振荡水柱波浪能发电技术研究进展

摘 要:振荡水柱（OWC）波浪能转换装置具有结构简单、工作性能可靠和装置寿命长等优点,是一种主流的波浪能发电装置。通过对OWC技术的发展过程进行分析总结,全面介绍各类OWC技术及其发展趋势。根据气室腔体的工作状态不同,将OWC装置分成固定型OWC和振荡型OWC,其中固定型可细分成岸基固定型、近岸固定型和漂浮锚固型。根据OWC装置工作原理的不同,分类探讨了OWC技术相关的研究成果,并总结了OWC技术的发展趋势。分析了OWC波浪能转换装置中三种不同空气透平的优缺点,并介绍了一种高效可靠的双单向透平系统。最后提出三种提高OWC发电效率的建议,并展望了OWC技术的发展前景。

关键词: 波浪能; 振荡水柱; 空气透平; 气室腔体

0 引言

随着石油危机的爆发和化石能源的不断消耗, 人类对清洁可再生能源的需求迅速增长。地球表面70%以上的面积都是海洋[1], 海洋上的可再生能源种类众多且储量巨大, 其开发利用前景广阔。

大多数波浪能发电装置可根据其工作原理不同分成振荡水柱式（oscillating water column, OWC）、越浪式和振荡浮子式三种。其中OWC发展最早也较为成熟, 应用也相对广泛。OWC技术以空气为能量转换的媒介, 利用气室内水柱来推动空气往复流动, 从而推动空气透平旋转带动发动机发电。本文介绍OWC波浪能转换装置的基本原理和目前OWC发电装置的分类, 并对OWC发电装置中的空气透平结构分类进行概述, 最后对未来OWC波浪能发电装置进行展望。

1 OWC波浪能转换原理及分类

OWC波浪能转换装置属于气动式波浪能转换装置, 其工作原理是海水在气室里上下往复运动来压缩和膨胀气室内空气使其与外部大气产生压力差, 从而迫使气室内的气体通过与外界大气相接管道流出或流入, 管道中空气透平被空气推动旋转带动发电机发电。波浪能从捕获到发电需要经过三级能量转换：一级转换为波浪能被捕能装置捕获, 二级转换为将捕能装置捕获的能量通过能量转换装置转换成发电机所需的能量形式（机械能）, 三级转换为通过发电机等发电设备将能量以电能形式输出[2]。振荡水柱能级转换如图1所示。

OWC波浪能装置（图2）的结构设计简单, 将空气作为能量转换媒介, 受控容易, 通过低成本的气室将波浪的动能和势能转换成气体的动能, 透平发电机组不直接与海水接触, 避免了海水腐蚀和机组密封等问题[3], 提高了装置在海洋环境下的寿命, 且安全可靠, 维护方便。但是OWC设备体积较大, 这导致其在安装和运输方面的不便。OWC以气体为能量转换媒介, 气体频繁地被压缩和膨胀导致转换效率低。

按照OWC装置工作状态的不同, 可将其分成固定型OWC和振荡型OWC。固定型OWC在工作时装置本身是基本不动的, 通过波浪作用于气室内部的水柱形成振荡水柱, 从而使气室内空气往复运动推动空气透平旋转。固定型OWC主要考虑气室内部水柱在波浪作用下的运动响应, 水柱主动振荡运动, 可以作为单自由度振动系统进行研究。振荡型OWC装置整体漂浮在海上, 在工作时会随着波浪摇荡运动, 其气室体积变化受浮体和水柱双重运动影响输出气动功率, 从而驱动空气透平旋转带动发电机发电[4]。振荡型OWC不仅要考虑气室下方水柱的振荡运动, 还应着重考虑整个浮体在波浪作用下的运动响应, 重点研究水柱与气室管道间的相对运动, 可作为多自由度受迫振动系统进行研究。

2 OWC波浪能发电技术进展

2.1 OWC装置起源

据《科学美国人》（Scientific American）报道, 最早应用OWC技术的装置是1885年美国在沿海海岸部署的34个用作导航的吹气式浮标[5]。日本海军军官益田善雄（Yoshio Masuda）被称为现代波浪能之父。他开发了一种通过波浪能供电的导航浮标, 其工作原理就是OWC技术[6]。该浮标也成为第一个成功部署到海上并投入商业化使用的OWC装置, 但由于设计浮子时约束其运动, 导致效率不高。

从20世纪70年代开始, OWC技术研发先后经历了多个发展阶段, 包括初期阶段（1998年之前）、发展阶段（1998— 2012年）、低谷阶段（2012— 2016年）、重新发展阶段（2016年至今）[7]。日本[8]、英国[9]、澳大利亚[10]和中国[11]等许多沿海国家都完成了OWC波浪能发电装置的示范, 系统功率从10 W到2 MW不等, 多安装于海岸线的固定结构上, 后来也发展了近海锚系的漂浮装置。

2.2 OWC装置分类

根据OWC装置工作时气室结构的运动状态不同将其分为固定型OWC和振荡型OWC。固定型OWC可以按照其离岸远近细分为岸基固定型、近岸固定型和漂浮锚固型; 振荡型OWC包括后弯管式（backward bent duct buoy, BBDB）、中心管式、U型管式和斜管式。后弯管式和中心管式因其转换效率高、结构简单等优势成为目前的研究热点, 本文主要对这两种装置进行详细介绍。

2.2.1 固定型OWC

岸基固定型OWC依据海岸的有利地形建造安装, 气室前墙面朝波浪前进方向, 1999年葡萄牙在其亚速尔群岛皮科岛的海岸边建成Pico发电装置, 额定功率为400 kW, 但由于Pico发电设备的结构缺陷, 且安全性和环境条件均不足, 该装置在2018年停止运行[12]。我国于2001年在广东省汕尾市建成100 kW岸线OWC示范电站, 该电站是我国第一座并网波浪能电站, 电站采用岸式振荡水柱波浪能发电技术, 装机功率达到100 kW[13]。固定型OWC转换效率不高, 对地形要求高, 选址难度大。因此研究人员提出将电站结构整合到用于海岸或港口保护的防波堤中的想法, 这样设计既共享成本, 又使波浪能电站的施工、运行和维护变得更加容易。西班牙北部Mutriku港口实施了防波堤OWC项目（图3）, 在防波堤上设计建造OWC设备, 该设备有16个气室和16个威尔斯涡轮机, 并且每个涡轮机的额定功率为18.5 kW[14]。

近岸固定型OWC安装在海岸附近海水较浅的海域, 其底部为直立结构。由澳大利亚Oceanlinx公司建造的“ 绿波” （Green Wave）位于水深10 m的近海处[15]。根据海床的岩土特性, 使用钢筋和混凝土将装置固定在海底。2015年韩国在其济州岛Yongsoo建造了额定功率为500 kW的立式电站, 该电站底部与海床固定相连[16]。在近海海域的沉箱式防波堤也可以和OWC相结合, 日本坂田港首次成功建造OWC与沉箱防波堤的集成装置（图4）, 并于1989年开始发电。该装置波浪能到空气能的转换效率为40% ~ 80%, 总效率为10% ~ 30%[17]。

漂浮锚固型OWC位于远海海域, 设备体积较大, 用多条锚链将其系泊在海面, 保持设备整体基本不运动。虽然设备漂浮在海洋中, 但其工作时依靠其内部水柱的上下振荡, 因此将其划分为固定型OWC。由日本海洋科学技术中心建造部署到海上的大型OWC设备— — “ 海明” 号（Kaimei）, 属于漂浮锚固型, 如图5（a）所示。“ 海明” 号是一艘大型船舶（80 m × 12 m, 排水量820 t）, 在船体中建造了13个OWC敞底舱, 每个舱的水平面面积为42 ~ 50 m2。1978— 1980年, 8台单向空气涡轮机在“ 海明” 号上进行了测试, 其具有各种整流阀布置; 1985— 1986年, 3台单向涡轮机和两台自整流涡轮机进行了测试[18, 19]。后来的“ 巨鲸” 号（Mighty Whale）也是这一类型, 如图5（b）所示, 其外形酷似一条鲸鱼（50 m × 30 m, 排水量4 400 t）, 迎浪方向有3个气室, 每一个气室配备有一个威尔斯透平, 该装置的额定功率为110 kW[4, 20]。

2.2.2 振荡型OWC

振荡型OWC可位于远海海域, 整个浮体参与波浪能的俘获, 属于振荡单浮体也可归为振荡浮子技术, 浮体随着波浪运动, 其气室内的水柱由于受波浪影响小以及受到惯性的作用, 导致水柱与浮体产生相对运动从而将波浪能转换成气室内气体的气动能, 接着通过能量摄取（power take-off, PTO）系统将气体的动能转换成电能[21, 22]。

在1987年益田善雄提出后弯管技术之前, 研究人员先设计了管道开口面朝入射波的装置, 但是在测试实验模型时, 发现前弯管的转换效率并不理想, 后来发现后弯管的设计能获得更好的性能[23]。后弯管由一个L形导管、一个浮力室、一个气室和一个PTO系统组成（图6）[24], 海水淹没下方的管道, 管道开口背向入射波。后弯管装置的纵荡、垂荡和纵摇运动以及水柱相对运动形成多自由度共振响应, 扩大了有效转换的波周期范围[25], 使得后弯管在较宽的周期范围内具有高捕获宽度比（capture width ratio, CWR）。WU等[26]设计测试的BBDB波浪动力船利用单一结构的纵荡、垂荡和纵摇运动来捕获波浪能, 具有很高的CWR和很高的材料利用率, 在同等规模下, BBDB波浪动力船的建造费用约为“ 巨鲸” 号的三分之一（图7）。

中心管最早出现在1885年的吹气式航标灯上, 如图8（a）所示。1947年日本人益田善雄发明了第一个基于中心管OWC原理的导航航标灯。图8（b）即为当时基于OWC原理生产的浦贺航标灯。其成本和稳定性都达到了商用标准, 该设备还设有自我保护装置和充放电池, 当产出的电能超过使用量时就被储存在电池内以备不时之需。虽然这些装置额定功率只有60 W, 只能满足一只航标灯的用电需求, 但其为最早实现商品化的波浪发电装置[27]。中心管装置相较于其他OWC装置具有独特的性质, 即轴对称性和结构简单。这使得装置在工作时对于波的方向不敏感, 可转换任意方向的波浪能[28]。中心管OWC是众多OWC装置中进行深入开发风险最低、最经济的选择[27]。我国在1992年设计建造的中水道1号灯船波力发电装置采用前开口直管和后弯管两种振荡水柱波浪能转换系统, 经过水池模型试验后, 在琼州海峡中水道1号标位成功进行了海上试验, 实测装置的输出功率超出了额定功率, 运行良好[29]。

3 空气透平技术

OWC装置的传动主角为空气透平。在OWC装置早期（益田善雄发明航标灯时期）使用的是传统的单向空气透平, OWC装置上必须配备单向阀的整流系统。但是在后来的OWC大型机械中, 传统单向透平的工作效率并不理想, “ 海明” 号上的单向空气透平工作效率就证明了这一缺点。随后发明的自整流空气透平就被用于适配OWC装置的能量转换系统, 目前提出和测试的大多数带有自整流结构的空气透平分为威尔斯透平、丹尼斯透平和冲击式透平三种类型[30]（图9）。

3.1 威尔斯透平

威尔斯透平由艾伦· 阿瑟· 威尔斯（Alan Arthur Wells）博士在1976年发明。其转矩对空气流动方向并不敏感, 制造成本较低。威尔斯透平在转子两端设有两排引流格栅, 对称放置在转子两侧。引流格栅可以改变空气流动方向, 将两个方向的空气流动都转换成转子的同一方向的转矩[31]。威尔斯透平的自整流性质很好地解决了OWC装置的能量转换时空气双向流动的难题, 且威尔斯透平的转矩受空气流动方向的影响很小, 其峰值转速较高, 峰值效率也随着高峰值转速具有一定优势。但是威尔斯透平的启动性能差, 在工作时产生的噪音污染是不可避免的[32]。

3.2 丹尼斯透平

丹尼斯空气透平由澳大利亚Oceanlinx公司研究开发, 是在转子叶片上增加可变角度来让空气透平对于两个方向的气流实现同一方向的旋转[33]。但是由于丹尼斯空气透平的叶片增加了许多复杂的机械结构以及角度改变需要额外消耗能量, 这导致了丹尼斯透平因使用寿命缩短以及故障率增加等问题而没有被广泛采用。

3.3 冲击式透平

冲击式透平与威尔斯透平的工作原理相似, 但其旋转轴线是与气流方向对齐的, 转子叶片之间形成通道, 气流从中间通道流动。两端导叶的出口气流角度与叶片的出口角度需要相等, 这样才能保证气流在流经冲击式空气透平时, 动能损失降到最小。叶片的离心力较小, 噪音也相对小。在不规则波中, 冲击式透平的转换效率和启动性能都优于威尔斯透平[34]; 冲击式透平相比于威尔斯透平还存在着过度冲角的问题, 这就需要对导叶进行优化, 增加可变几何结构来改善这一问题[35]。冲击式透平与威尔斯透平相比, 其转速较低。

3.4 双透平系统

RODRÍ GUEZ等[36]研究发现, OWC装置配备双单向透平（图10）可以成为替代自整流透平的可靠且具有竞争力的方案。两个单向透平组装在同一旋转轴上。在这种布置中, 两个透平根据大气和OWC气室之间的压差交替发挥作用：第一种情况（出气模式）是空气透平1在气室排出空气时转换能量, 此时空气透平2起止回阀的作用, 防止空气逆流; 第二种情况（吸气模式）是空气透平2在气室吸入空气时被驱动, 此时空气透平1起防止空气逆流的作用。双单向透平可以减少空气流入时的负扭矩影响, 并且在特定情况下优化了转子叶片后提高的效率甚至高于自整流透平。

4 OWC装置发展趋势

在OWC装置发电的研发和探索阶段, 如何提高波浪能转换效率以增加电能的产出很重要。对此提出三个建议：一是OWC装置从固定型单气室向振荡型双气室或多气室发展; 二是对OWC装置几何结构形式的优化; 三是将OWC装置与海洋工程结构结合。

通过增加气室的数量来提高OWC装置俘获波浪能的效率是最简单直接的方法。NING等[37]研究了固定并排双气室的性能, 其由一对前后竖着排列的开放气室组成（朝向入射波方向）, 相对于单气室, 双气室的设计提高了整体的功率输出。NING等[38]还提出了双室浮动同心圆柱形OWC波浪能转换器, 并且通过建模分析得出内室与外室分别影响不同的波浪能频域, 合理的腔室宽度能增加装置的俘获能力, 且浮动的结构对于提升效率有一定作用。

相关研究结果表明, 在一定的波频作用范围内, 较宽大的气室结构、迎浪侧较浅的浸没深度和较薄的墙体厚度、背浪侧较深的浸没深度和较厚的墙体厚度的组合, 能够有效地降低反射波能和透射波能的量, 极大地促进在更加宽阔的频率带范围内波能提取效率的提高[39, 40]。对OWC装置几何结构形式的优化可以从这几个方面入手。

OWC装置与海上风力发电装置相结合方面, REN等[41]提出了一种将单桩式风力涡轮机和OWC波浪能转换装置相结合的设计, 通过仿真计算得出装置波功率特性和OWC的最大PTO阻尼力。ZHOU等[42]研究发现OWC装置的引入可以显著降低单桩海上风力涡轮机的水平力和倾覆力矩, 并且在共振时波浪波高对OWC效率有显著影响。

5 结束语

可再生能源在未来的能源结构布局中必定占有举足轻重的地位, 合理分配使用传统能源, 着力开发新型可再生能源是发展大趋势。波浪能作为可再生能源的一种, 应用前景十分广阔, 波浪能发电技术也将随着科技的进步得到更加成熟的开发和利用。

目前已经投入发电应用的OWC发电装置, 很好地证明了OWC波浪能发电的可行性和商业性, 但仍存在发电成本过高的难题。因此提高波浪能发电的转换效率以及降低制造、安装和运行成本是未来研究和发展的方向。

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文章来源：新能源进展