碟形越浪式波能发电装置越浪性能的试验研究.pdf

第4 1 卷第3 期 2 0 1 1 年3 月 中国海洋大学学报 P E R I O D l C A LO FO C E ：A NU N I V E R S I T YO FC H I N A 4 1 ( 3 ) ：0 9 3 0 9 8 M a r ，2 0 1 l 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2 6 6 1 0 0 ) 摘要：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r 装置越浪量与入射波要素的变化关系，得到了不同十舷高度在各入射波要素下 装置的波能俘获能力。 关键词：碟形越浪式；物理模型试验；波浪要素；干舷高度；越浪件能 中图法分类号：T V 8 7 1 文献标志码：A文章编号： 1 6 7 2 5 1 7 4 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 9 3 0 6 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。1 9 8 0 年代以来，挪威L l j 、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 种波能发电装鼍。 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町供涡轮电机 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。其摹本工作原理为利用 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j ( F l o a t in gW a v eP o w e r ) ， 主要组成部分为1 个由4 个压载仓制成的漂浮式水 池，其特有的锚同系统町使船体正对波能最强的方向； 丹麦开发的龙式波能装置( w a v eD r a g o n ) L 8 j ，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2 0 0 不等；挪威开发的渐缩水道 式装置( T A P C H A N ) ，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莺要前提。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) 用于贮存越人池内 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，蓄水池将越人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 - 基金项目：国家高技术研究发展计划项目( 2 0 0 9 A A 0 5 2 4 2 7 ) ；山东省科技攻关计划项目( 2 0 1 0 G H Y l 0 5 0 8 ) ；教育部新教师基金项目 ( 2 0 0 9 0 1 3 2 1 2 0 0 1 5 ) 项日资助 收稿日期：2 0 1 0 0 4 1 0 ；修订f 1 期：2 0 1 0 0 8 1 0 作者简介：黄燕( 1 9 8 2 一) ，女，博士生。E - m a il ：h u a n g y o u ce d u cn * 通讯作者：E - m a il ：h d _ s h i O U C e d u ca 中国海洋大学学报 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 F ig 1 D e f in it io ns k e t cho fs a u ce r - l ik ew a v ee n e r g yco n v e r t o r 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一动能一电能能量转 换的装置 出水管。装置的各基本参数见图2 ，其中 h 。为干舷高度，h s 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，儿为 出水管管长，厶为出水管直径。 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 j 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 0r n ，蓄水池高度为4 0m ，干舷高度为2 0I T I 。 脯吵絮t 。w a y 既I 、 ，一、。 V 卅h 。7 一 h d出水管O U t l a Wd u e t 一 二 亭 _ 一 图2 装置的各基本参数 F ig 2T h ep a r a m e t e r so fS a u ce r - l ik ew a v ee n e r g yco n v e r t o r 表l 装置斜坡坡比S 的计算工况 T a b l e1T h eca l cu l a t io nco n d it io n so fs l o p in gr a t ioS 3 期黄燕，等：碟形越浪式波能发电装置越浪性能的试验研究 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 = l ：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 一1 ：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 一1 ：2 为初始设计坡比。 ， 蓦 越 碟 翅 霸 拱 图3 不同斜坡坡比对越浪量的影响( H = 2m ) F ig 3 E f f e ct so fs l o p in gr a t io so no v e r t o p p in g d is ch a r g e s ( H = 2m ) 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： P 1 0 g Q 见 e T e c ( 1 ) 其中，P 为发电功率，p 为水体密度，g 为重力加速 度，Q 为流量，H ，为发电水头，e 丁，e G 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5k W ，为了保证其发电功率，特采用额定功 率为1 0k W 的机组。取e 下= o 8 ，e T - = 0 9 ，发电水头维 持在1 8m ，由公式( 1 ) 可求出所需出水管流量为 0 8m 3 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z 轴，如图4 所示，则伯努利方程可写为： 科等+ 喾确+ 号+ 髫+ 髻 其中，2 1 ，z 2 为位置水头z l = l ，z 2 一一h 2 ；p 1 ，户2 为1 一l 和2 2 断面动水压强，P 。等于大气压强，p z 根 据静水面压强近似为r h z ，口，与a 。为动能修正系数，这 里取1 0 ；面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： Q = A 2 v z ( 3 ) 根据公式( 2 ) 和( 3 ) 可求得出水管管径为0 4 6m ， 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 8m 。 图4 装置水力计算示意图 F ig 4 S ch e m a t icd ia g r a mo fh y d r a u l icca l cu l a t io n 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 F ig 5 T h es e ct io ns iz eo fs a u ce r - l ik ew a v ee n e r g yco n v e r t o r 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5 0m ，宽3 0m ，深1 5m ，试验水深为0 7m 。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S G 2 0 0 0 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 o F S ) ，能够满足试验要求。 模型放置在离造波机3 5 0m 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5m 处，用来监控消波处的波浪吸收情况。 2 3 试验设计 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 T J T 2 3 4 2 0 0 1 L 1 0 ，根据试验波浪参 中国海洋大学学报 图6 波高仪与装置布置示意图 F ig 6 S k e t cho fe x p e r im e n t a ls e t - u p 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A ，一l ：2 0 。 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，模型通过配蘑块固定在支架上。 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 h i，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。 Q 一￥( 4 ) f 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h 。 表2 模型与原型尺寸的对比 T a b l e 2 C o m p a r is o no fm o d e la n dp r o t o t y p es iz e 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 0 7 5 与 0 0 5m ( 原型值为1 0 、1 5 与2 0m ) ，入射波周期为 1 3 4 、1 5 7 、L7 9 与2 0 1s ( 原型值为6 、7 、8 与9s ) 。 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h 。，分别是0 0 5 、0 1 与0 1 5m ( 原型值为l 、2 与3m ) 。 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 0 5 与0 1r n ( 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。对于舷高度为0 1 5m 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h 。一o 0 5m 时，越浪量均 在T 一1 5 7S 达到顶峰，继而随着周期的增大越浪量 下降；当干舷高度h 。一0 1m 时，越浪量均从T = 1 3 4s 开始随着周期增大而下降。 善l 嘲 媛 2 0 0 1 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 蔷1 0 0 咖8 0 螗6 0 4 0 2 0 O 入射波周期7 1 I n cid e n tw a v ep e r io d s 1 3 41 5 71 7 92 0 1 入射波周期7 I n cid e n tw a v ep e r io d s ( b ) l ：况2 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 F ig 7T h ein f l u e n ceo nt h ew a v eo v e r t o p p in gint h e d if f e r e n tin cid e n tw a v ep a r a m e t e r s 入射波波高：由图7 可以看到，干舷高度h 。一o 0 5 3 期黄燕，等：碟形越浪式波能发电装置越浪性能的试验研究 与0 11 T I 时，不同的入射波波高在各个人射波周期发 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 舷高度越高越浪繁越小，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h 。= 0 0 5m 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h 。一0 1 0m 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 人蓄水池，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h 。一0 1 5m 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 2 5 0 2 0 0 1 5 0 皇 墓瑚 堰 5 0 O 4 结论 5 0 0 4 5 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0 裟 避1 5 0 1 0 0 5 0 O 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h 。一o 0 5r r l 时，3 种波 高下平均越浪量均在入射波周期T = 1 5 7S 时达到最 大，然后随着周期的增大而减小；在干舷高度h 。一 0 1 0m 时，3 种波高下平均越浪量均从T 一1 3 4S 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 3 4 与1 5 7s 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 O 0 5m 时，只有h 。= 0 0 5r n 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 0 7 5 与 H = 0 1 0m 时，h 。= O 0 5 和0 1 0m 均发生了越浪，但 h 。一o 1 5m 在所有的波高下始终没有发生越浪。从数 值上分析，相同波高下千舷高度h 。一o 0 5m 时的越浪 量为h 。一0 1 0m 时的2 - - 一3 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，因此十舷高度要保持 在一定范围之内才能使装置的工作效率达到最优。 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 留3 0 0 斌 2 0 0 l O O O 入射波周期7 入射波J 主】期T入射波周期7 I n cid e n tw a v ep cr io d sI n cid e n tw a v ep e r io d sI n cid e n tw a v ep e r io d s 图83 种干舷高度在相同入射波波高下的越浪量 F ig 8T h ew a v eo v e r t o p p in go ft h r e ek in d so fh y d r oh e a dint h es a m ein cid e n tw a v eh e ig h t 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 千舷高度下，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 3 4 或1 5 7s ( 原型值为6 或7s ) ， 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 3 4 或1 5 7s ( 原 型值为6 或7s ) 时，越浪效果较好。 参考文献： 1 B cn k eK ，A m b l iN P r o t o t y p ew a v ep o w e rs t a t io n sinN o r w a y C M cC o r m ickM E ，K imY C e d it o r s P r o ce e d in g so fI n t e r n a t io n a lS y m p o s iu m0 nU t il iz a t io no fO ce a nW a v e s - W a v et oE n e r - - g YC o n v e r s io n L aJ o l l a ，C A ：A S C E ，1 9 8 6 ：3 4 4 5 2 O h n e d aH ，I g a r a s h iS ，S h in b o0 ，e ta 1 C o n s t r u ct io np r o ce d u r eo f aw a v ep o w e re x t r a ct in gca is s o nb r e a k w a t e r c T o k y o ：P r o 9 8 中国海洋大学学报 2011 年 3 4 5 6 ce e d in g so f3 r dS y m p o s iu m0 nO ce a nE n e r g yU t il iz a t io n ，1 9 9 1 ， 1 7 1 - 1 7 9 R a v in d r a nM ，K o o l aPME n e r g yf r o ms e aw a v e s - t h eI n d ia nw a v e e n e r g yp r o g r a m J C u r r e n tS ci1 9 9 1 ，6 0 ：6 7 6 6 8 0 W h it t a k e rTJT M cl w a in eSJ ，R a g h u n a t b a ns Ar e v ie wo ft h e I s l a ys h o r e l in ew a v ep o w e rs t a t io n c P r o ce e d in g so f ( F ir s t ) E u r o p e a nW a v eE n e r g yS y m p o s iu m ，U K ：E d in g b u r g h ，1 9 9 3 ： 2 8 3 - 2 8 6 F a l cd oA Fd eo T h es h o r e l in eo W Cw a v ep o w e rp l a n ta tt h eA - z o r e s C P r o ce e d in g so f4 t hE u r o p e a nW a v ea n dT id a lE n e r g y C o n f e r e n e e ，A a l b o r g ：D e n m a r k ，2 0 0 0 ：4 2 - 4 7 余志，蒋念东，游亚戈大万山岸式振荡水柱波力电站的输出功 率 J 海洋工程，1 9 9 6 ，1 4 ( 2 ) ：7 7 8 2 7 8 9 1 0 1 1 G L a g s t r o e m S e aP o w e rI n e r n a t io n a l ：F l o a t in gW a v eP o w e rV e s s e l ，F W P V W a v eP o w e r ：m o v in gt o w a r d sco m m e r cia lv ia b il it y L o n d o n c U K ：I n s t it u t io no fM e ch a n ica lE n g in e e r sS e m in a r 1 9 9 9 ：8 - 2 K o f o e dJP ，F r ig a a r dP ，F r iis - M a d s e nE S o r e n s e nH CP r o t o t y p et e s t in go ft h ew a v ee n e r g yco n v e r t e rw a v ed r a g o n J ，R e n e w a b l eE n e r g y ，2 0 0 6 ，3 1 ：1 8 1 1 8 9 L iuZ ，H y u nBS ，J inJY N u m e r ica lP r e d ict io nf o rO v e r t o p p in g P e r f o r m a n ceo fO W E C 口 J o u r n a lo ft h eK o r e a nS o cie t y ，2 0 0 8 ， 1 1 ( 1 ) ：3 5 - 4 1 波浪模型试验规程J T J T2 3 4 2 0 0 1 中华人民共和国交通部 李晓亮斜向和多向不规则波在斜坡堤上越浪量的研究 D 大 连：大连理工大学，2 0 0 8 E x p e r im e n t a lS t u d yo ft h eO v e r t o p p in gP e r f o r m a n ceo n S a u ce r Lik eW a v eE n e r g yC o n v e r t o r H U A N GY a n ，S H IH o n g D a ，L I UZ h e n ( S h a n d o n gP r o v in cia lK e yL a b o r a t o r yo fO ce a nE n g in e e r in g ，O ce a nU n iv e r s it yo fC h in a ，Q in g d a o2 6 6 1 0 0