李 猛，陳天祥，伍儒康，吳必軍

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學院大學，北京 100049）

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中心管底部形狀對浮標波能轉(zhuǎn)換性能影響的實驗研究*

李 猛1,2，陳天祥1,2，伍儒康1,2，吳必軍1?

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學院大學，北京 100049）

摘 要：為改善中心管振蕩水柱式波力發(fā)電浮標的能量轉(zhuǎn)換性能，對中心管底部設計了4種模型并在造波水槽中進行實驗研究。試驗結(jié)果表明，直管型中心管俘獲寬度比最小，實驗測得最高為4.12%，底部有一定錐度的模型會提高俘獲寬度比，目前實驗最高為19.25%，并出現(xiàn)較高的雙峰值，提高了通頻帶，峰值周期也隨錐度的不同出現(xiàn)了移動。試驗得到的較佳模型需要進一步優(yōu)化和實驗，為設計適應不同海況的發(fā)電浮標提供基礎數(shù)據(jù)。

關鍵詞：波力發(fā)電浮標；模型；中心管；俘獲寬度比；波周期

0 引 言

振蕩水柱波浪能發(fā)電裝置具有結(jié)構簡單、制造成本低、沒有水下運動部件、可維護性強、海生物附著影響小、性能可靠等優(yōu)點。中心管振蕩水柱波能發(fā)電裝置由一個中間掏空帶有一根長形管道的圓柱型浮體和空氣透平機組構成，圓柱型浮體的尺寸遠小于波長，浮體俘獲波浪能的能力同波浪入射的方向無關。在波浪作用下，圓柱型浮體主要做垂蕩運動，從而導致中心管內(nèi)的水柱在水管內(nèi)做相對振蕩運動，振蕩運動的水柱面相當于一個活塞，推動氣室內(nèi)的空氣往復運動，從而使氣室內(nèi)的空氣獲得動能，運動的空氣通過一個噴氣口推動空氣透平旋轉(zhuǎn)，從而帶動發(fā)電機發(fā)電[1]。該類型波能發(fā)電裝置的工作原理如圖1所示。

自1947年日本益田善雄成功研制波力發(fā)電燈浮標以來，該技術已得到一定范圍的應用[2-3]。為探索2.4 m直徑浮標水下浮體形狀對波能吸收性能的影響，吳藻華等[3]于1984年通過試驗研究得到水下浮體形狀取球形或部分球形的浮標波能轉(zhuǎn)換性能較好，但其能量俘獲寬度比最高約為16%，而且通頻帶較窄，同年英國的貝爾法斯特女王大學WHITTAKER等[4]對一個直徑3 m、中心管直徑0. 7 m的發(fā)電浮標1/10模型進行了試驗，試驗研究表明不同的阻尼俘獲寬度比不一樣，最高達到了50%，通頻帶很窄，阻尼變小后通頻帶變寬，最高俘獲寬度比減少，甚至出現(xiàn)了雙峰值，但此雙峰值俘獲寬度比最高為10%左右。1994年，黃國樑等[5]針對前期研究的發(fā)電浮標在波浪周期短、波高小發(fā)電量不能滿足需求的條件下對2.4 m浮標的發(fā)電性能進行了進一步試驗研究，研究表明通過減少發(fā)電浮標質(zhì)量移動了響應周期，但俘獲寬度比未見提高，最高大概為14.6%，通過適當加長和加粗中心管可提高俘獲寬度比，最高達到了25%。中國科學院廣州能源研究所通過對對稱翼型透平的研究，于1983年12月成功研制出新型的航標燈用中心管波力發(fā)電裝置BD101型波力發(fā)電裝置[6]，隨后又有改進后的BD102A型、BD102B型、BD102C型等裝置投入小批量生產(chǎn)并使用[7]，但并未對發(fā)電浮標的形狀進行優(yōu)化。近年來，葡萄牙的FALC?O等[8-9]研究了中心管分成兩個不同直徑的圓筒并用錐形過渡段連接起來的浮標的動力響應，進行模擬計算，并未見相關試驗研究成果報道。

從文獻資料可知，目前國內(nèi)外學者主要對2.4 m 及3 m、一般工作在2.5 ~ 3.5 s周期范圍內(nèi)發(fā)電浮標進行了能量轉(zhuǎn)換性能試驗，但對其他尺度可能有更廣泛用途的海洋儀器供電浮標波浪能量轉(zhuǎn)換特性研究較少，對于中心管底部形狀變化對能量轉(zhuǎn)換性能影響的實驗研究也未見相關文獻報道。為此本文設計了四種不同中心管底部形狀的點吸收振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換浮標模型，測算其在不同波浪周期下的俘獲寬度比，并通過比較選出較佳模型。

圖1 波力發(fā)電浮標工作原理圖Fig. 1 The operating principle of wave power generating buoy

1 實驗部分

1.1 試驗裝置和方法

試驗在中國科學院廣州能源研究所海洋能實驗室的造波水槽中進行。水槽寬1.2 m，高1.2 m，長50 m。一端裝有計算機控制的變頻電源伺服電機驅(qū)動的推板式造波機，推板寬1.16 m、高1.2 m，推板最大行程40 mm，可造規(guī)則波和不規(guī)則波。另一端為端部消波裝置，水槽中間部分為試驗段，通過此處的玻璃墻可以清楚地觀察裝置的運動情況。圖2為試驗裝置布置簡圖。

在距離造波機大約8 m處裝有一電容式波高儀，可以測量入射波波高；在距離造波機約17 m處放置試驗模型，在模型氣室頂部安裝有另一電容式波高儀YWS100-AXX，用于測量氣室內(nèi)水位的相對波動；氣室頂部還裝有測壓口，用PY301差壓變送器測量氣室內(nèi)相對壓力。入射波的波高數(shù)據(jù)由SDA1000傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，由計算機控制，采樣頻率為20 Hz；氣室內(nèi)的水位變化和氣壓相對變化被相應的傳感器獲取，通過采集卡進行同步采樣，由計算機控制，采樣頻率為16 Hz。

圖2 試驗裝置布置簡圖Fig. 2 The layout diagram of experiment device

相關物理量計算公式[10]如下。

氣室平均輸出氣流功率NA：

式中：ΔPi為第i點氣室內(nèi)相對壓力（Pa）；hi和hi+1為第i和i+1點氣室內(nèi)水位（m）；F為氣室截面積（m2）；n為采樣總點數(shù)；Δt為采樣時間間隔（s）。

入射波功率NW：

式中：HO為入射波浪高（m）；T為入射波周期（s）；B為浮體迎波寬度（m）。

氣室俘獲寬度比η：

氣室平均氣流量Qav：

氣室平均氣壓△Pav：

1.2 試驗模型方案

制作了4種模型進行試驗，為了節(jié)省成本，試驗模型做成可拆卸的，4種模型簡圖及主要參數(shù)見圖3，圖4為制作的試驗模型和試驗實物圖。

圖3 4種模型簡圖及主要參數(shù)Fig. 3 Four model diagrams and main parameters

試驗水槽水深0.9 m，錨鏈長度為1.71 m，錨泊掛點為一固定點，在模型的筒內(nèi)放入適當?shù)呐渲仨来a使其淹深大概達到一固定值70 mm，裝置氣室頂部設有D = 20 mm的圓形氣孔。在上述條件不變的情況下，使用造波機造推程為30 mm的不同周期波浪，波高約0.1 m，研究這4種模型的氣室俘獲寬度比隨波周期的變化關系。為保證試驗所測得數(shù)據(jù)的準確性，提高試驗可信度，在每個試驗條件下都重復試驗3次。根據(jù)上面相應公式，對試驗所得數(shù)據(jù)進行計算處理，由計算結(jié)果比較得出較佳試驗模型。

圖4 試驗模型Fig. 4 Experimental models

2 結(jié)果與討論

實驗測量了入射波的波高和周期，以及中心管內(nèi)的液位高度和氣室內(nèi)氣壓差的變化情況。據(jù)試驗所測得的數(shù)據(jù)計算每一個周期點下的氣室俘獲寬度比，可得模型在不同波浪周期下的氣室俘獲寬度比，將結(jié)果示于圖5和表1。

從試驗得到的數(shù)據(jù)可以看出，管內(nèi)的水柱相對于中心管做近似周期運動，氣壓差也呈正弦變化規(guī)律，例如模型1在波周期為1.1 s時的數(shù)據(jù)如圖6。

從試驗結(jié)果可以看出，模型2性能最差，最佳響應點時的俘獲寬度比僅為4.12%；模型3和模型4次之，最佳響應點時的俘獲寬度比分別為6.51%和9.95%；模型1性能最好，最佳響應點的俘獲寬度比為19.25%。從俘獲寬度比和波周期的關系圖可以看出，模型1的曲線具有雙峰特性，最佳響應周期附近均有較好的俘獲寬度比，說明其響應波周期較寬，這對于實海上多種周期疊加的波浪吸收轉(zhuǎn)換具有很好的實用價值。

圖5 俘獲寬度比隨波周期的變化曲線Fig. 5 The capture width ratio along with the change of wave period

表1 各模型最佳響應點的性能Table 1 The optimum response performance of each model

圖6 來自中心管內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)Fig. 6 Sampling data from the center pipe

模型2的底部為與中心管連接的等直徑直筒，而其他三種模型的底部均采用了錐形變徑段，對裝置的俘獲寬度比均有一定的提高。由俘獲寬度比曲線圖可以看出，較佳響應周期受到錐形變徑段的影響很大，通過調(diào)節(jié)錐形變徑段的角度可以改變裝置的垂蕩固有周期，使之接近要求的波浪周期，以得到較高的俘獲寬度比。試驗時，裝置隨波做近似的簡諧運動，中心管內(nèi)的水面接近平靜水位，以模型為參考系，底部的水在通過變徑段后，根據(jù)流體力學中的連續(xù)方程可知水流速度變大，因此氣室內(nèi)的氣體改變變大，氣流量和氣壓差也變大，這樣就可可以獲得更高的功率，裝置的俘獲寬度比也相應提高了。比較模型1和模型3，模型3的錐形變徑段開口過大，裝置在垂直方向運動時會受到很大的阻力，模型運動幅度變小，從而影響其俘獲寬度比。對比模型1和模型4，錐形變徑段沒有較大區(qū)別，但是模型4的最下部有一段圓筒，增加的圓筒段并沒有使俘獲寬度比得到提高。在試驗時，模型4出現(xiàn)了較為明顯的縱蕩和橫蕩運動，顯然裝置的垂蕩運動會被削弱，故俘獲寬度比也會降低。從幾何尺寸可以看出，模型1相對于模型3、模型4表面積小，所用鋼材少，造價較低，宜采用。

3 結(jié)論與展望

直管型的中心管俘獲寬度比特性較差，通過改變中心管底部形狀可以移動裝置的垂蕩固有周期，使之接近要求的波浪周期，以便得到較高的俘獲寬度比。有合適角度的錐形變徑段作為中心管底部的裝置不僅有較高的俘獲寬度比，目前模型試驗達到19.25%，而且出現(xiàn)較高的雙峰特性，拓寬了通頻帶。較高通頻帶和峰值周期的移動在實際應用中有重要意義。在接下來的試驗研究中，可以改變配重以達到淹深的變化，來研究其俘獲寬度比；改變氣室頂部的開口大小，研究其對俘獲寬度比的影響；改變錨泊系統(tǒng)的錨鏈長度以及錨鏈和模型的連接位置，研究其俘獲寬度比的變化；在浮體尺寸不變的情況下，還可以考慮適當?shù)馗淖冎行墓苤睆降拇笮?，研究其對俘獲寬度比的影響。

參考文獻：

[1] 高祥帆, 蔣念東, 梁賢光. 靜水池主動式氣動型波能轉(zhuǎn)換模擬實驗裝置[J]. 海洋工程, 1983, 1(1): 84-91.

[2] HEATH T V. A review of oscillating water columns[J]. Philosophical transactions: mathematical, physical and engineering sciences, 2012, 370(1959): 235-245. DOI: 10.1098/rsta.2011.0164.

[3] 吳藻華, 夏洪峰, 戴李民. 浮體形狀對波能轉(zhuǎn)換浮標性能的影響[J]. 海洋工程, 1984, 2(4): 59-62.

[4] WHITTAKER T J, MCILHAGGER D S, BARR A G. Wells turbines for navigation buoys[M]//TWIDELL J, RIDDOCH F, GRAINGER B, eds. Energy for rural and island communities. Oxford: Pergamon, 1984: 289-297.

[5] 黃國樑, 馮伯俊, 劉天威, 等. 改進波浪發(fā)電浮標性能的試驗研究[J]. 海洋工程, 1994, 12(1): 104-110.

[6] 梁賢光, 高祥帆, 蔣念東, 等. 航標燈用波力發(fā)電裝置[J]. 電工技術雜志, 1988(7): 9-12.

[7] 梁賢光, 楊光宇, 吳海明, 等. BD102G型航標用波力發(fā)電裝置研制[J]. 可再生能源, 2014, 32(12): 1933-1938.

[8] FALC?O A F O, HENRIQUES J C C, C?NDIDO J J. Dynamics and optimization of the OWC spar buoy wave energy converter[J]. Renewable energy, 2012, 48: 369-381. DOI: 10.1016/j.renene.2012.05.009.

[9] FALC?O A F O, HENRIQUES J C C, GATO L M C, et al. Air turbine choice and optimization for floating oscillatingwater-column wave energy converter[J]. Ocean engineering, 2014, 75: 148-156. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2013.10.019.

[10] 梁賢光, 王偉, 杜彬, 等. 后彎管波力發(fā)電浮標模型性能試驗研究[J]. 海洋工程, 1997, 15(3): 77-86.

李 猛（1988-），男，碩士研究生，主要從事波浪能轉(zhuǎn)換技術研究。

吳必軍（1965-），男，博士，研究員，主要從事海洋能轉(zhuǎn)換技術研究。

Experimental Research on Effect of Center-pipe Bottom Shape on Performance of Wave Energy Conversion Buoy

LI Meng1,2, CHEN Tian-xiang1,2, WU Ru-kang1,2, WU Bi-jun1
(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract:For improving the energy conversion performance of the center-pipe oscillating water column（OWC）wave power generating buoy, four models with different center-pipe bottom shapes were designed for experimental research in the wave tank. The test results showed that the maximum capture width ratio is 4.12% and presents low energy conversion performance for the straight pipe buoy. For the cone pipe buoy, the capture width ratio can be improved (test ratio: 19.25%) with the cone pipe buoy, which presents higher double peaks. Different cone can result in different peak period. Considering the adaption of different sea conditions, further optimization and experimental validation are necessary for the tested models.

Key words:wave power generating buoy; model; center-pipe; capture width ratio; wave period

作者簡介：

通信作者：?吳必軍，E-mail：wubj@ms.giec.ac.cn

基金項目：國家自然科學基金（51276185，51579231）

* 收稿日期：2015-12-01

修訂日期：2015-12-28

文章編號：2095-560X（2016）01-0015-05

中圖分類號：TK212.+3；TV139.2+5

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.2095-560X.2016.01.003