振荡水柱式波浪发电的波能收集结构优化研究

王亚龙，尹广斌，尹胜军，于金龙，李 倩

（1.国网新源水电有限公司丰满培训中心，吉林吉林 132100；2.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林 132100）

近年来，随着工业的迅猛发展，人类正面临着越来越大的能源压力，我国未来30年内年均能源需求将达到本世纪初的3倍［1］。缓解社会发展过程中的能源压力，开发利用新能源是重要的途径。在“碳达峰，碳中和”的战略背景下，增加非化石能源的占比［2］，是一项非常艰巨的任务。

五种海洋能可再生总量及可开发量汇总如表1所示。其中，波浪能由于开发过程中对环境影响小且以机械能形式存在，是品位最高的海洋能［3］。振荡水柱式波能发电是目前波浪能利用技术中广泛采用的一种［4］。

表1 海洋能资源分布亿kW

振荡水柱式发电技术中波浪能需要借助空气来推动叶轮机械进而带动发电机完成发电［5］。在整个过程中，进入气室内的波浪能大小直接决定了发电量的多少。传统的振荡水柱式波浪能发电系统只能俘获气室正前方涌来的波浪，多数波浪能撞击到海岸衰减耗散掉，波能俘获率和利用率低，导致发电效率较低。优化波能收集设施提高进入气室内的波浪能，具有重要的价值。为此，本文从提高气室对波能的俘获率角度入手，通过改进波能收集装置从而提高波能利用率。通过数值模拟及实验研究，确定最优化的波能收集结构。

1 数值建模

1.1 几何结构

经过研究大量国内外现有振荡气室的结构，如图1所示，并确定气室结构参数如下［6－7］：气室内静水深h1＝16 m；前墙厚度ls＝0.8 m；气室宽度lb＝6.0 m；前墙入水深度lp＝3.0 m；气室长度lm＝12 m；气室底坡角θ＝26°；气室高度h＝21 m；气室底坡高度h2＝5.0 m。

1.2 数值方法

本文主采用基于仿物理造波中的推板式造波方法［8］，其特点是能采用简单的机械运动产生比较精准的波浪，同时减少对水槽中波浪的干涉［9］。因此，本文采用Ursell和Dean［10］提出的造波理论。造波板的位移x（t）和速度u（t）方程为

根据以上微小波幅理论，结合CFD中模拟波浪运动的控制方法，在无振荡气室和收集装置情况下，模拟二维平底水槽波浪的运动情况。水槽长L＝100 m，高H＝21 m，如图2所示。

模拟参数设置如下：造波板运动行程S0＝0.8 m；运动周期T＝6.0 s；水深d＝16 m；计算步长△t＝0.01 s；推板式造波利用动网格技术（Dynamic Mesh）实现造波板来回运动；湍流模型采用标准κ－ε模型；构造数值波浪水槽过程中采用自由水面追踪方法（VOF模型）［11］；压力与速度耦合方式采用PISO算法；边界条件采用压力入口和压力出口；基于用户自定义函数（UDF）控制动网格边界的运动形式；计算网格用前处理软件Gambit生成。

在Fluent中用UDF方法将造波板的上述运动转化为计算模块中可执行程序。采用动网格技术（Dynamic Mesh）处理造波板处的动边界问题。将数值模拟和理论的波幅时程曲线绘制如图3所示。

由图3可见，在刚开始阶段，波浪的波幅从零逐渐增大到理论值，在第3个周期后基本于理论波浪曲线一致。数值模拟得到的波浪与理论计算的波幅相吻合，说明了本文中所采用的数值计算方法的可靠性与正确性。

2 三维仿真

为了更好地展现出波能收集装置对波浪能的俘获能力，本文在三维水槽中进行数值模拟研究。其造波的原理和方法与二维模拟中的一致。三维数值水槽如图4所示，其中L＝100 m，B＝40 m，H＝21 m，d＝16 m。

造波板（造波边界）和气室及消波边界分别位于水槽两端。为了说明波浪收集装置对波浪的俘获能力，本文中只模拟在相同波浪周期T＝6.0 s和同一入射波波幅条件下，不同形状结构收集装置的收集效果。针对模拟中几个工况，给出了气室与抛物面相匹配的位置关系图（俯视图）如图5所示，从而研究不同抛物面形状对气室收集效果的影响。三维数值模拟工况如表2所示。

表2 三维数值模拟工况表

根据前面确定的气室的结构参数，利用UG三维造型软件建模，通过Fluent12.1软件完成模拟计算。通过监视水相体积分数，来反映波面的波动情况。因此，本文采用分别监测气室内水相体积分数和距造波板50 m处面的水相体积分数变化来反映气室内波面和入射波面的振动幅值大小。

图6为没有收集装置时气室内波幅和入射波波幅时程曲线。由图6计算可得入射波平均半波高A0＝0.34 m，气室内波面振荡幅值A＝0.58 m。为清晰地展现三维波浪的运动，截取中间断面t＝80 s时垂直波浪运动方向的波面情况，如图7所示。

本文采用无量纲因子——相对波幅A／A0来评价气室内波面的升降变化。其中，A为气室内波幅，A0为入射波波幅。将研究工况下气室内水柱振荡随时间变化的幅值与入射波半波高的比值作为判断气室内振荡大小的依据。在入射波相同的前提下，该比值越大，说明气室内水柱振荡越剧烈，从而产生更多的电能。由图6计算可得平均相对波幅A／A0＝1.69。这一结果说明在无波能收集装置时，气室内水柱的振荡波幅是入射波波幅的1.69倍。

为改善抛物面内的流动情况，在工况4的基础上增设导流板，其模型三维结构如图8所示。

图9给出了本文所有工况中气室内相对波幅结果。与无波能收集装置工况下结果相比，发现气室内相对波幅有了明显提高。工况3和工况4模拟的结果相差不大，可以看出随着抛物面焦点与气室中心相对位置的变化，气室内相对波幅不同，当焦点在气室中心和气室内墙之间时，效果较好。

由工况2～5中（图9中红色连线）的计算结果可知，工况4时，气室内波面的振动效果最好。因此将以工况4为基础，增加抛物面的开口大小，研究开口大小对收集效果的影响。由上述模拟计算结果可知，在抛物面焦半径不变的情况下随着开口的增大，气室内波面的振荡幅值也会增大。但考虑实际建造的工程成本因素，开口增大时，建造的成本也会随之增加；当开口增加到一定程度时，所获得的经济效益反而会下降。故在实际波能发电系统建造中，抛物面开口设计不宜过大。

综合考虑各个因素，认为工况8所对应的抛物面加导流板的收集装置是最佳的，其气室内相对波幅A／A0＝2.99，而无收集装置的气室内相对波幅A／A0＝1.69，可见最佳的波能收集装置中气室内相对波幅提高了76.9%。

图10（a）给出了工况4数值模拟中t＝80 s时水深2 m处水平面上压强分布情况，从图中可以看出，在抛物面墙内侧压强值明显比中间的高，其原因在于从远处涌来的海浪通过渐缩趋势的抛物面墙时，由于海浪的惯性对抛物面墙存在撞击作用，使得海浪在抛物面墙内侧受到挤压而抬高，影响了海浪的涌动，导致海浪不能很好地被气室所俘获，从而造成能量损失。抛物面墙尺寸越大，其影响效果也越明显。

图10（b）给出了工况8数值模拟中t＝80 s时水深2 m处水平面上压强分布情况，由图可知，工况8中，平均相对波幅A／A0＝2.99。与工况4相比相对波幅进一步提高，同时该结构有效地改善了抛物面内的流动情况，从而减小了海浪对抛物面的冲击力。

3 实验研究

数值模拟为理想状态下得到的结果，与实际海浪运动存在一定的差异。如模拟中所造出的海浪为规则的正弦波，而实际海浪是多种波叠加的结果。为了验证数值模拟的结果，本实验采用摇板式造波方法，在长×宽×高为3 m×1 m×0.5 m的玻璃水槽中造浪，并通过测量气室内外水位高度来反映波的振荡幅值大小。

3.1 实验台搭建

本文涉及的实验台如图11所示，采用摇板式造波方法进行造波，在水槽两端都布置消波墙；通过数字化智能压力变送器和ADAM－4118输入模块采集气室内外波面高度数据，基于Advantech Adam.Net Utility软件监测气室内外水位高度变化，并存储数据进行分析。

3.2 实验验证

本文对数值模拟得到的最佳收集装置进行实验，同时对无收集装置情况进行对比。为了研究收集装置对不同波浪的收集效果，利用造波机造出不同周期的波浪。

波浪运动为重力作用下的非定常流动，按照相似理论应保证斯特劳哈尔数：St＝vt／l；弗劳德数：Fr＝v2／gl相等。模型实验中尺寸相似数Cl＝50，则时间相似数。通过折算得到实验工况如表3所示。

表3 实验工况表s

通过调速器调整电机转速，从而调节造波板的摆动周期，依次取各工况下的周期值进行实验并采集相关数据。

通过数据采集得到各工况下气室内和气室外两监测点处水面波动信息对应的电压波动数据，根据电压波动数据和传感器参数可计算出水面波动幅值。水面波动随时间变化曲线，如图12所示。

为研究不同周期的波浪对气室俘获波能的影响，针对工况1和工况8进行了不同周期入射波实验。取较长一段时间（约为30 s），用同一工况下2个监测点处数据平均分别求出相对波幅大小。实验数据结果如图13所示。

3.3 实验结果分析

从图13中可知，当T＝6 s时，最佳收集装置情况下气室内相对波幅为3.25，而无收集装置情况下气室内相对波幅为1.58。可见数值模拟和实验结果很好地吻合。

相同入射波前提下，最佳收集装置气室内相对波幅比无收集装置情况下显著增大，充分说明了收集装置在很大周期范围内对提高气室内水面振荡幅度有明显效果，因此对波能利用率的提高也是非常显著的。

此外，气室内相对波幅随周期的增大呈现出先增大后减小的现象，这与海浪发电的实际情况相符合。当T＝6 s时气室内相对波幅达到最大，说明该收集装置对周期在6 s附近波的收集加强效果最好。而我国在东南沿海地区海浪周期正好也6 s附近，因此该收集装置很适合我国的地理条件，具有较强的应用价值。

4 结 语

本文研究了抛物面型和导流板相结合的新型波能收集装置对波能的收集效果。在设计过程中，首先通过数值模拟比较不同形状的收集装置对海浪的收集加强效果，最终确定出最佳的收集装置结构参数并进行实验验证。实验结果显示，该收集装置能将气室内相对波幅提高到3.0左右，与无收集装置时的1.6左右相比而言，提高了约80%。可见波能收集装置对振荡水柱式波浪发电具有非常重要的意义和应用价值。