包興先， 吳州淼

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

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振蕩水柱式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與開發(fā)

包興先， 吳州淼

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

開發(fā)了氣室高度、底坡角度可調(diào)節(jié)的振蕩水柱式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置，并在實(shí)驗(yàn)室中的波浪水槽內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？紤]了3種氣室高度、3種底坡角度及2種波高，共12個典型工況，根據(jù)不同工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探討了氣室形狀參量、波浪要素等對發(fā)電裝置性能的影響規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)電裝置的思考，加深了對實(shí)際應(yīng)用中波浪能開發(fā)及海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造過程的認(rèn)識。

振蕩水柱； 波浪發(fā)電； 實(shí)驗(yàn)裝置； 實(shí)踐教學(xué)

0 引 言

我國擁有漫長的海岸線，在開發(fā)利用海洋能源，特別是波浪能方面具有先天優(yōu)勢。波浪能是一種清潔的可再生的能源，分布廣泛，能量密度高，波浪能發(fā)電綜合利用效益較好，是海洋可再生能源開發(fā)的熱點(diǎn)[1-3]。目前，振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置是實(shí)用化與商業(yè)開發(fā)程度較高的波浪能轉(zhuǎn)換裝置[4-5]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育的重要組成部分，在人才培養(yǎng)中占有重要的戰(zhàn)略地位[6-11]。本文通過振蕩水柱式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與開發(fā)，配套開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，對于提高學(xué)生的海洋工程實(shí)踐素質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識有著積極意義。

1 振蕩水柱式波浪發(fā)電原理

振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置主要由氣室、輸氣管道、透平與發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，如圖1所示。氣室為半淹沒狀態(tài)的空腔結(jié)構(gòu)，氣室前壁下方與海水相連；氣室后壁上方有輸氣管道，連接透平與發(fā)電機(jī)組。波浪向氣室推進(jìn)，當(dāng)波峰接近氣室前壁時，水進(jìn)入氣室，推動室內(nèi)水位上升，上升的水位使室內(nèi)氣壓增加，氣室內(nèi)空氣通過輸氣管道高速噴出。當(dāng)波谷接近氣室前壁時，水從氣室抽出，室內(nèi)水位下降，下降的水位使室內(nèi)氣壓降低，外面空氣通過輸氣管道高速進(jìn)入氣室。流出流進(jìn)的氣體將推動透平旋轉(zhuǎn)，從而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

1-氣室， 2-輸氣管道， 3-透平， 4-發(fā)電機(jī)組

圖1 振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置示意圖

2 振蕩水柱式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)

振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置前方的波浪傳播、氣室內(nèi)的自由水面振蕩及輸氣管內(nèi)的往復(fù)氣流的運(yùn)動都受到氣室形狀的影響。因此，氣室形狀參量在波能轉(zhuǎn)換過程中具有重要作用。開展針對氣室形狀參量的研究，對揭示振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置的工作機(jī)理，提高氣室工作性能有重要的工程價(jià)值[12-16]。而且，通過學(xué)生自主設(shè)置氣室形狀參量，自己摸索掌握發(fā)電裝置性能的影響規(guī)律，對學(xué)生的實(shí)踐能力、問題探究能力及創(chuàng)新思維的提高具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)裝置采用的氣室形狀參量主要包括氣室高度和底坡角度，這也是影響氣室工作性能的主要因素[2]。

2.1 發(fā)電裝置設(shè)計(jì)與制作

氣室模型各部分由有機(jī)玻璃制作并黏合而成。有機(jī)玻璃厚度0.01 m，氣室長0.50 m，寬0.38 m，氣室上部設(shè)置三層“抽屜式”擋板，可以調(diào)節(jié)氣室高度，氣室高度可調(diào)節(jié)為0.405、0.475和0.550 m。在氣室底部設(shè)置了斜坡板，斜坡板可在槽狀軌道內(nèi)滑動，用以改變底坡角度，底坡角度可調(diào)為30°、45°和60°。發(fā)電裝置如圖2所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

(1) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備。本實(shí)驗(yàn)是在中國石油大學(xué)(華東)船舶與海洋工程實(shí)驗(yàn)室中的小型波浪水槽內(nèi)進(jìn)行，如圖3所示。水槽整體是鋼結(jié)構(gòu)和有機(jī)玻璃材質(zhì)，長約15 m，寬0.4 m，深0.5 m，如圖3(a)所示。水槽一端安裝有機(jī)械搖桿推板造波機(jī)，如圖3(b)所示，另一端有消波設(shè)施。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用DH5922動態(tài)測

圖2 振蕩水柱式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置

量設(shè)備和DHDAS動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)，如圖3(c)所示，DHDAS系統(tǒng)可以將DH5922設(shè)備傳來的電壓信號傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，獲得實(shí)時電壓數(shù)據(jù)。

(a)波浪水槽(b)造波系統(tǒng)

(c)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(d)實(shí)驗(yàn)裝置安放

圖3 振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置實(shí)驗(yàn)

(2) 實(shí)驗(yàn)工況。為了探討不同氣室形狀參量對發(fā)電裝置性能的影響規(guī)律，考慮了3種氣室高度(530、475、405 mm)、3種底坡角度(30°、45°、60°)及2種波高(29、18 mm)情況，共12個實(shí)驗(yàn)工況，如表1前4列所示。實(shí)驗(yàn)靜水深280 mm，實(shí)驗(yàn)裝置的波浪入口在靜水面以下60 mm。連續(xù)采集的波峰個數(shù)為15～20個。每個工況下的實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，以消除外界環(huán)境、實(shí)驗(yàn)儀器引起的系統(tǒng)誤差，取3次結(jié)果的平均值為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(3) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。對12個工況分別進(jìn)行電壓信號采集與處理可以得到各個工況下輸出電壓隨時間變化情況。以Case 03為例，輸出電壓值隨時間變化如圖4所示?？梢钥闯?，發(fā)電機(jī)輸出的是正弦交流電，電壓峰值穩(wěn)定性較好(均值為621.8 mV)，說明此時氣室內(nèi)、外氣流使透平穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，整個振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置工作性能表現(xiàn)優(yōu)良。同樣可以得到其他11個工況下的輸出電壓隨時間變化情況，并得到峰值電壓的均值。

表1 各實(shí)驗(yàn)工況下輸出電壓一覽表

(4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論。比較表1各工況下的峰值電壓均值，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：① 氣室高度對振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置性能的影響。通過比較波高一定、底坡角度一定、氣室高度變化的情況下3組工況(01、02、03)、(04、05、06)和(07、08、09)的峰值電壓均值。發(fā)現(xiàn)隨著氣室高度減小，輸出電壓值增大，發(fā)電裝置的發(fā)電性能提高。本例中氣室高度為405 mm時，發(fā)電機(jī)輸出電壓值較大，此時裝置的發(fā)電性能較好。② 底坡角度對振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置性能的影響。通過比較波高一定、氣室高度一定、底坡角度變化的情況下4組工況(01、04、07)、(02、05、08)、(03、06、09)和(10、11、12)的峰值電壓均值。發(fā)現(xiàn)隨著底坡角度增加，發(fā)電裝置的發(fā)電性能有所下降。本例中底坡角度為30°時，發(fā)電機(jī)輸出電壓值較大，此時裝置的發(fā)電性能較好。③ 波高對振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置性能的影響。通過比較氣室高度一定、底坡角度一定、波高變化的情況下3組工況(03、10)、(06、11)和(09、12)的峰值電壓均值。發(fā)現(xiàn)隨著波高的減小，輸出電壓值減小，這說明在一定的范圍內(nèi)，波高對裝置的性能有明顯的影響。

事實(shí)上，在對振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置性能研究時，還需要對氣室高度、底坡角度、波高、周期以及不同氣室形狀參量的組合等對氣室工作性能的影響進(jìn)行更為深入的研究。本實(shí)驗(yàn)裝置選取了幾種典型工況進(jìn)行研究，旨在增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。本實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)與開發(fā)，可作為畢業(yè)設(shè)計(jì)題目、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課題等進(jìn)行研究。

3 結(jié) 語

通過振蕩水柱式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生掌握振蕩水柱式波浪發(fā)電基本原理，理解氣室形狀參量、波浪要素等對發(fā)電裝置性能的影響規(guī)律，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)電裝置的思考，還能使學(xué)生了解波浪能等新能源的開發(fā)現(xiàn)狀與前景，加深對海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造過程的認(rèn)識。此外，該實(shí)驗(yàn)需多人一組協(xié)同完成，鍛煉了學(xué)生的動手能力與團(tuán)隊(duì)合作能力?？傊ㄟ^該實(shí)驗(yàn)的開展，能夠培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，掌握思考問題、解決問題的方法，激發(fā)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，提高其綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力。

[1] 李允武.海洋能源開發(fā)[M]. 北京：海洋出版社，2008: 138-178.

[2] 紀(jì)君娜,劉 臻,紀(jì)立強(qiáng).振蕩水柱波能發(fā)電裝置氣室的三維數(shù)值模擬研究[J]. 海岸工程，2011,30(2): 7-13.

[3] 羊曉晟,曹守啟,侯淑榮,等.一種新型振蕩浮子式海洋波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)[J].上海海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2010,19(5)：698-702.

[4] 史宏達(dá)，高人杰，劉 臻，等．OWC裝置空氣透平壓降作用試驗(yàn)研究[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 42(6): 113-119.

[5] 任建莉,鐘英杰,張雪梅，等.海洋波能發(fā)電的現(xiàn)狀與前景[J]. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 5(1): 69-73.

[6] 馮其紅，胡 偉，王增寶．改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式--培養(yǎng)大學(xué)生的工程實(shí)踐能力[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2013，32(2): 130-132．

[7] 賴麗花，楊 偉，王效杰.創(chuàng)新型生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)平臺的建構(gòu)--以深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院動畫學(xué)院實(shí)訓(xùn)平臺為例[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(8): 395-399．

[8] 郭辛陽，史玉才，劉瑞文，等.鉆井及井控綜合性仿真實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34(10): 121-123．

[9] 付帥師，李愛芬，姚 軍，等.滲流物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K化教學(xué)改革初探[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34(10): 165-167．

[10] 孟凡立，孫 榮，徐 明．高校虛擬化數(shù)據(jù)中心建設(shè)探究[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(12): 62．

[11] 龐靜珠，丁彩虹，陳玉潔．實(shí)驗(yàn)室綜合管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(8): 204-205．

[12] 劉月琴,武 強(qiáng).岸式波力發(fā)電裝置水動力性能試驗(yàn)研究[J]. 海洋工程, 2002,20(4): 93-97.

[13] 梁賢光,孫培亞，游亞戈.汕尾100kW波力電站氣室模型性能試驗(yàn)[J]. 海洋工程, 2003, 21(1): 113-116.

[14] 段春明，朱永強(qiáng). 一種新型振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)[J].上海海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,22(3): 446-451.

[15] Delaure Y M C, Lewis A.3D hydrodynamic modeling of fixed oscillating water column wave power plant by a boundary element method[J]. Ocean Engineering, 2003, 30(3): 309-330.

[16] Liu Z, Jin J Y. Numerical analysis of wave field in OWC chamber using VOF model [J]. Journal of Ocean Technology and Engineering, 2008, 22(2): 1-6.

Design and Development of Experimental Oscillating Water Column Wave Energy Convertor

BAOXing-xian,WUZhou-miao

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

The experimental oscillating water column wave energy convertor with adjustable height of air chamber and angle of bottom slope is designed and manufactured in order to improve the students’ practical ability and cultivate the students’ innovative consciousness. During the experiments in wave tank, 12 typical cases are introduced, including 3 cases of height of air chamber, 3 cases of angle of bottom slope and 2 cases of wave height. Based on the experimental results of the 12 cases, the students can learn about the principle of the oscillating water column wave energy convertor, and the impact factors on the performance of the device, such as air chamber and wave parameters. Moreover, the students can think about the further optimization of the device. With the experiment, the understanding of students on the engineering application of the wave energy development and ocean engineering design and manufacture process is developed.

oscillating water column; wave energy convertor; experimental device; practical teaching

2015-12-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51309239); 2014年中國石油大學(xué)(華東)教改重點(diǎn)項(xiàng)目(SY-A201408)

包興先(1981-)，男，山東海陽人，博士，講師，現(xiàn)主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與可靠性分析研究。

Tel.:13864244536； E-mail:baoxingxian@163.com

P 743.2； G 642.423

A

1006-7167(2016)09-0051-03