振荡水柱波能发电装置的研究应用进展

刘德兴，郑艳娜，张佳星

(1.大连海洋大学 海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023;2.浙江运达风电股份有限公司，浙江 杭州 310021)



振荡水柱波能发电装置的研究应用进展

刘德兴1、2，郑艳娜1，张佳星1

(1.大连海洋大学 海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023;2.浙江运达风电股份有限公司，浙江 杭州 310021)

摘要:振荡水柱(oscillating water column,OWC)波浪发电装置因其具有结构简单、性能可靠等优点而成为目前世界上最为成功的波浪能转换装置。为促进中国对波浪能的开发，本研究中对国内外OWC波浪能发电装置的研究和开发应用进行了综述，尤其是近年来所提出的OWC波浪发电装置与防波堤相结合的新型式——OWC型防波堤，针对中国在OWC研发上存在的不足提出相应对策，并对OWC的未来发展趋势进行了展望，因地制宜地开发海岛、海洋平台等区域的波浪能将成为中国在该领域未来的研发方向。

关键词:振荡水柱(OWC)；波浪能；防波堤

海洋波浪能储量巨大，全球可开发的波浪能年储量可达2 TW[1]。相比于太阳能、风能等可再生能源，波浪能的能量密度约为风能的5倍、太阳能的15倍[2]。波浪储能总量远大于风能，在传播过程中只有很小的能量损失[3]，而且一年内90%(风能和太阳能为20%~30%)的时间都可以进行波浪发电[4]。此外，37%的世界人口居住在离海岸90 km的区域，因此，对波浪能的开发具有重要的现实意义。全球许多国家都有波浪能开发试验基地，英国、葡萄牙、澳大利亚等国已经建立了波浪能发电厂并成功供电[5]。这些波能发电装置可根据其布置形式进行分类，如基于海岸的Terminator，利用振荡水柱的LIMPET，形如海蛇的Attenuator，越浪式波龙Wave Dragon，还有点浮子式AquaBuoy。其中，基于振荡水柱(oscillating water column,OWC)原理所建的波浪发电装置目前最为成功，应用也最广泛。在中国，小型OWC航标灯已批量生产并出口，但大型OWC波浪能转换装置的研发进展缓慢，至今未实现并网。本研究中，介绍了OWC波浪能转换装置基本原理，并对国内外OWC波浪能发电装置的研发进行概述和展望。

1OWC波浪能转换原理及优点

目前,OWC波浪能发电装置是世界上应用最广的波浪能转换装置，其结构见图1。波浪能转换的工作原理是利用波浪的起伏带动OWC装置内水柱的振荡(即装置内自由水面的上下浮动)，从而压缩其气室内的空气，为防止排气口在水柱下降时倒流，可以设置并控制吸、排气阀的相应开启和关闭，或直接使用威尔士(Wells)透平，使交变气流整流成单向气流通过空气透平，带动发电机发电。

当该装置为连岸式时(图1)，后墙面与海岸和海床连为一体，相当于一个钢混结构的防波堤，保护着海岸免于海浪的冲刷；当该装置与浮式结构相结合，远离岸时又可发挥浮式防波堤的作用。由于其特殊的结构形式，相比于其他波浪能发电装置其具有以下优点：(1) 结构简单，没有太多的运动构件，可以减少波浪能转化过程中的能量损失；(2) 机械装置不跟海水直接接触，不易受到腐蚀；(3) 该装置的适应性强，可布置于海岸、近岸或离岸，可有效利用海洋空间；(4) 空气透平的使用不需要齿轮箱等传动装置，性能可靠，维护简单。

2OWC波浪发电装置的研究进展

1974年，Salter[6]首次发表了关于波浪能发电装置的研究论文，至今人类对波浪能发电的研究已有四十多年的历程。2008年，Cruz[7]对近四十年的研究历程进行了回顾。

图1　振荡水柱发电原理Fig.1　Schematic diagram of oscillating water column(OWC) converter

2.1透平装置

Wells透平是OWC装置的重要组成部分。Wells透平的发明解决了交变气流无法使涡轮单向转动的问题，大大简化了装置结构。Raghunathan[8]、Curran等[9]对透平及其运行效果进行了深入的研究，Curran等[9]还对不同布置形式下的透平效率进行了计算。如今几乎所有的OWC波浪发电装置都选择使用Wells透平。

2.2结构形式

在OWC结构的理论研究方面，早期主要有Evans[10-11]、Sarmento等[12]把OWC简化成一个刚性活塞，然后对波浪和OWC结构的相互作用进行了研究。传统OWC装置最大的缺点是其固有周期小于波浪周期，从而导致效率不高。为了解决该问题，人们在原基础上做了一些改进，从而使波浪在装置内能达到共振[13]。一种新型的U型OWC结构(U-OWC)被提出来，U-OWC有比传统OWC更大的固有周期，能更好地利用波浪能，甚至在涌浪或者风暴潮等大周期条件下也能适用[14]。

近十年来，OWC与沉箱防波堤相结合的型式受到研究人员的广泛青睐。Boccotti[15]对沉箱防波堤作为OWC装置进行了理论推导，并完成了相关物理试验研究[16]，证明了其可行性。Huang等[17]设计了一种打孔的防波堤沉箱作为OWC气室，并对其进行了试验研究。秦辉等[18]在普通的OWC防波堤上做了改进，提出了带收缩水道的沉箱防波堤兼作OWC装置的结构形式，并进行了数模和物模试验。

2.3数值模拟

随着计算机技术的发展，数值模拟方法逐渐被科研人员广泛应用。不少学者用计算流体力学(CFD)方法对其进行数值模拟，传统的方法主要是以数模-物模系相结合为主。Paixão等[19]利用数值模拟的方法对一种典型的OWC结构进行了研究，并利用物模进行验证，得出水雾对透平的影响，并通过改变透平前端结构减少水雾的损害；Luo等[20]建立了CFD数值模型，对非线性条件下固定式的OWC波浪发电装置转换效率进行了研究，并求出最优气室衰减系数；Nader等[21]基于有限元理论建立数值模型，对多气室OWC的气室排布进行研究，得出更为有效的排布方式。

随着商业软件的出现，越来越多的学者被其强大的稳定性和可靠性所吸引，不少学者由使用传统的数模-物模相结合的方法，转为采用数模-商用软件、物模-商用软件或者商业软件-商业软件相结合的方法。Teixeira等[22]基于N-S方程建立数值模型，对OWC气室内的水体自由表面压力进行研究，并用商业流体力学软件FLUENT进行了计算对比，最终提出一种对结构的优化方法；Bouali等[23]基于ANSYS-ICEMCFD软件和CFX软件分别建立了数值波浪水槽和数值模型，研究了二阶Stokes波浪条件下OWC气室结构和尺寸对波浪能转化的影响并提出优化方法。相比于物理模型试验，数值模拟成本低、操作方便、可重复性强，为OWC的结构优化设计带来了极大的便利。

3OWC波浪发电装置的应用进展

在人类不断地研究和探索中，OWC波浪能转化装置经历了从小型化向大型化的发展，也逐渐从近海向深海跨越。尽管困难重重，也经历了许多的失败，但依然有不少成功的案例代表着OWC波浪发电装置的应用进展。

3.1国外OWC装置的应用进展

(1) 小型OWC装置。据记载，OWC型装置的最早应用是19世纪作为导航的响哨浮标[24](whistling buoy),作为响铃浮标的继承，它通过发声进行导航。据1885年Scientific American报道，34台该设备被布置于美国东部沿海[25]。

1910年，法国人Praceique-Bochaux利用打气筒原理建了一个小型波浪发电装置向其海滨住宅供电[26]。1940年，波浪发电之父——益田善雄首次提出了OWC结构，并成功用于航标灯[27]。图2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[28]，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，但它们是最早实现商品化的波浪发电装备。

图2　浦贺浮式浮标灯[28]Fig.2　Uraga light buoy[28]

(2) 大型岸式OWC装置。1991年，Wavegen公司联合北爱尔兰女王大学在Islay岛安装了单机容量为75 kW的波力发电装置[29]。该装置在1991—2000年期间并网工作，退役之后其透平被放于慕尼黑德意志博物馆。与此同时，在亚洲建立了两个OWC原型电站：日本酒田港口60 kW OWC岸式波浪电站[30]和印度Trivandrum港125 kW波力电站[31]。在Islay岛OWC波浪发电装置的研发基础上，2000年11月Wavegen公司在原电厂附近建造了LIMPET发电厂[32]，如图3所示。与Islay原型不同，该装置处在大西洋季风风口上，额定功率达500 kW，并一直成功运行至今。同期，葡萄牙Electricidade dos Açores公司在皮库(Pico)岛建造了400 kW的OWC波浪电厂，该电厂隶属于葡萄牙波浪能研究中心，主要用于OWC发电装置的研发。

图3　LIMPET波浪发电厂图[33]Fig.3　LIMPET wave converter[33]

(3) 浮式OWC装置。经过不断地积累和发展，人们开始对深海区安装OWC波浪发电装置进行了探索。

在国际能源署的推动下，1976—1979年，由日本牵头，英国、加拿大、爱尔兰和美国共同参与的研发团队开始对浮式OWC发电装置进行试验，这就是闻名全球的“海明”号OWC波浪发电船，其长80 m，重800 t，8个额定功率为125 kW的OWC气室被安装于浮式结构上[34]。

近年来较为成功的是爱尔兰Ocean Energy公司于2006年开发的浮式波浪能发电装置。该装置经历了超过20 000 h的海上实况试验依然完好运行，记录中最恶劣海况为风速达25~30 m/s，波高8.2 m[35]。图4为该装置在恶劣海况下的试验场景。

图4　恶劣海况下的OWC[35]Fig.4　OWC in severe conditions[35]

澳大利亚Oceanlinx公司也开发了一种浮式OWC波能转换装置——MK3浮式OWC波浪能发电装置[36]。该装置的外形尺寸约为2.5 MW波能发电装置的三分之一，并于2010年5月安装在澳大利亚肯布蓝港外海，同时作为西侧的浮式防波堤。该装置已经并网运行，并将电能送往当地的Intergal Energy电网公司。

(4) OWC型防波堤。随着研发的不断深入，小型OWC波浪发电装置已成功商品化，而大型岸式和浮式OWC波浪发电装置由于成本高、经济效益低、部分技术还不够成熟等原因而一直处于试验阶段。OWC与防波堤的结合，增进了该装置被推广使用的可能性。

2011年夏天，Voith公司在西班牙北部Mutriku建成全球第一个成功向陆地供电的OWC型防波堤[37]，如图5所示。该装置发电功率约300 kW，可满足250个家庭的用电需求。机组设备包括16台功率为18.5 kW的Wells透平，还充分利用了现有的电网等基础设施，为OWC波浪能发电装置的研究和维护提供了一个很好的平台。

图5　穆特利库OWC型防波堤[37]Fig.5　OWC breakwater at Mutriku[37]

目前，Voith公司正计划在苏格兰Lewis岛的西北海岸建造一座连岸式的OWC型防波堤装置，该装置包含15个OWC单元，每个单元连接2个单机容量为132 kW的透平发电机，额定发电量可达4 MW。该项目将建成第一个全新建造的OWC防波堤发电厂，其电量的输出将使众多人受益，考虑到项目的建成将会对当地电网带来巨大影响，一系列其他相关的因素如电量的贮存、控制等都将被计划在项目内。此外，葡萄牙的若干港口也在计划将原防波堤改建为OWC防波堤[38]。

3.2国内OWC装置的应用进展

中国对OWC装置的研究与应用相比于西方国家起步较晚。20世纪80年代中期，中国研发了10 W的OWC型航标灯，之后又研发了60、100 W的OWC型航标灯。其中，10 W的OWC航标灯于2003年投入生产，该装置在中国沿海地区广泛使用，并出口多个国家[32]。从1987年开始研发3 kW岸式OWC波浪能发电装置，并于两年后在大万山岛建成。经过在实际大浪海况试验证明，透平的轴功率远远大于3 kW，发电效率较高。

1992—1996年，中国建成了20 kW岸式OWC波力发电装置[39]。该装置是与柴油发电机并联的一次尝试，最终因电能无法稳定输出而终止。但是通过实际海况的试验了解到，该装置有很不错的水动力性能。

同期，中国还首次研发出了一台千瓦级的浮式波浪力发电装置——5 kW后弯管OWC波浪发电船[40]。对该装置进行了18 d的海上实况试验，最大功率约1.8 kW，后因锚链断裂而不得不停止试验[32]；1997—2002年，中国研制了并网发电的岸式OWC波浪能电站，功率可达100 kW[41]。从2002年之后，中国对于振荡水柱的研发基本停止，大多数学者开始转向其他波浪能发电装置的研发。目前，主要停留在为数不多的一些大学和科研机构的理论和试验研究上[18，42]。

4OWC波浪发电装置的发展趋势

由于波浪发电的净成本比传统发电方式的成本要高，因此，商业开发价值目前仍然有限。运营和维护成本主要发生在产品运行一段时间以后，所以在波浪发电的研发和探索阶段，如何提高波浪能转化以增加电能的产出更为重要。国内外若干OWC波浪发电厂的建立使人们对这项技术有了更大的信心，但完成商业推广还需要较长的一个过程。

未来OWC波浪发电装置的发展趋势可总结为以下几方面：

(1) 研发内容。从全球范围来看，对于欧洲、澳大利亚、美国等一些波浪能储量丰富的国家来说，OWC波浪发电将逐步走向大型化，实现从千瓦级向兆瓦级的跨越，主要侧重并网型波浪发电装置的研发。中国波浪能资源相对西方国家不够丰富。根据2011年全球波浪资源分布的评估结果[43]来看，受地理位置的限制和季风的影响，中国近海每米波浪能年平均功率为3~7 kW，欧洲波浪能资源较好的国家每米波浪能年平均功率高达20~100 kW，中国近海的波浪能流密度远低于欧洲等国家。

鉴于中国波浪能资源的相对不足，中国未来的波浪能研发方向将侧重于海岛、岛礁等波浪能比较集中的地区，为传统电能不方便输送到的地区提供能源。由于海岛、岛礁等位置的特殊性，首先需要对波浪资源进行评估，一方面可以对几十年内的波浪资料进行总结分析，另一方面可应用MIKE21等商业软件，进行大陆架结构对波浪的影响预算，从而选出波浪资源相对丰富的位置；此外，在工程施工前，需要对附近海域的生物习性进行相应的考察和研究，尽可能减少工程对海上生物的伤害。

除了对海岛、海岛礁等区域的波浪能开发，利用OWC波浪发电装置与适合的海水淡化设备相耦合，可实现淡水生产和能源供给，利用波浪能等可再生能源替代传统能源进行海水淡化，也是前途十分广阔的发展方向。

(2) 研发结构。OWC发电装置与近海及深海工程结构物相结合，将是未来OWC发电装置结构研究的发展方向。近海设置防波堤的区域波浪一般都较大，这对安装OWC发电装置是十分有利的条件。虽然与防波堤相结合可以有效提高近海工程结构物的经济效用，但是由于OWC装置的加入，使得防波堤结构的稳定性会受到一定的影响。因此，一方面要从增加发电效率和消能作用的角度出发，对装置结构尺寸进行优化，另一方面要对结构的整体稳定性进行分析，找到相应海域最为经济的OWC型防波堤。

随着人类向海洋探索脚步的迈进，海洋结构物在逐渐向深海海域进军，如海洋平台、养殖网箱、浮式防波堤等，OWC发电装置可为结构物提供电能供应，实现其能源的自给自足。

(3) 研究方法。随着计算机技术的不断发展，基于CFD流体力学软件和各科研院所自主开发的程序将广泛应用于模拟仿真和数值计算，为物理模型实验和原型实验提供强有力的辅助作用，为OWC装置的设计与应用提供理论依据。从目前来看，由于装置气室的尺寸直接影响波浪的转化效果，大多数学者都专注于OWC的结构优化设计，通过对其结构的调整来研究波浪与OWC结构的耦合作用，但由于实际波浪条件下存在很多的非线性因素，纯粹的结构优化研究并不能十分准确地模拟波浪能的转化情况，而能量分析可以有效地涵盖非线性问题，因此，将能量分析方法与结构优化相结合将在未来结构设计中将被广泛采用。通过能量转化的研究可获得波频率、气室尺寸、顶部开孔大小等因子对能量转化影响的比重，从而确定影响最大的因子，与物理模型实验相结合共同为结构设计提供更为准确的理论指导。

(4) 研发方式。在科技飞速进步的今天，加强多方合作与交流，推进产学研一体化是OWC波浪发电研发的必然趋势。通过国际、国内高校和科研单位的相互合作，实现部分资源的共享和高效利用，减小国家或者单位的投资成本和风险，同时也能为该领域培养出综合型人才。可以建立跨学校的联合科研中心，在企业下属建立国家重点实验室，通过学生特别是工科学生在企业实习等方式推动科学研究、人才培养和科技成果转化的共同发展。

此外，OWC波浪能转化装置的研究涉及气象学、物理海洋学、流体力学、机械工程等多学科的交叉，其开发是一项漫长而又复杂的任务，因此，要不断地提高专业人才的素养，不仅要培养理论学习能力，更要培养对科研的信仰，坚持专项研究。政府应该增加对该领域研发的专项投入和扶持，使资金更为集中有效地发挥作用，为科研人员提供更好的科研设备和环境。

5结语

作为全球发展最好的OWC波浪能发电装置无疑是被广泛和深入研究的对象。OWC发电装置固定式结构的成功应用和浮式结构的实验成功，有力地证明了OWC波浪发电的科学性和可靠性，但目前仍存在发电成本过高的难题。因此，如何有效地提高能量转化效率、降低成本是未来研究和发展的方向。

OWC防波堤的成功应用为OWC的继续发展提供了一条新思路，也是未来一段时间内的主流。在欧洲逐步开发并网型波浪发电装置的同时，中国将因地制宜地开发海岛、海洋平台等区域的波浪能，为电力资源稀缺和不方便输电的地区提供电能。在能源日益紧缺的今天，通过研究的逐步深入和科研人员的不断积累，中国将逐渐减少与国外的差距，并逐渐将OWC技术转化为生产力。

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Research and application prospects of oscillating water column converter

LIU De-xing1,2, ZHENG Yan-na1, ZHANG Jia-xing1

(1.College of Marine and Civil Engineering, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China；2.Zhejiang Windey Company Limited, Hangzhou 310021,China)

Abstract：Oscillating water column (OWC) converter is the most widely used wave energy converter because of its simplicity and reliability. The research and application of OWC converter，especially the new-born structure-OWC breakwater, are described in the paper in order to promote the research and development of OWC in China. Finally, it is suggested that OWC converters be developed in islands or ocean platform in the future in China.

Key words：oscillating water column(OWC); wave energy; breakwater

通信作者：郑艳娜(1978—)， 女， 博士， 副教授。E-mail:zhengyn@dlou.edu.cn

作者简介：刘德兴(1988—)， 男， 硕士， 工程师。E-mail:liudexing@126.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51109022)；辽宁省自然科学基金资助项目(201202020)；辽宁省高等学校杰出青年学者成长计划(LJQ2012066)

收稿日期：2014-06-20

中图分类号：TK79

文献标志码：A

文章编号：2095-1388(2015)02-0231-06

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-1388.2015.02.023