后彎管式波力發電裝置氣室結構的試驗研究＊

劉 臻，肖 翔，呂小龍，曹飛飛

（中國海洋大學山東省海洋工程重點實驗室，山東 青島266100）

后彎管浮式波力發電裝置（Backward Bend Duct Buoy，簡稱BBDB）作為一種離岸的振蕩水柱式波力發電裝置（見圖1），其主要工作原理是能量3次轉換：波浪與裝置相對的縱向和橫向運動導致氣室內水柱振蕩，帶動氣室內空氣往復運動，完成能量1次轉換；空氣經過透平帶動其轉動，將空氣的動能轉換為透平的機械能，完成能量2次轉換；發電機組將透平的機械能轉換為電能，完成能量3次轉換。

圖1 后彎管浮式波力發電裝置Fig.1 BBDB wave energy converter

鑒于BBDB波力發電裝置具有質量輕、結構簡單、運輸安裝方便、適應范圍廣（特別是小波浪和淺水區）、波能轉換效率較高等優點[1]，各國專家學者與機構對BBDB波力發電裝置進行了一定的研究。日本、愛爾蘭及中國對此類裝置的研究較多且取得一定成果。我國廣州能源所將BBDB波力發電裝置應用于水道1號導航燈船上，建造完成了我國最大的導航燈船[2]。該所從多個方面對BBDB波力發電裝置進行了試驗研究：梁賢光、孫培亞、王偉等[3－5]對6種BBDB裝置模型進行工作性能測試，比較形狀參量對裝置工作性能的影響，發現BBDB裝置浮室采用前方后圓型、彎管后伸時性能最好；比較BBDB波力發電裝置在L型鏈和S型鏈系泊時的工作性能，發現裝置采用L型鏈系泊時工作性能最好；對單體、雙并聯、三并聯3種BBDB波力發電裝置的工作性能和錨泊力進行測試，試驗數據顯示，裝置并聯后，其最佳響應周期同并聯前基本相同，在三并聯時，位于中間位置的裝置工作性能略低于兩側裝置的工作性能，單個裝置的工作性能較并聯前有所下降。

通過觀察前期后彎管浮式波力發電裝置的研究開發可以發現，針對該裝置的物理模型試驗主要集中在對裝置結構形式的考察及錨泊方式和錨鏈形式的比較上，全面考察入射波參量和裝置結構參量對裝置水動力學特征與一次能量轉換效率的影響則有待進一步加強。此外，前人裝置的研發目標主要集中于百瓦級的航標燈供電裝置應用，而對于漂浮式10kW級裝機容量的裝置研究仍較少。

本文擬在前人研究基礎上，以10kW級后彎管式漂浮型發電裝置為研究對象，以裝置的水動力學性能為主要研究內容，以氣室內相對波高作為主要表征參數，通過斷面水槽水工物理模型試驗，考察了氣室內水柱振蕩幅度與入射波波高和入射波周期之間的關系，分析了氣室完全開敞、輸氣管添加負載以及彎管橫管長度在不同入射波高和周期下對氣室內水柱振蕩的影響，為進一步的大功率裝置設計與試驗提供了理論依據。

1 試驗設計

1.1 造波系統測量設備及儀器

本研究物理模型試驗全部在海軍工程實驗室的斷面物理模型試驗水槽中進行。水槽長50m、寬1.2m、深1.2m，為隨機波波流耦合水槽。試驗的測量設備及儀器包括DS－30型多功能數據采集處理系統以及配套使用的波高儀。

1.2 裝置結構形式及設計參數

本研究以前人設計的裝置型式為基礎，參考青島地區海域波浪要素，依據重力相似原理（長度比尺1∶16），給出了BBDB浮體裝置的設計尺寸（模型值），見圖2。裝置長850mm，寬400mm，高650mm。后彎管水平段長850mm，垂直段長650mm，屬長寬比為2∶1的矩形管，即截面長400mm，寬200mm。為給裝置提供浮力并保持其平衡，設置650mm×440mm×400mm的長方體浮室。

圖2 裝置主體結構示意圖Fig.2 Sketch of BBDB device

在物理模型試驗中，為更好的測定裝置氣室內水柱的振蕩情況，BBDB模型裝置采用鋼支架直接固定于水槽當中，裝置整體運動與系泊問題將在以后的研究中陸續展開。

1.3 試驗內容及工況組合

為更好的考察入射波參量和形狀參量對裝置的水動力學性能的影響，試驗主要從以下3個方面進行：

（1）氣室頂部開敞輸氣管封閉時水柱的振蕩情況。該方面試驗可考察氣室內水柱振蕩幅度與入射波波高和入射波周期之間的關系及氣室完全開敞對氣室內水柱振蕩的影響。

（2）輸氣管添加不同負載時氣室內水柱的振蕩情況。輸氣管分別為空載、添加直徑62mm孔板負載、添加31mm孔板負載，見圖3（a）。該方面試驗可考察輸氣管添加不同負載對氣室內水柱振蕩的影響。

（3）彎管向后伸不同長度時氣室內水柱的振蕩情況。氣室頂部封閉，輸氣管添加31mm孔板負載，橫管長度分別為初始長度、向后延伸150mm、向后延伸300mm，見圖3（b）。該方面試驗可考察橫管長度對氣室內水柱振蕩的影響。

圖3 裝置細部特征Fig.3 Details of BBDB device

表1 入射波要素一覽表Table 1 Incident wave conditions

表2 裝置模型試驗工況一覽表Table 2 Shape parameter conditions

表1給出了物理模型試驗中規則波的波浪要素，表2給出了試驗工況。共進行試驗72組。波浪要素的變化范圍為：波高H＝6.25～12.50cm，周期T＝1～1.75s。試驗水深為70cm，裝置橫管上表面距平均水位距離為15cm。

2 試驗結果分析

2.1 入射波要素的影響

2.1.1 入射波高的影響 圖4給出了BBDB波力發電裝置（工況1）在入射波H0＝6.25cm，周期T＝1.75s（模型值）時氣室內水柱的振蕩情況，紅色線為平均水位線，黑色線為裝置輪廓線和氣室內水位線。比較水槽同一截面上氣室內外波面變化可知，入射波波面運動同氣室內水柱振蕩間存在約0.375T的相位差。

周期T＝1.75s時，不同入射波波高下氣室內水柱表面變化時程曲線如圖5所示。由圖可見：氣室內波高隨入射波高的增大而增大，水柱振蕩基本呈規律的正弦曲線，且運動周期同入射波周期相同。需要指出的是，受到水槽邊壁以及裝置與波浪場相互作用影響，氣室內波高并非固定不變。

氣室內波高和相對波高隨入射波高的變化見圖6。圖中橫軸為入射波高，縱軸分別為氣室內波高和相對波高，不同曲線代表不同入射波周期情況下波高和相對波高的變化：氣室內波高和相對波高均隨著入射波周期的增大而增大。T＝1.75s時，相對波高接近2，T＜1.50s時，相對波高小于0.8。這說明氣室內水柱的振蕩對大周期響應較好。值得一提的是，氣室內波高的增速要小于入射波波高的增速，且增速隨入射波波高增加而變緩。

2.1.2 入射波周期的影響 入射波波高H0＝9.38 cm，周期T＝1.25s時，氣室內水柱振蕩情況如圖7所示（工況1）。此時入射波波面運動同氣室內水柱振蕩間存在0.125T的相位差。入射波周期T＝1.50s時，相位差為0.250T；T＝1.75s時，相位差為0.375T?？梢娤辔徊畹拇笮⊥肷洳ㄖ芷诘拇笮∶芮邢嚓P。

圖4 氣室內外波面變化，（T＝1.75s，H0＝6.25cm）Fig.4 Wave elevations（T＝1.75s，H0＝6.25cm）

圖5 氣室內水面變化曲線，T＝1.75sFig.5 Curves of wave elevation in chamber

圖6 氣室內波高和相對波高隨入射波高變化Fig.6 The wave height and the relative wave height variation with the incident wave height

圖7 氣室內外波面變化（T＝1.25s，H0＝9.38cm）Fig.7 Wave surface changes while T＝1.25s，H0＝9.38cm

入射波波高H0＝9.38cm時，不同入射波周期情況下氣室內水柱表面變化時程曲線見圖8。入射波周期較小時（T＝1.00、1.25s），氣室內水柱振蕩較弱，波高較小，相對較大波高出現次數較少。水柱振蕩無明顯規律，屬無序振蕩。當入射波周期增大至1.50s以上時，氣室內波高明顯增加，水柱振蕩基本呈規律的正弦曲線。由圖可見，氣室內水柱振蕩受入射波周期影響明顯，入射波周期較小時，氣室內水柱呈無序振蕩且波高較小。入射波周期較大時（T＞1.5s），氣室內水柱振蕩劇烈，呈明顯的正弦曲線。

圖8 氣室內水面變化曲線，H＝9.38cmFig.8 Curves of wave elevation in chamber

圖9給出了入射波高對相對波高變化的影響。相對波高隨入射波周期的增大而增大，入射波周期越大，增速越快。氣室內相對波高受入射波周期影響較大，受入射波波高影響較小，同周期下不同入射波波高氣室內相對波高基本一致。這說明在入射波周期較大時，氣室功能性能較好。增加入射波波高能有效提升氣室輸出功率，但對波能利用率影響較小。此類裝置更適合在入射波周期較大的情況下工作。

圖9 入射波高對相對波高變化的影響Fig.9 Effects of incient wave heights on relative wave height

2.2 負載因素的影響

輸氣管添加負載后，不同波要素下氣室內水柱表面運動更為平穩，基本呈一條直線升降，見圖10（工況3）。觀察不同負載對相對波高的影響可知（圖11）：入射波周期較小時，輸氣管內添加不同負載對氣室內水柱振蕩影響較小，不同工況間氣室內相對波高基本相同。周期較大時，輸氣管添加負載對氣室內水柱振蕩影響明顯，添加不同負載的氣室內相對波高存在顯著差別。輸氣管添加31mm孔板負載時相對波高下降明顯，僅為其它工況的1/2左右。在相同入射波周期下（T＝1.75s），氣室頂部開敞時與輸氣管添加31mm孔板負載時入射波波面運動同氣室內水面運動間的相位差不同，分別為0.375T和0.5T，說明輸氣管負載對氣室內水柱振蕩有延遲作用。

2.3 彎管向后延伸長度的影響

試驗發現，入射波波面運動同氣室內水柱振蕩間存在相位差，相位差的大小同橫管的長度密切相關。以本試驗為例，橫管越長，相位差越大。分析原因，由于橫管長度不同，入射波的運動在彎管入水口處與氣室處呈現不同的狀態，從而導致入射波波面運動同氣室內水柱振蕩間存在相位差。

圖12給出了不同橫管長度下氣室內相對波高沿入射波周期的分布情況。隨著彎管向后延伸，相對波高有小幅下降。這說明橫管長度對氣室內水柱振蕩有一定的影響，但影響相對較小。

圖10 氣室內外波面變化（T＝1.75s，H0＝12.50cm）Fig.10 Wave surface changes while T＝1.75s，H0＝12.50cm

圖11 不同負載對相對波高的影響Fig.11 Effects of loads types on relative wave heights

圖12 延伸長度對相對波高的影響Fig.12 Effects of extending length on relative wave heights

3 結論

本文分析了入射波要素、輸氣管負載因素及彎管橫管長度對氣室工作性能的影響，通過分析發現：

（1）入射波波面運動同氣室內水柱振蕩間存在相位差，相位差的大小受到入射波周期和橫管長度的影響，輸氣管內添加負載對氣室內水柱的振蕩有延遲作用。

（2）氣室內水柱振蕩隨入射波波高的增加變的更為劇烈，但增幅趨緩。相對波高與入射波波高基本呈線性關系，周期較小時變化較小，周期較大時下降明顯。

（3）入射波周期較小時，氣室內水柱振蕩較弱，屬無序振蕩。入射波周期較大時，氣室內波高明顯增加，水柱振蕩呈規律的正弦曲線。相對波高隨入射波周期的增大而增大，且入射波周期越大，相對波高的增速越快。說明該裝置更適合在入射波周期較大的波況下工作。

（4）輸氣管添加有效負載后，氣室內水柱運動趨于平穩，水柱振幅明顯變小。這是由于氣室內氣柱同外界大氣直接接觸的面積減小，氣流進出輸氣管時流速會有一個由慢變快再變慢的過程，對空氣進出產生阻力，進而導致水柱振幅變小。入射波周期較小時，輸氣管內添加不同負載對氣室內水柱振蕩影響較小。入射波周期較大時，輸氣管添加負載對氣室內水柱振蕩影響較大，添加不同負載時相對波高存在顯著差別。

（5）隨著彎管向后延伸，氣室內相對波高小幅下降。這說明橫管長度對氣室內水柱振蕩存在影響。

綜上所述，此類裝置更適合在大周期、大波高的海況下工作。減少輸氣管負載，合理確定橫管長度能夠有效提升裝置的工作性能。

[1]王傳崑，蘆葦.海洋能資源分析方法及儲量評估[M].北京：海洋出版社，2009：2－4.

[2]高祥帆，梁賢光，蔣念東，等.中水道1號燈船波力發電系統模擬試驗和設計[J].海洋工程，1992，2（10）：79－87.

[3]梁賢光，王偉，杜斌，等，后彎管波力發電浮標模型性能試驗研究[J].海洋工程，1997，15（3）：77－78.

[4]梁賢光，孫培亞.并聯式后彎管波力發電浮體模型性能試驗研究[J].海洋工程，2003，21（3）：83－84.

[5]梁賢光，孫培亞，王偉，等.多點系泊下后彎管波力發電浮體模型試驗研究[J].海洋工程，2001，19（1）：70－78.