[科普中国]-越浪式波能发电装置

简介

越浪式波能发电装置(OverLopping Wave Energy Convertor, OWEC)通过斜坡式引浪面将不稳定的波浪能转化为蓄水池内较为稳定的势能拟技术对该装置的越浪性，进而带动出水管内水轮电机转动，产生电能。木文采用基于计算流体力学软件的二维数值模式海堤的越浪性能进行模拟进行研究，通过构建基于水气两相VOF ( Volume of Fluid)，模型的二维数值波浪水槽，对斜坡验证了该数值波浪水槽可用于越浪性能的研究。通过考察干舷高度、淹没深度等参数对越浪性能的影响，综合考虑越浪性能及低水头发电机的工作要求，最终给出优化的干舷高度、淹没深度尺寸。

当前，加强海洋能等清洁、可再生能源的开发己成为解决日益紧张的能源危机和环境问题的必由之路。与其他海洋能的开发方式相比，波能发电具有能量转换原理简单，建造和维护方便，便于进行群体化、密集型开发的优点。越浪式波能发电装置较其他形式的波能转换装置有其明显优势，引浪而及蓄水池提供的稳定水头，将不稳定的波浪能转换为平稳而持续输出的电能，可克服波能发电过程中输出功率不稳定的问题。同时，该装置可与防波堤等海工建筑物联合开发，从而大大降低投入成本。

越浪型波能发电装置己成为世界各国的研究热点。海洋能特别是波浪能的开发利用越来越引起各国学者的兴趣，波浪能的开发利用能够缓解目前一次性能源的过度消耗，并且波浪能属于绿色能源，对环境保护也有重大益处。我国沿海岛屿众多，远海小岛远离大陆能源得不到供应，所以这些小岛上都没有人居住，从陆地运送资源成本太高，而的小型的越浪式波能发电装置能够解决这一难题。 的小型装置具有能量转换量大、转换效率高、适应性好等特点，制作成本低，特别适用于远陆小岛。在现有小型波能发电装置的基础上，创新的了采用共振的方法来提高发电装置的势能转换量，从而可以采用更大水头的水轮机。众所周知，现有的越浪式波能发电装置都是岸式或者紧紧地锚固到海底，在某一潮汐平面上，现有的这种装置确实能够有效的发电，但是，由于潮起潮落，海平面的高度差变化很大，海平面较高时，海水将完全浸没发电装置，此时波能发电即装置将不起作用便是有潮汐存在。共振式波能发电原理，装置将随着海平面起伏发电装置仍旧能够提供较高的发电效率。

国内外研究现状当前，加强海洋能等清洁、可再生能源的开发己成为解决日益紧张的能源危机和环境问题的必由之路。与其他海洋能的开发方式相比，波能发电具有能量转换原理简单，建造和维护方便，便于进行群体化、密集型开发的优点。越浪式波能发电装置较其他形式的波能转换装置有其明显优势，引浪而及蓄水池提供的稳定水头，将不稳定的波浪能转换为平稳而持续输出的电能，可克服波能发电过程中输出功率不稳定的问题。同时，该装置可与防波堤等海工建筑物联合开发，从而大大降低投入成本。

越浪型波能发电装置己成为世界各国的研究热点。其中，挪威波能公司(Norwave A. S.)于1985年在挪威MOWC电站附近建造了一座装机容量为350kW的渐缩水道式(TAPCHAN)聚波水库电站，以渐缩水道使波浪涌入时提高水位，越过在峭壁上所建筑的蓄水池而储存海水，以便增加落差使水轮机效率提高。龙式波能装置( Wave Dragon)是由丹麦开发的一种离岸越浪式波能转换装置，曲线形的反射壁将入射波聚集到坡道上，波浪越过坡道后进入蓄水池，利用低水头轴流式机组发电，该装置对不同的极值海况具有较好的适应能力。西韦夫槽锥发电装置是挪威波能公司开发的新型越浪式波能转换装置，该装置利用混凝土结构的三个腔室存储越浪带来的海水，将波浪的动能转换为势能，利用海水回流时的动能带动多级透平发电机组发电。

近几年来，数值模拟成为研究波浪运动的重要手段。基于非线性浅水方程的一维有限体积模型，该模型可用于模拟波浪在破碎带的传播及防波堤的越浪。随着计算机运行速度和存储能力的大幅提高，计算机软件水平突飞猛进，基于VOF模型的雷诺时均方程在波浪运动的模拟方而也得到了广泛应用。HieuCs7Hieu等建立了基于VOF模型的数值波浪水槽，这些波浪水槽均可用于波浪浅水变形、破碎、反射等传播过程的模拟。

VOF模型可有效模拟复杂波况下的水气相互作用并较为精确追踪自由水而水质点的运动。经比较，建的二维数值波浪水槽在模拟斜坡堤越浪性能时与Savilled等的试验结果吻合较好。越浪量及工作水头为影响OWEC装置一次波能转化率的关键要素在兼顾工作水头的同时，将重点考察装置的越浪性能。通过考察干舷高度、淹没深度等形状参量，得到越浪量与之对应的变化趋势，并最终得到相关参量的优化推荐值。

越浪式波能发电装置(OWEC)越浪式波能发电装置外形及尺寸示意如图1所示。该装置由斜坡式引浪而、蓄水池及出水管三部分组成，入射波在传播过程中遇到引浪而的阻挡，沿引浪而爬升并越入蓄水池内，蓄水池将不稳定的波浪能储存为稳定的势能，此为能量的一次转化过程;在内外水头差的作用下，蓄水池内的水流沿出水管流动，带动水轮机转动，从而带动发电机工作产生电能，此为能量的二次转换过程。

重点考察一次转能过程中的越浪性能，故数值计算中，建立出水管封闭的OWEC模型进行越浪性能的对比分析。数值波浪水槽长200 m，左侧为造波边界，右侧为消波的开边界。影响越浪性能的参数有入射波高H、入射波周期T、干舷高度从、淹没深度H。及引浪而的斜率S。前期的研究结果表明:当入射波高H= 1 m时，波浪难以越过引浪而进入蓄水池，研究中取入射波高H = 2 m，引浪而坡度S=1:20.OWEC越浪性能同时受入射波周期的影响，入射波周期选取工程中常见的T=45、65进行研究，并考察干舷高度及淹没深度对装置越浪性能的影响。

干舷高度对越浪性能的影响干舷高度对OWEC的越浪性影响较为明显，一方而，受干舷高度影响的发电水头直接决定装置的输出功率，水头高则装置输出功率大，反之则输出功率小;另一方而，干舷高度过大则不利于波浪爬高进行越浪。因此，应选取合适的干舷高度，使其在获取足够越浪量的同时能满足发电水头的要求。此部分研究中假定装置的淹没深度H。取定值2. 0m .

当周期为4s时，不同干舷高度下一个周期内的越浪过程如图4 -6所示。由图可以看出，不同干舷高度下越浪现象的共同之处在于，波浪均在引浪而坡脚处破碎，波浪中掺入空气，部分波能在破碎过程中损失掉，剩余波浪沿引浪而爬升，越入蓄水池中。由图4可以看出，当拭=1.0m时，波浪易于爬升并越入蓄水池中，越浪效果明显;而随着干舷高度的增大，波浪爬升及越浪的难度系数亦增大，能够爬升至引浪而顶端并越入蓄水池的波浪相对较少。

淹没深度对越浪性能的影响引浪而的淹没深度H。是影响OWEC装置越浪性能的另一重要参数。水而以下引浪而的主要作用在于抬升入射波浪，使入射波沿引浪而爬升最终越入蓄水池中，淹没深度过小则不利于抬升收集波浪，而过大则增加投入成本，故应选取合适的淹没深度。选取不同的淹没深度H。以研究引浪而淹没长度对越浪性能的影响。

数模试验中，H。的取值范围为0.5 m -4. 0 m，引浪而坡度S=1:2，干舷高度拭取定值2m.

图8-10为不同淹没深度下一个周期内的越浪过程，由图可以看出，当H。数值较小时，入射波在抵达引浪而坡脚时己经破碎，波浪中掺入空气，部分波能伴随着破碎及气泡的掺入而耗散，此部分波浪难以爬至引浪而顶端并越入蓄水池内，因此，淹没深度过小时不利于波能的收集;当H>1.5m时，不同淹没深度下的越浪现象基本一致，均表现为波浪在坡脚处未发生破碎，未有气泡掺入波浪中，波浪沿着引浪而爬升并越入蓄水池中，完成动能到势能的能量转换过程，此部分波能易于收集。