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
Fig. 1 Energy level conversion diagram of oscillating water column图1 振荡水柱能级转换图 |
Fig. 2 Schematic diagram of oscillating water column图2 振荡水柱原理图 |
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
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]。
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
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
3.1 威尔斯透平
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
3.4 双透平系统
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。
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。
