碟形越浪式波能发电装置越浪性能的试验研究*

黄 燕,史宏达,刘 臻

(中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室,山东青岛266100)

碟形越浪式波能发电装置越浪性能的试验研究*

黄 燕,史宏达**,刘 臻

(中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室,山东青岛266100)

碟形越浪式波能发电装置是1种新型的波能发电装置,本文对其几何形状及尺寸进行了初始设计。通过对装置越浪性能的物理模型试验研究,揭示了装置越浪量与入射波要素的变化关系,得到了不同干舷高度在各入射波要素下装置的波能俘获能力。

碟形越浪式;物理模型试验;波浪要素;干舷高度;越浪性能

随着不可再生能源的日益枯竭,对于新能源的开发刻不容缓。海洋波浪能是1种无污染、可再生的能源,与其他海洋能源相比,它具有能量转换原理简单、相对成本低的优点,因此世界各国对于海洋波浪能的开发非常重视。1980年代以来,挪威[1]、日本[2]、印度[3]、英国[4]、葡萄牙[5]与中国[6]等国家相继建造了数种波能发电装置。

波能转换装置在进行波能发电时,通常包含2个能量转换过程:首先是将波浪能转换为可供涡轮电机利用的机械能,即能量的一次转换过程;其次是通过涡轮电机将机械能转换为电能进行输出,即能量的二次转换过程。波能转换装置的核心问题是能量的一次转换过程。根据能量在一次转换过程中产生的机械能的形式,波能发电装置主要可分为以下3种形式:液压式、越浪式、振荡水柱式。越浪式波能发电装置具有波能转换率较高、装置整体稳定性较高、可与其他近岸设施相结合以减少投资等优点。其基本工作原理为利用海岸地形或特殊装置将入射波聚集于坡道之上,波浪越过坡道后进入蓄水池,波浪能转换为蓄水池内水体的压力势能,水体沿出流管道返回大海时带动低水头发电机组运转实现发电。

目前世界上比较著名的越浪式发电装置主要有:瑞典开发的漂浮式波能船[7](Floating Wave Power),主要组成部分为1个由4个压载仓制成的漂浮式水池,其特有的锚固系统可使船体正对波能最强的方向;丹麦开发的龙式波能装置(Wave Dragon)[8],其发电原理与前述装置一致,其曲线型发射壁可将入射波最大程度的聚集到坡道上,该装置还可根据不同情况进行排列组装,数量从2到200不等;挪威开发的渐缩水道式装置(TAPCHAN),主要由一个喇叭形的聚波器和1个通向蓄水池的渐缩楔形导槽构成,当波浪进入导槽宽阔的一端向里传播时,波高不断放大,直至波峰溢过边墙,将波浪能转换成势能。

本文提出的碟形越浪式波能发电装置是1种新型的越浪式发电装置。基于此装置的工作原理,保证一定的越浪量是装置正常工作的重要前提。为了考察碟形装置的基本越浪趋势,同时为日后研究导流叶片的作用提供依据,本文研究了在不同入射波要素、干舷高度下,未设置导流叶片装置的越浪性能。

1 碟形越浪式波能发电装置的设计

1.1 装置的发电原理及优点

碟形越浪式波能发电装置的锚固系统采用钢管桩浮式抱桩结构。钢管桩浮式抱桩结构的优点是适用于不同海况及水深条件,不受潮差影响,受风、浪、流变化引起的影响小,且便于安装。

碟形越浪式波能发电装置的主体结构如1.a所示。其中桶型蓄水池(浅绿色部分)用于贮存越入池内的水体,水池中央向下伸出一出水管(如1.b所示),低水头涡轮发电机组悬挂安装于出水管内。蓄水池外侧为一碟形引浪面(黄色部分),适于波浪爬升与翻越,引浪面上装配具有导流聚波作用的导流叶片(蓝色部分)。

装置的基本原理是:入射波通过碟形引浪面越入蓄水池,蓄水池将越入其中的波浪能量转换为具有一定水头高度的压力势能,出水管再将压力势能转换为淹没出流的动能,水流带动涡轮电机便可最终实现波浪能到电能的换转过程。

此装置的优点在于:

(1)碟形越浪式波能装置是一种越浪式波能发电装置,越浪式波能发电装置能将较不稳定的入射波能转换为蓄水池内水体的位能,再转换为较为稳定的淹没出流水流的动能,波能转换率较高;

(2)碟形越浪式波能发电装置采用低水头水轮机,减小了发电水头的要求,便于收集更多的波能;

(3)装置的碟形引浪面设计能够吸收不同入射方向的波浪;同时,装配在碟形引浪面坡道的导流叶片既可以防止波浪向两侧滑落,又可以抬高波浪的爬升,有助于波浪的越过,增加装置的波能转换效率;

(4)装置漂浮于海中,受潮差影响较小,能够适应不同海区波浪及海况条件,满足偏远海岛的需要;

(5)该装置活动部件较少,整体稳定性高,可靠度好,兼顾结构的可靠性及波能转换率。

图1 碟形越浪式波能发电系统的结构示意图Fig.1 Definition sketch of saucer-like wave energy convertor

1.2 装置形状参数及尺寸的确定

碟形越浪式发电装置主要由4部分组成:用于贮存越浪水体以保证一定的发电水头的蓄水池;适应各方向波浪越浪的碟形引浪面;具有导流以及聚浪作用的导流板;海水流出与进行势能—动能—电能能量转换的装置——出水管。装置的各基本参数见图2,其中hu为干舷高度,hb为吃水深度,d为蓄水池直径,D为装置底盘直径,h为蓄水池高度,L为斜坡水平长度,hd为出水管管长,ld为出水管直径。

1.2.1 斜坡坡比S的确定 装置斜坡坡比对于装置的越浪性能有着十分重要的影响,当蓄水池高度一定的情况下,斜坡坡比的确定也决定了斜坡长度的尺寸。刘臻[9]使用数值模拟方法对于装置斜坡坡比S的确定做了相关工作,本文引用其部分工作成果。工作主要通过比较不同坡比的越浪性能确定适当的坡比。表1是装置斜坡坡比S的计算工况,共计算了6种坡比在不同入射波周期下的越浪性能,其中入射波高为2.0 m,蓄水池高度为4.0 m,干舷高度为2.0 m。

图2 装置的各基本参数Fig.2 The parameters of Saucer-like wave energy convertor

表1 装置斜坡坡比S的计算工况Table 1 The calculation conditions of sloping ratioS

图3是2种入射波周期下不同斜坡坡比对越浪量的影响,由图可以看出,当坡比S=1∶1.5或者1∶2时越浪量最大。通过对不同坡比下越浪量的比较得出,坡比S=1∶1.5或者1∶2越浪效果较好,可作为最优坡比的候选选择。经过比选以及对工程实际的考虑,本文选择斜坡坡比S=1∶2为初始设计坡比。

图3 不同斜坡坡比对越浪量的影响(H=2 m)Fig.3 Effects of sloping ratios on overtopping discharges(H=2 m)

1.2.2 出水管管径的确定 出水管管径可由发电功率和发电水头确定。水利水电发电功率的计算公式如下:

其中,P为发电功率,ρ为水体密度,g为重力加速度,Q为流量,He为发电水头,eT,eG为水轮机和发电机效率。本文研究的碟形越浪式波能发电装置设计发电功率为5 kW,为了保证其发电功率,特采用额定功率为10 kW的机组。取eT=0.8,eT=0.9,发电水头维持在1.8 m,由公式(1)可求出所需出水管流量为0.8 m3/s。

装置的出流过程可按淹没出流计算,取蓄水池液面高度为1-1断面,出水管口为2-2断面,静水面为x轴,如图4所示,则伯努利方程可写为:

其中,z1,z2为位置水头z1=h1,z2=-h2;p1,p2为1-1和2-2断面动水压强,p1等于大气压强,p2根据静水面压强近似为γh2,α1与α2为动能修正系数,这里取1.0;ζ0为局部水头损失系数,查阅相关手册取为0.5。

通过管口的流量:

根据公式(2)和(3)可求得出水管管径为0.46 m,考虑到水轮机将安装在出水管中,根据水轮机的尺寸,最终确定出水管管径为0.8 m。

图4 装置水力计算示意图Fig.4 Schematic diagram of hydraulic calculation

1.2.3 装置初始设计尺寸 根据比较与计算,确定装置的初始尺寸值见图5。

图5 碟形装置的断面尺寸Fig.5 The section size of saucer-like wave energy convertor

2 模型试验

2.1 试验目的

装置的越浪性能是指碟形越浪式波能发电装置捕获越浪量的能力。维持足够的越浪量是装置能够正常发电的前提,当越浪量大于等于出水管流量时,整个装置将在一定的发电水头下达到动态平衡,从而保证装置的持续工作。为了考察碟形越浪式波能发电装置在不同入射波要素以及不同干舷高度下的越浪趋势同时为以后导流叶片作用的研究奠定基础,首先对未设置导流叶片的装置的越浪性能进行了试验。

2.2 模型试验装置与布置

试验在海军工程实验中心的平面水池中进行。水池长50 m,宽30 m,深1.5 m,试验水深为0.7 m。水池一端沿宽度方向安装有推板式液压伺服多向不规则波造波机,另外一端安装2层消波网,用于吸收波浪能量以防止波浪反射。

试验中数据采集主要采用天津水运工程科学研究所生产的SG2000型多功能数据采集及处理系统和配套的电容式波高传感器(波高仪),该系统性能稳定,精度高(误差在±1.0%F.S),能够满足试验要求。

模型放置在离造波机35.0 m处(即波浪场较稳定处)。本试验在规则波浪下进行,水池内的波高由波高仪测量。波高仪与模型的布置见图6,1号波高仪放置在离消波板5 m处,用来监控消波处的波浪吸收情况。

2.3 试验设计

图6 波高仪与装置布置示意图Fig.6 Sketch of experimental set-up

模型设计应符合基本的相似准则,本文基于《波浪模型试验规程》J TJ/T234-2001[10],根据试验波浪参数、发电装置的几何尺寸、试验仪器精度以及波浪水槽设备条件,选定模型试验的长度比尺取为λl=1∶20。在本次试验中,重力起决定性作用,应按弗劳德准则进行设计。本次试验主要考察装置的越浪性能,因此试验中模型是固定的,模型通过配重块固定在支架上。

平均越浪量的测量:由于模型的蓄水池半潜在水中,无法采用水箱观测法[11],因此进行越浪性能试验时,将模型的底端设计成封闭式,采用统计灌满蓄水池的时间来计算平均越浪量,即按照公式(3-1)计算。样本从第三个波到达起始到蓄水池灌满结束这段时间采集。每次试验结束后,将蓄水池中的水体取出,再进行下一次试验。

其中Q为平均越浪量,V为蓄水池的体积,t为采样时间。

根据本次试验的目的以及越浪量测量的需要,试验中模型采用未设置导流叶片的碟形结构,同时底部设计成封闭式。试验中模型都采用统一尺寸,如表2所示本次试验中考察的形状参数是干舷高度hu。

表2 模型与原型尺寸的对比Table 2 Comparison of model and prototype size

2.4 试验内容

本次试验的入射波要素根据装置海试所在地的海区的观测资料确定,采用3个入射波波高,每个波高对应4个入射波周期。入射波波高分别为0.1、0.075与0.05 m(原型值为1.0、1.5与2.0 m),入射波周期为1.34、1.57、1.79与2.01 s(原型值为6、7、8与9 s)。同时为了考察干舷高度对装置越浪性能的影响,本次试验采用了3种干舷高度hu,分别是0.05、0.1与0.15 m(原型值为1、2与3 m)。

对于每种工况,重复试验3次,以消除外界环境、试验仪器引起的系统误差,取3次结果的平均值为最终试验结果。

3 试验结果与分析

3.1 入射波要素的影响

入射波周期:图7为未设置导流叶片的装置在不同入射波周期下的越浪量情况。对于干舷高度0.05与0.1 m(模型值),越浪量随入射波周期变化在不同的入射波波高下基本相似。对干舷高度为0.15 m时,不同入射波周期和不同入射波波高均没有发生越浪,故在此不再考虑。当干舷高度hu=0.05 m时,越浪量均在T=1.57 s达到顶峰,继而随着周期的增大越浪量下降;当干舷高度hu=0.1 m时,越浪量均从T=1.34 s开始随着周期增大而下降。

图7 入射波要素对碟形越浪式波能发电装置越浪量的影响Fig.7 The influence on the wave overtopping in the different incident wave parameters

入射波波高:由图7可以看到,干舷高度hu=0.05与0.1 m时,不同的入射波波高在各个入射波周期发生的越浪量变化趋势基本相同。在同一个周期下,入射波波高越大,越浪量越大,这是因为波高越大,波浪爬高也越高,更容易发生越浪。由图中可以看到,当波高依次增大时,越浪量也呈相似的比例增大,且每次越浪量的增幅较大。简而言之,波高的大小对越浪量的影响较大。

3.2 干舷高度的影响

干舷高度指的是装置漂浮于水面高于静水面的高度,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,这是因为当干舷高度大于波浪的爬高幅度,波浪就难以越过坡顶。

在试验中看到,干舷高度hu=0.05 m时,由于干舷高度较低,波浪未发生破碎直接越过坡顶进入蓄水池,蓄水池周围水体相对平静,当蓄水池内水位达到一定程度时,越过坡顶的水体进入水池中溅起,部分水体溅到装置外;干舷高度hu=0.10 m时,整个越浪过程水体运动剧烈,由于干舷高度的限制,部分水体能够越入蓄水池,当蓄水池内水位达到一定程度后,少量水体溅到引浪面;干舷高度hu=0.15 m时,整个越浪过程相对平静,由于干舷高度过高,波浪爬高后难以越过坡顶发生越浪,爬升过程中未发生波浪破碎现象,同时由于干舷高度过高,则淹没深度较小,当波谷达到时,整个装置将高于水面。

图8为平均越浪量在相同波高下随干舷高度的变化,由图中可以看到在干舷高度hu=0.05 m时,3种波高下平均越浪量均在入射波周期T=1.57 s时达到最大,然后随着周期的增大而减小;在干舷高度hu=0.10 m时,3种波高下平均越浪量均从T=1.34 s开始随着周期的增大而减小。这说明入射波周期对于干舷高度有一定的选择性,总体来说周期为1.34与1.57 s的入射波对本装置有较好的适应性,可以达到较好的越浪效果。

同时,由图中可以观察到,在相同的入射波波高下,不同的干舷高度对于越浪量的影响较大。波高H=0.05 m时,只有hu=0.05 m情况下发生了越浪,其余2个干舷高度均未发生越浪;波高H=0.075与H=0.10 m时,hu=0.05和0.10 m均发生了越浪,但hu=0.15 m在所有的波高下始终没有发生越浪。从数值上分析,相同波高下干舷高度hu=0.05 m时的越浪量为hu=0.10 m时的2～3倍。

以上结果表明,干舷高度越小越利于波浪爬坡和越浪,但是同时也必须考虑到干舷高度太小会导致发电水头无法满足水轮机的需求,因此干舷高度要保持在一定范围之内才能使装置的工作效率达到最优。

图8 3种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 结论

通过对以上试验结果的分析,可以得到以下结论:(1)入射波要素对于装置的越浪量影响较大,在同一干舷高度下,入射波周期相同时,越浪量随入射波波高的增大而增大。

(2)在考察的入射波周期范围内,越浪量的最大值出现在入射波周期为1.34或1.57 s(原型值为6或7 s),

越浪量出现顶峰后则随着周期的增大而减小。

(3)在相同的入射波要素下,装置的越浪量随着干舷高度的增大而减小。入射波周期对于不同干舷高度有不同的选择性,总体来说,入射波周期为1.34或1.57 s(原型值为6或7 s)时,越浪效果较好。

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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

国家高技术研究发展计划项目(2009AA05Z427);山东省科技攻关计划项目(2010GHY10508);教育部新教师基金项目(20090132120015)项目资助

2010-04-10;

2010-08-10

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

**通讯作者:E-mail:hd_shi@ouc.edu.cn

责任编辑 陈呈超