(fā)電原理與前述裝置一致,其曲線型發(fā)射壁可將入射波最大程度的聚集到坡道上,該裝置還可根據(jù)不同情況進(jìn)行排列組裝,數(shù)量從2到200不等;挪威開(kāi)發(fā)的漸縮水道式裝置(TAPCHAN),主要由一個(gè)喇叭形的聚波器和1個(gè)通向蓄水池的漸縮楔形導(dǎo)槽構(gòu)成,當(dāng)波浪進(jìn)入導(dǎo)槽寬闊的一端向里傳播時(shí),波高不斷放大,直至波峰溢過(guò)邊墻,將波浪能轉(zhuǎn)換成勢(shì)能。

本文提出的碟形越浪式波能發(fā)電裝置是1種新型的越浪式發(fā)電裝置。基于此裝置的工作原理,保證一定的越浪量是裝置正常工作的重要前提。為了考察碟形裝置的基本越浪趨勢(shì),同時(shí)為日后研究導(dǎo)流葉片的作用提供依據(jù),本文研究了在不同入射波要素、干舷高度下,未設(shè)置導(dǎo)流葉片裝置的越浪性能。

1 碟形越浪式波能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)

1.1 裝置的發(fā)電原理及優(yōu)點(diǎn)

碟形越浪式波能發(fā)電裝置的錨固系統(tǒng)采用鋼管樁浮式抱樁結(jié)構(gòu)。鋼管樁浮式抱樁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是適用于不同海況及水深條件,不受潮差影響,受風(fēng)、浪、流變化引起的影響小,且便于安裝。

碟形越浪式波能發(fā)電裝置的主體結(jié)構(gòu)如1.a所示。其中桶型蓄水池(淺綠色部分)用于貯存越入池內(nèi)的水體,水池中央向下伸出一出水管(如1.b所示),低水頭渦輪發(fā)電機(jī)組懸掛安裝于出水管內(nèi)。蓄水池外側(cè)為一碟形引浪面(黃色部分),適于波浪爬升與翻越,引浪面上裝配具有導(dǎo)流聚波作用的導(dǎo)流葉片(藍(lán)色部分)。

裝置的基本原理是:入射波通過(guò)碟形引浪面越入蓄水池,蓄水池將越入其中的波浪能量轉(zhuǎn)換為具有一定水頭高度的壓力勢(shì)能,出水管再將壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為淹沒(méi)出流的動(dòng)能,水流帶動(dòng)渦輪電機(jī)便可最終實(shí)現(xiàn)波浪能到電能的換轉(zhuǎn)過(guò)程。

此裝置的優(yōu)點(diǎn)在于:

(1)碟形越浪式波能裝置是一種越浪式波能發(fā)電裝置,越浪式波能發(fā)電裝置能將較不穩(wěn)定的入射波能轉(zhuǎn)換為蓄水池內(nèi)水體的位能,再轉(zhuǎn)換為較為穩(wěn)定的淹沒(méi)出流水流的動(dòng)能,波能轉(zhuǎn)換率較高;

(2)碟形越浪式波能發(fā)電裝置采用低水頭水輪機(jī),減小了發(fā)電水頭的要求,便于收集更多的波能;

(3)裝置的碟形引浪面設(shè)計(jì)能夠吸收不同入射方向的波浪;同時(shí),裝配在碟形引浪面坡道的導(dǎo)流葉片既可以防止波浪向兩側(cè)滑落,又可以抬高波浪的爬升,有助于波浪的越過(guò),增加裝置的波能轉(zhuǎn)換效率;

(4)裝置漂浮于海中,受潮差影響較小,能夠適應(yīng)不同海區(qū)波浪及海況條件,滿足偏遠(yuǎn)海島的需要;

(5)該裝置活動(dòng)部件較少,整體穩(wěn)定性高,可靠度好,兼顧結(jié)構(gòu)的可靠性及波能轉(zhuǎn)換率。

圖1 碟形越浪式波能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Definition sketch of saucer-like wave energy convertor

1.2 裝置形狀參數(shù)及尺寸的確定

碟形越浪式發(fā)電裝置主要由4部分組成:用于貯存越浪水體以保證一定的發(fā)電水頭的蓄水池;適應(yīng)各方向波浪越浪的碟形引浪面;具有導(dǎo)流以及聚浪作用的導(dǎo)流板;海水流出與進(jìn)行勢(shì)能—?jiǎng)幽堋娔苣芰哭D(zhuǎn)換的裝置——出水管。裝置的各基本參數(shù)見(jiàn)圖2,其中hu為干舷高度,hb為吃水深度,d為蓄水池直徑,D為裝置底盤(pán)直徑,h為蓄水池高度,L為斜坡水平長(zhǎng)度,hd為出水管管長(zhǎng),ld為出水管直徑。

1.2.1 斜坡坡比S的確定 裝置斜坡坡比對(duì)于裝置的越浪性能有著十分重要的影響,當(dāng)蓄水池高度一定的情況下,斜坡坡比的確定也決定了斜坡長(zhǎng)度的尺寸。劉臻[9]使用數(shù)值模擬方法對(duì)于裝置斜坡坡比S的確定做了相關(guān)工作,本文引用其部分工作成果。工作主要通過(guò)比較不同坡比的越浪性能確定適當(dāng)?shù)钠卤?。?是裝置斜坡坡比S的計(jì)算工況,共計(jì)算了6種坡比在不同入射波周期下的越浪性能,其中入射波高為2.0 m,蓄水池高度為4.0 m,干舷高度為2.0 m。

圖2 裝置的各基本參數(shù)Fig.2 The parameters of Saucer-like wave energy convertor

表1 裝置斜坡坡比S的計(jì)算工況Table 1 The calculation conditions of sloping ratioS

圖3是2種入射波周期下不同斜坡坡比對(duì)越浪量的影響,由圖可以看出,當(dāng)坡比S=1∶1.5或者1∶2時(shí)越浪量最大。通過(guò)對(duì)不同坡比下越浪量的比較得出,坡比S=1∶1.5或者1∶2越浪效果較好,可作為最優(yōu)坡比的候選選擇。經(jīng)過(guò)比選以及對(duì)工程實(shí)際的考慮,本文選擇斜坡坡比S=1∶2為初始設(shè)計(jì)坡比。

圖3 不同斜坡坡比對(duì)越浪量的影響(H=2 m)Fig.3 Effects of sloping ratios on overtopping discharges(H=2 m)

1.2.2 出水管管徑的確定 出水管管徑可由發(fā)電功率和發(fā)電水頭確定。水利水電發(fā)電功率的計(jì)算公式如下:

其中,P為發(fā)電功率,ρ為水體密度,g為重力加速度,Q為流量,He為發(fā)電水頭,eT,eG為水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)效率。本文研究的碟形越浪式波能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)發(fā)電功率為5 kW,為了保證其發(fā)電功率,特采用額定功率為10 kW的機(jī)組。取eT=0.8,eT=0.9,發(fā)電水頭維持在1.8 m,由公式(1)可求出所需出水管流量為0.8 m3/s。

裝置的出流過(guò)程可按淹沒(méi)出流計(jì)算,取蓄水池液面高度為1-1斷面,出水管口為2-2斷面,靜水面為x軸,如圖4所示,則伯努利方程可寫(xiě)為:

其中,z1,z2為位置水頭z1=h1,z2=-h2;p1,p2為1-1和2-2斷面動(dòng)水壓強(qiáng),p1等于大氣壓強(qiáng),p2根據(jù)靜水面壓強(qiáng)近似為γh2,α1與α2為動(dòng)能修正系數(shù),這里取1.0;ζ0為局部水頭損失系數(shù),查閱相關(guān)手冊(cè)取為0.5。

通過(guò)管口的流量:

根據(jù)公式(2)和(3)可求得出水管管徑為0.46 m,考慮到水輪機(jī)將安裝在出水管中,根據(jù)水輪機(jī)的尺寸,最終確定出水管管徑為0.8 m。

圖4 裝置水力計(jì)算示意圖Fig.4 Schematic diagram of hydraulic calculation

1.2.3 裝置初始設(shè)計(jì)尺寸 根據(jù)比較與計(jì)算,確定裝置的初始尺寸值見(jiàn)圖5。

圖5 碟形裝置的斷面尺寸Fig.5 The section size of saucer-like wave energy convertor

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

裝置的越浪性能是指碟形越浪式波能發(fā)電裝置捕獲越浪量的能力。維持足夠的越浪量是裝置能夠正常發(fā)電的前提,當(dāng)越浪量大于等于出水管流量時(shí),整個(gè)裝置將在一定的發(fā)電水頭下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,從而保證裝置的持續(xù)工作。為了考察碟形越浪式波能發(fā)電裝置在不同入射波要素以及不同干舷高度下的越浪趨勢(shì)同時(shí)為以后導(dǎo)流葉片作用的研究奠定基礎(chǔ),首先對(duì)未設(shè)置導(dǎo)流葉片的裝置的越浪性能進(jìn)行了試驗(yàn)。

2.2 模型試驗(yàn)裝置與布置

試驗(yàn)在海軍工程實(shí)驗(yàn)中心的平面水池中進(jìn)行。水池長(zhǎng)50 m,寬30 m,深1.5 m,試驗(yàn)水深為0.7 m。水池一端沿寬度方向安裝有推板式液壓伺服多向不規(guī)則波造波機(jī),另外一端安裝2層消波網(wǎng),用于吸收波浪能量以防止波浪反射。

試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集主要采用天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所生產(chǎn)的SG2000型多功能數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)和配套的電容式波高傳感器(波高儀),該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,精度高(誤差在±1.0%F.S),能夠滿足試驗(yàn)要求。

模型放置在離造波機(jī)35.0 m處(即波浪場(chǎng)較穩(wěn)定處)。本試驗(yàn)在規(guī)則波浪下進(jìn)行,水池內(nèi)的波高由波高儀測(cè)量。波高儀與模型的布置見(jiàn)圖6,1號(hào)波高儀放置在離消波板5 m處,用來(lái)監(jiān)控消波處的波浪吸收情況。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖6 波高儀與裝置布置示意圖Fig.6 Sketch of experimental set-up

模型設(shè)計(jì)應(yīng)符合基本的相似準(zhǔn)則,本文基于《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》J TJ/T234-2001[10],根據(jù)試驗(yàn)波浪參數(shù)、發(fā)電裝置的幾何尺寸、試驗(yàn)儀器精度以及波浪水槽設(shè)備條件,選定模型試驗(yàn)的長(zhǎng)度比尺取為λl=1∶20。在本次試驗(yàn)中,重力起決定性作用,應(yīng)按弗勞德準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。本次試驗(yàn)主要考察裝置的越浪性能,因此試驗(yàn)中模型是固定的,模型通過(guò)配重塊固定在支架上。

平均越浪量的測(cè)量:由于模型的蓄水池半潛在水中,無(wú)法采用水箱觀測(cè)法[11],因此進(jìn)行越浪性能試驗(yàn)時(shí),將模型的底端設(shè)計(jì)成封閉式,采用統(tǒng)計(jì)灌滿蓄水池的時(shí)間來(lái)計(jì)算平均越浪量,即按照公式(3-1)計(jì)算。樣本從第三個(gè)波到達(dá)起始到蓄水池灌滿結(jié)束這段時(shí)間采集。每次試驗(yàn)結(jié)束后,將蓄水池中的水體取出,再進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

其中Q為平均越浪量,V為蓄水池的體積,t為采樣時(shí)間。

根據(jù)本次試驗(yàn)的目的以及越浪量測(cè)量的需要,試驗(yàn)中模型采用未設(shè)置導(dǎo)流葉片的碟形結(jié)構(gòu),同時(shí)底部設(shè)計(jì)成封閉式。試驗(yàn)中模型都采用統(tǒng)一尺寸,如表2所示本次試驗(yàn)中考察的形狀參數(shù)是干舷高度hu。

表2 模型與原型尺寸的對(duì)比Table 2 Comparison of model and prototype size

2.4 試驗(yàn)內(nèi)容

本次試驗(yàn)的入射波要素根據(jù)裝置海試所在地的海區(qū)的觀測(cè)資料確定,采用3個(gè)入射波波高,每個(gè)波高對(duì)應(yīng)4個(gè)入射波周期。入射波波高分別為0.1、0.075與0.05 m(原型值為1.0、1.5與2.0 m),入射波周期為1.34、1.57、1.79與2.01 s(原型值為6、7、8與9 s)。同時(shí)為了考察干舷高度對(duì)裝置越浪性能的影響,本次試驗(yàn)采用了3種干舷高度hu,分別是0.05、0.1與0.15 m(原型值為1、2與3 m)。

對(duì)于每種工況,重復(fù)試驗(yàn)3次,以消除外界環(huán)境、試驗(yàn)儀器引起的系統(tǒng)誤差,取3次結(jié)果的平均值為最終試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 入射波要素的影響

入射波周期:圖7為未設(shè)置導(dǎo)流葉片的裝置在不同入射波周期下的越浪量情況。對(duì)于干舷高度0.05與0.1 m(模型值),越浪量隨入射波周期變化在不同的入射波波高下基本相似。對(duì)干舷高度為0.15 m時(shí),不同入射波周期和不同入射波波高均沒(méi)有發(fā)生越浪,故在此不再考慮。當(dāng)干舷高度hu=0.05 m時(shí),越浪量均在T=1.57 s達(dá)到頂峰,繼而隨著周期的增大越浪量下降;當(dāng)干舷高度hu=0.1 m時(shí),越浪量均從T=1.34 s開(kāi)始隨著周期增大而下降。

圖7 入射波要素對(duì)碟形越浪式波能發(fā)電裝置越浪量的影響Fig.7 The influence on the wave overtopping in the different incident wave parameters

入射波波高:由圖7可以看到,干舷高度hu=0.05與0.1 m時(shí),不同的入射波波高在各個(gè)入射波周期發(fā)生的越浪量變化趨勢(shì)基本相同。在同一個(gè)周期下,入射波波高越大,越浪量越大,這是因?yàn)椴ǜ咴酱?波浪爬高也越高,更容易發(fā)生越浪。由圖中可以看到,當(dāng)波高依次增大時(shí),越浪量也呈相似的比例增大,且每次越浪量的增幅較大。簡(jiǎn)而言之,波高的大小對(duì)越浪量的影響較大。

3.2 干舷高度的影響

干舷高度指的是裝置漂浮于水面高于靜水面的高度,相同入射波周期、入射波波高以及相同的坡度下干舷高度越高越浪量越小,這是因?yàn)楫?dāng)干舷高度大于波浪的爬高幅度,波浪就難以越過(guò)坡頂。

在試驗(yàn)中看到,干舷高度hu=0.05 m時(shí),由于干舷高度較低,波浪未發(fā)生破碎直接越過(guò)坡頂進(jìn)入蓄水池,蓄水池周?chē)w相對(duì)平靜,當(dāng)蓄水池內(nèi)水位達(dá)到一定程度時(shí),越過(guò)坡頂?shù)乃w進(jìn)入水池中濺起,部分水體濺到裝置外;干舷高度hu=0.10 m時(shí),整個(gè)越浪過(guò)程水體運(yùn)動(dòng)劇烈,由于干舷高度的限制,部分水體能夠越入蓄水池,當(dāng)蓄水池內(nèi)水位達(dá)到一定程度后,少量水體濺到引浪面;干舷高度hu=0.15 m時(shí),整個(gè)越浪過(guò)程相對(duì)平靜,由于干舷高度過(guò)高,波浪爬高后難以越過(guò)坡頂發(fā)生越浪,爬升過(guò)程中未發(fā)生波浪破碎現(xiàn)象,同時(shí)由于干舷高度過(guò)高,則淹沒(méi)深度較小,當(dāng)波谷達(dá)到時(shí),整個(gè)裝置將高于水面。

圖8為平均越浪量在相同波高下隨干舷高度的變化,由圖中可以看到在干舷高度hu=0.05 m時(shí),3種波高下平均越浪量均在入射波周期T=1.57 s時(shí)達(dá)到最大,然后隨著周期的增大而減小;在干舷高度hu=0.10 m時(shí),3種波高下平均越浪量均從T=1.34 s開(kāi)始隨著周期的增大而減小。這說(shuō)明入射波周期對(duì)于干舷高度有一定的選擇性,總體來(lái)說(shuō)周期為1.34與1.57 s的入射波對(duì)本裝置有較好的適應(yīng)性,可以達(dá)到較好的越浪效果。

同時(shí),由圖中可以觀察到,在相同的入射波波高下,不同的干舷高度對(duì)于越浪量的影響較大。波高H=0.05 m時(shí),只有hu=0.05 m情況下發(fā)生了越浪,其余2個(gè)干舷高度均未發(fā)生越浪;波高H=0.075與H=0.10 m時(shí),hu=0.05和0.10 m均發(fā)生了越浪,但hu=0.15 m在所有的波高下始終沒(méi)有發(fā)生越浪。從數(shù)值上分析,相同波高下干舷高度hu=0.05 m時(shí)的越浪量為hu=0.10 m時(shí)的2～3倍。

以上結(jié)果表明,干舷高度越小越利于波浪爬坡和越浪,但是同時(shí)也必須考慮到干舷高度太小會(huì)導(dǎo)致發(fā)電水頭無(wú)法滿足水輪機(jī)的需求,因此干舷高度要保持在一定范圍之內(nèi)才能使裝置的工作效率達(dá)到最優(yōu)。

圖8 3種干舷高度在相同入射波波高下的越浪量Fig.8 The wave overtopping of three kinds of hydro head in the same incident wave height

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果的分析,可以得到以下結(jié)論:(1)入射波要素對(duì)于裝置的越浪量影響較大,在同一干舷高度下,入射波周期相同時(shí),越浪量隨入射波波高的增大而增大。

(2)在考察的入射波周期范圍內(nèi),越浪量的最大值出現(xiàn)在入射波周期為1.34或1.57 s(原型值為6或7 s),

越浪量出現(xiàn)頂峰后則隨著周期的增大而減小。

(3)在相同的入射波要素下,裝置的越浪量隨著干舷高度的增大而減小。入射波周期對(duì)于不同干舷高度有不同的選擇性,總體來(lái)說(shuō),入射波周期為1.34或1.57 s(原型值為6或7 s)時(shí),越浪效果較好。

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Experimental Study of the Overtopping Performance on Saucer-Like Wave Energy Convertor

HUANG Yan,SHI Hong-Da,LIU Zhen
(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

Overtopping Wave Energy Convertor(OWEC)is an offshore wave energy convertor for collecting the overtopping waves and converting the water pressure head into electric power through the hydro turbines installed in the vertical duct which is fixed in the seabed.In the present paper,a new type overtopping wave energy convertor-Saucer-like Wave Energy Convertor is proposed and practically designed.To ensure the working efficiency,the overtopping performance of Saucer-like Wave Energy Convertor is systematically investigated by experiments in this study.The wave overtopping is measured under the different incident wave parameters and hydro head.

saucer-like wave energy convertor;physical model test;incident wave parameters;hydro head;overtopping performance

TV871

A

1672-5174(2011)03-093-06

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2009AA05Z427);山東省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2010GHY10508);教育部新教師基金項(xiàng)目(20090132120015)項(xiàng)目資助

2010-04-10;

2010-08-10

黃 燕(1982-),女,博士生。E-mail:huangy@ouc.edu.cn

**通訊作者:E-mail:hd_shi@ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 陳呈超