摘 要:振蕩水柱（OWC）波浪能轉(zhuǎn)換裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、工作性能可靠和裝置壽命長等優(yōu)點,是一種主流的波浪能發(fā)電裝置。通過對OWC技術(shù)的發(fā)展過程進行分析總結(jié),全面介紹各類OWC技術(shù)及其發(fā)展趨勢。根據(jù)氣室腔體的工作狀態(tài)不同,將OWC裝置分成固定型OWC和振蕩型OWC,其中固定型可細分成岸基固定型、近岸固定型和漂浮錨固型。根據(jù)OWC裝置工作原理的不同,分類探討了OWC技術(shù)相關(guān)的研究成果,并總結(jié)了OWC技術(shù)的發(fā)展趨勢。分析了OWC波浪能轉(zhuǎn)換裝置中三種不同空氣透平的優(yōu)缺點,并介紹了一種高效可靠的雙單向透平系統(tǒng)。最后提出三種提高OWC發(fā)電效率的建議,并展望了OWC技術(shù)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞: 波浪能; 振蕩水柱; 空氣透平; 氣室腔體

0 引言

隨著石油危機的爆發(fā)和化石能源的不斷消耗, 人類對清潔可再生能源的需求迅速增長。地球表面70%以上的面積都是海洋[1], 海洋上的可再生能源種類眾多且儲量巨大, 其開發(fā)利用前景廣闊。

大多數(shù)波浪能發(fā)電裝置可根據(jù)其工作原理不同分成振蕩水柱式（oscillating water column, OWC）、越浪式和振蕩浮子式三種。其中OWC發(fā)展最早也較為成熟, 應(yīng)用也相對廣泛。OWC技術(shù)以空氣為能量轉(zhuǎn)換的媒介, 利用氣室內(nèi)水柱來推動空氣往復(fù)流動, 從而推動空氣透平旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)動機發(fā)電。本文介紹OWC波浪能轉(zhuǎn)換裝置的基本原理和目前OWC發(fā)電裝置的分類, 并對OWC發(fā)電裝置中的空氣透平結(jié)構(gòu)分類進行概述, 最后對未來OWC波浪能發(fā)電裝置進行展望。

1 OWC波浪能轉(zhuǎn)換原理及分類

OWC波浪能轉(zhuǎn)換裝置屬于氣動式波浪能轉(zhuǎn)換裝置, 其工作原理是海水在氣室里上下往復(fù)運動來壓縮和膨脹氣室內(nèi)空氣使其與外部大氣產(chǎn)生壓力差, 從而迫使氣室內(nèi)的氣體通過與外界大氣相接管道流出或流入, 管道中空氣透平被空氣推動旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機發(fā)電。波浪能從捕獲到發(fā)電需要經(jīng)過三級能量轉(zhuǎn)換：一級轉(zhuǎn)換為波浪能被捕能裝置捕獲, 二級轉(zhuǎn)換為將捕能裝置捕獲的能量通過能量轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成發(fā)電機所需的能量形式（機械能）, 三級轉(zhuǎn)換為通過發(fā)電機等發(fā)電設(shè)備將能量以電能形式輸出[2]。振蕩水柱能級轉(zhuǎn)換如圖1所示。

OWC波浪能裝置（圖2）的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單, 將空氣作為能量轉(zhuǎn)換媒介, 受控容易, 通過低成本的氣室將波浪的動能和勢能轉(zhuǎn)換成氣體的動能, 透平發(fā)電機組不直接與海水接觸, 避免了海水腐蝕和機組密封等問題[3], 提高了裝置在海洋環(huán)境下的壽命, 且安全可靠, 維護方便。但是OWC設(shè)備體積較大, 這導致其在安裝和運輸方面的不便。OWC以氣體為能量轉(zhuǎn)換媒介, 氣體頻繁地被壓縮和膨脹導致轉(zhuǎn)換效率低。

按照OWC裝置工作狀態(tài)的不同, 可將其分成固定型OWC和振蕩型OWC。固定型OWC在工作時裝置本身是基本不動的, 通過波浪作用于氣室內(nèi)部的水柱形成振蕩水柱, 從而使氣室內(nèi)空氣往復(fù)運動推動空氣透平旋轉(zhuǎn)。固定型OWC主要考慮氣室內(nèi)部水柱在波浪作用下的運動響應(yīng), 水柱主動振蕩運動, 可以作為單自由度振動系統(tǒng)進行研究。振蕩型OWC裝置整體漂浮在海上, 在工作時會隨著波浪搖蕩運動, 其氣室體積變化受浮體和水柱雙重運動影響輸出氣動功率, 從而驅(qū)動空氣透平旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機發(fā)電[4]。振蕩型OWC不僅要考慮氣室下方水柱的振蕩運動, 還應(yīng)著重考慮整個浮體在波浪作用下的運動響應(yīng), 重點研究水柱與氣室管道間的相對運動, 可作為多自由度受迫振動系統(tǒng)進行研究。

2 OWC波浪能發(fā)電技術(shù)進展

2.1 OWC裝置起源

據(jù)《科學美國人》（Scientific American）報道, 最早應(yīng)用OWC技術(shù)的裝置是1885年美國在沿海海岸部署的34個用作導航的吹氣式浮標[5]。日本海軍軍官益田善雄（Yoshio Masuda）被稱為現(xiàn)代波浪能之父。他開發(fā)了一種通過波浪能供電的導航浮標, 其工作原理就是OWC技術(shù)[6]。該浮標也成為第一個成功部署到海上并投入商業(yè)化使用的OWC裝置, 但由于設(shè)計浮子時約束其運動, 導致效率不高。

從20世紀70年代開始, OWC技術(shù)研發(fā)先后經(jīng)歷了多個發(fā)展階段, 包括初期階段（1998年之前）、發(fā)展階段（1998— 2012年）、低谷階段（2012— 2016年）、重新發(fā)展階段（2016年至今）[7]。日本[8]、英國[9]、澳大利亞[10]和中國[11]等許多沿海國家都完成了OWC波浪能發(fā)電裝置的示范, 系統(tǒng)功率從10 W到2 MW不等, 多安裝于海岸線的固定結(jié)構(gòu)上, 后來也發(fā)展了近海錨系的漂浮裝置。

2.2 OWC裝置分類

根據(jù)OWC裝置工作時氣室結(jié)構(gòu)的運動狀態(tài)不同將其分為固定型OWC和振蕩型OWC。固定型OWC可以按照其離岸遠近細分為岸基固定型、近岸固定型和漂浮錨固型; 振蕩型OWC包括后彎管式（backward bent duct buoy, BBDB）、中心管式、U型管式和斜管式。后彎管式和中心管式因其轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢成為目前的研究熱點, 本文主要對這兩種裝置進行詳細介紹。

2.2.1 固定型OWC

岸基固定型OWC依據(jù)海岸的有利地形建造安裝, 氣室前墻面朝波浪前進方向, 1999年葡萄牙在其亞速爾群島皮科島的海岸邊建成Pico發(fā)電裝置, 額定功率為400 kW, 但由于Pico發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)缺陷, 且安全性和環(huán)境條件均不足, 該裝置在2018年停止運行[12]。我國于2001年在廣東省汕尾市建成100 kW岸線OWC示范電站, 該電站是我國第一座并網(wǎng)波浪能電站, 電站采用岸式振蕩水柱波浪能發(fā)電技術(shù), 裝機功率達到100 kW[13]。固定型OWC轉(zhuǎn)換效率不高, 對地形要求高, 選址難度大。因此研究人員提出將電站結(jié)構(gòu)整合到用于海岸或港口保護的防波堤中的想法, 這樣設(shè)計既共享成本, 又使波浪能電站的施工、運行和維護變得更加容易。西班牙北部Mutriku港口實施了防波堤OWC項目（圖3）, 在防波堤上設(shè)計建造OWC設(shè)備, 該設(shè)備有16個氣室和16個威爾斯渦輪機, 并且每個渦輪機的額定功率為18.5 kW[14]。

近岸固定型OWC安裝在海岸附近海水較淺的海域, 其底部為直立結(jié)構(gòu)。由澳大利亞Oceanlinx公司建造的“ 綠波” （Green Wave）位于水深10 m的近海處[15]。根據(jù)海床的巖土特性, 使用鋼筋和混凝土將裝置固定在海底。2015年韓國在其濟州島Yongsoo建造了額定功率為500 kW的立式電站, 該電站底部與海床固定相連[16]。在近海海域的沉箱式防波堤也可以和OWC相結(jié)合, 日本坂田港首次成功建造OWC與沉箱防波堤的集成裝置（圖4）, 并于1989年開始發(fā)電。該裝置波浪能到空氣能的轉(zhuǎn)換效率為40% ~ 80%, 總效率為10% ~ 30%[17]。

漂浮錨固型OWC位于遠海海域, 設(shè)備體積較大, 用多條錨鏈將其系泊在海面, 保持設(shè)備整體基本不運動。雖然設(shè)備漂浮在海洋中, 但其工作時依靠其內(nèi)部水柱的上下振蕩, 因此將其劃分為固定型OWC。由日本海洋科學技術(shù)中心建造部署到海上的大型OWC設(shè)備— — “ 海明” 號（Kaimei）, 屬于漂浮錨固型, 如圖5（a）所示。“ 海明” 號是一艘大型船舶（80 m × 12 m, 排水量820 t）, 在船體中建造了13個OWC敞底艙, 每個艙的水平面面積為42 ~ 50 m2。1978— 1980年, 8臺單向空氣渦輪機在“ 海明” 號上進行了測試, 其具有各種整流閥布置; 1985— 1986年, 3臺單向渦輪機和兩臺自整流渦輪機進行了測試[18, 19]。后來的“ 巨鯨” 號（Mighty Whale）也是這一類型, 如圖5（b）所示, 其外形酷似一條鯨魚（50 m × 30 m, 排水量4 400 t）, 迎浪方向有3個氣室, 每一個氣室配備有一個威爾斯透平, 該裝置的額定功率為110 kW[4, 20]。

2.2.2 振蕩型OWC

振蕩型OWC可位于遠海海域, 整個浮體參與波浪能的俘獲, 屬于振蕩單浮體也可歸為振蕩浮子技術(shù), 浮體隨著波浪運動, 其氣室內(nèi)的水柱由于受波浪影響小以及受到慣性的作用, 導致水柱與浮體產(chǎn)生相對運動從而將波浪能轉(zhuǎn)換成氣室內(nèi)氣體的氣動能, 接著通過能量攝取（power take-off, PTO）系統(tǒng)將氣體的動能轉(zhuǎn)換成電能[21, 22]。

在1987年益田善雄提出后彎管技術(shù)之前, 研究人員先設(shè)計了管道開口面朝入射波的裝置, 但是在測試實驗?zāi)Ｐ蜁r, 發(fā)現(xiàn)前彎管的轉(zhuǎn)換效率并不理想, 后來發(fā)現(xiàn)后彎管的設(shè)計能獲得更好的性能[23]。后彎管由一個L形導管、一個浮力室、一個氣室和一個PTO系統(tǒng)組成（圖6）[24], 海水淹沒下方的管道, 管道開口背向入射波。后彎管裝置的縱蕩、垂蕩和縱搖運動以及水柱相對運動形成多自由度共振響應(yīng), 擴大了有效轉(zhuǎn)換的波周期范圍[25], 使得后彎管在較寬的周期范圍內(nèi)具有高捕獲寬度比（capture width ratio, CWR）。WU等[26]設(shè)計測試的BBDB波浪動力船利用單一結(jié)構(gòu)的縱蕩、垂蕩和縱搖運動來捕獲波浪能, 具有很高的CWR和很高的材料利用率, 在同等規(guī)模下, BBDB波浪動力船的建造費用約為“ 巨鯨” 號的三分之一（圖7）。

中心管最早出現(xiàn)在1885年的吹氣式航標燈上, 如圖8（a）所示。1947年日本人益田善雄發(fā)明了第一個基于中心管OWC原理的導航航標燈。圖8（b）即為當時基于OWC原理生產(chǎn)的浦賀航標燈。其成本和穩(wěn)定性都達到了商用標準, 該設(shè)備還設(shè)有自我保護裝置和充放電池, 當產(chǎn)出的電能超過使用量時就被儲存在電池內(nèi)以備不時之需。雖然這些裝置額定功率只有60 W, 只能滿足一只航標燈的用電需求, 但其為最早實現(xiàn)商品化的波浪發(fā)電裝置[27]。中心管裝置相較于其他OWC裝置具有獨特的性質(zhì), 即軸對稱性和結(jié)構(gòu)簡單。這使得裝置在工作時對于波的方向不敏感, 可轉(zhuǎn)換任意方向的波浪能[28]。中心管OWC是眾多OWC裝置中進行深入開發(fā)風險最低、最經(jīng)濟的選擇[27]。我國在1992年設(shè)計建造的中水道1號燈船波力發(fā)電裝置采用前開口直管和后彎管兩種振蕩水柱波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng), 經(jīng)過水池模型試驗后, 在瓊州海峽中水道1號標位成功進行了海上試驗, 實測裝置的輸出功率超出了額定功率, 運行良好[29]。

3 空氣透平技術(shù)

OWC裝置的傳動主角為空氣透平。在OWC裝置早期（益田善雄發(fā)明航標燈時期）使用的是傳統(tǒng)的單向空氣透平, OWC裝置上必須配備單向閥的整流系統(tǒng)。但是在后來的OWC大型機械中, 傳統(tǒng)單向透平的工作效率并不理想, “ 海明” 號上的單向空氣透平工作效率就證明了這一缺點。隨后發(fā)明的自整流空氣透平就被用于適配OWC裝置的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng), 目前提出和測試的大多數(shù)帶有自整流結(jié)構(gòu)的空氣透平分為威爾斯透平、丹尼斯透平和沖擊式透平三種類型[30]（圖9）。

3.1 威爾斯透平

威爾斯透平由艾倫· 阿瑟· 威爾斯（Alan Arthur Wells）博士在1976年發(fā)明。其轉(zhuǎn)矩對空氣流動方向并不敏感, 制造成本較低。威爾斯透平在轉(zhuǎn)子兩端設(shè)有兩排引流格柵, 對稱放置在轉(zhuǎn)子兩側(cè)。引流格柵可以改變空氣流動方向, 將兩個方向的空氣流動都轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的同一方向的轉(zhuǎn)矩[31]。威爾斯透平的自整流性質(zhì)很好地解決了OWC裝置的能量轉(zhuǎn)換時空氣雙向流動的難題, 且威爾斯透平的轉(zhuǎn)矩受空氣流動方向的影響很小, 其峰值轉(zhuǎn)速較高, 峰值效率也隨著高峰值轉(zhuǎn)速具有一定優(yōu)勢。但是威爾斯透平的啟動性能差, 在工作時產(chǎn)生的噪音污染是不可避免的[32]。

3.2 丹尼斯透平

丹尼斯空氣透平由澳大利亞Oceanlinx公司研究開發(fā), 是在轉(zhuǎn)子葉片上增加可變角度來讓空氣透平對于兩個方向的氣流實現(xiàn)同一方向的旋轉(zhuǎn)[33]。但是由于丹尼斯空氣透平的葉片增加了許多復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)以及角度改變需要額外消耗能量, 這導致了丹尼斯透平因使用壽命縮短以及故障率增加等問題而沒有被廣泛采用。

3.3 沖擊式透平

沖擊式透平與威爾斯透平的工作原理相似, 但其旋轉(zhuǎn)軸線是與氣流方向?qū)R的, 轉(zhuǎn)子葉片之間形成通道, 氣流從中間通道流動。兩端導葉的出口氣流角度與葉片的出口角度需要相等, 這樣才能保證氣流在流經(jīng)沖擊式空氣透平時, 動能損失降到最小。葉片的離心力較小, 噪音也相對小。在不規(guī)則波中, 沖擊式透平的轉(zhuǎn)換效率和啟動性能都優(yōu)于威爾斯透平[34]; 沖擊式透平相比于威爾斯透平還存在著過度沖角的問題, 這就需要對導葉進行優(yōu)化, 增加可變幾何結(jié)構(gòu)來改善這一問題[35]。沖擊式透平與威爾斯透平相比, 其轉(zhuǎn)速較低。

3.4 雙透平系統(tǒng)

RODRí GUEZ等[36]研究發(fā)現(xiàn), OWC裝置配備雙單向透平（圖10）可以成為替代自整流透平的可靠且具有競爭力的方案。兩個單向透平組裝在同一旋轉(zhuǎn)軸上。在這種布置中, 兩個透平根據(jù)大氣和OWC氣室之間的壓差交替發(fā)揮作用：第一種情況（出氣模式）是空氣透平1在氣室排出空氣時轉(zhuǎn)換能量, 此時空氣透平2起止回閥的作用, 防止空氣逆流; 第二種情況（吸氣模式）是空氣透平2在氣室吸入空氣時被驅(qū)動, 此時空氣透平1起防止空氣逆流的作用。雙單向透平可以減少空氣流入時的負扭矩影響, 并且在特定情況下優(yōu)化了轉(zhuǎn)子葉片后提高的效率甚至高于自整流透平。

4 OWC裝置發(fā)展趨勢

在OWC裝置發(fā)電的研發(fā)和探索階段, 如何提高波浪能轉(zhuǎn)換效率以增加電能的產(chǎn)出很重要。對此提出三個建議：一是OWC裝置從固定型單氣室向振蕩型雙氣室或多氣室發(fā)展; 二是對OWC裝置幾何結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化; 三是將OWC裝置與海洋工程結(jié)構(gòu)結(jié)合。

通過增加氣室的數(shù)量來提高OWC裝置俘獲波浪能的效率是最簡單直接的方法。NING等[37]研究了固定并排雙氣室的性能, 其由一對前后豎著排列的開放氣室組成（朝向入射波方向）, 相對于單氣室, 雙氣室的設(shè)計提高了整體的功率輸出。NING等[38]還提出了雙室浮動同心圓柱形OWC波浪能轉(zhuǎn)換器, 并且通過建模分析得出內(nèi)室與外室分別影響不同的波浪能頻域, 合理的腔室寬度能增加裝置的俘獲能力, 且浮動的結(jié)構(gòu)對于提升效率有一定作用。

相關(guān)研究結(jié)果表明, 在一定的波頻作用范圍內(nèi), 較寬大的氣室結(jié)構(gòu)、迎浪側(cè)較淺的浸沒深度和較薄的墻體厚度、背浪側(cè)較深的浸沒深度和較厚的墻體厚度的組合, 能夠有效地降低反射波能和透射波能的量, 極大地促進在更加寬闊的頻率帶范圍內(nèi)波能提取效率的提高[39, 40]。對OWC裝置幾何結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化可以從這幾個方面入手。

OWC裝置與海上風力發(fā)電裝置相結(jié)合方面, REN等[41]提出了一種將單樁式風力渦輪機和OWC波浪能轉(zhuǎn)換裝置相結(jié)合的設(shè)計, 通過仿真計算得出裝置波功率特性和OWC的最大PTO阻尼力。ZHOU等[42]研究發(fā)現(xiàn)OWC裝置的引入可以顯著降低單樁海上風力渦輪機的水平力和傾覆力矩, 并且在共振時波浪波高對OWC效率有顯著影響。

5 結(jié)束語

可再生能源在未來的能源結(jié)構(gòu)布局中必定占有舉足輕重的地位, 合理分配使用傳統(tǒng)能源, 著力開發(fā)新型可再生能源是發(fā)展大趨勢。波浪能作為可再生能源的一種, 應(yīng)用前景十分廣闊, 波浪能發(fā)電技術(shù)也將隨著科技的進步得到更加成熟的開發(fā)和利用。

目前已經(jīng)投入發(fā)電應(yīng)用的OWC發(fā)電裝置, 很好地證明了OWC波浪能發(fā)電的可行性和商業(yè)性, 但仍存在發(fā)電成本過高的難題。因此提高波浪能發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率以及降低制造、安裝和運行成本是未來研究和發(fā)展的方向。

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文章來源：新能源進展