振蕩水柱波能發(fā)電裝置的研究應(yīng)用進(jìn)展

劉德興，鄭艷娜，張佳星

(1.大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023;2.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州 310021)

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振蕩水柱波能發(fā)電裝置的研究應(yīng)用進(jìn)展

劉德興1、2，鄭艷娜1，張佳星1

(1.大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023;2.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州 310021)

摘要:振蕩水柱(oscillating water column,OWC)波浪發(fā)電裝置因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)而成為目前世界上最為成功的波浪能轉(zhuǎn)換裝置。為促進(jìn)中國(guó)對(duì)波浪能的開(kāi)發(fā)，本研究中對(duì)國(guó)內(nèi)外OWC波浪能發(fā)電裝置的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用進(jìn)行了綜述，尤其是近年來(lái)所提出的OWC波浪發(fā)電裝置與防波堤相結(jié)合的新型式——OWC型防波堤，針對(duì)中國(guó)在OWC研發(fā)上存在的不足提出相應(yīng)對(duì)策，并對(duì)OWC的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，因地制宜地開(kāi)發(fā)海島、海洋平臺(tái)等區(qū)域的波浪能將成為中國(guó)在該領(lǐng)域未來(lái)的研發(fā)方向。

關(guān)鍵詞:振蕩水柱(OWC)；波浪能；防波堤

海洋波浪能儲(chǔ)量巨大，全球可開(kāi)發(fā)的波浪能年儲(chǔ)量可達(dá)2 TW[1]。相比于太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源，波浪能的能量密度約為風(fēng)能的5倍、太陽(yáng)能的15倍[2]。波浪儲(chǔ)能總量遠(yuǎn)大于風(fēng)能，在傳播過(guò)程中只有很小的能量損失[3]，而且一年內(nèi)90%(風(fēng)能和太陽(yáng)能為20%~30%)的時(shí)間都可以進(jìn)行波浪發(fā)電[4]。此外，37%的世界人口居住在離海岸90 km的區(qū)域，因此，對(duì)波浪能的開(kāi)發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。全球許多國(guó)家都有波浪能開(kāi)發(fā)試驗(yàn)基地，英國(guó)、葡萄牙、澳大利亞等國(guó)已經(jīng)建立了波浪能發(fā)電廠并成功供電[5]。這些波能發(fā)電裝置可根據(jù)其布置形式進(jìn)行分類，如基于海岸的Terminator，利用振蕩水柱的LIMPET，形如海蛇的Attenuator，越浪式波龍Wave Dragon，還有點(diǎn)浮子式AquaBuoy。其中，基于振蕩水柱(oscillating water column,OWC)原理所建的波浪發(fā)電裝置目前最為成功，應(yīng)用也最廣泛。在中國(guó)，小型OWC航標(biāo)燈已批量生產(chǎn)并出口，但大型OWC波浪能轉(zhuǎn)換裝置的研發(fā)進(jìn)展緩慢，至今未實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。本研究中，介紹了OWC波浪能轉(zhuǎn)換裝置基本原理，并對(duì)國(guó)內(nèi)外OWC波浪能發(fā)電裝置的研發(fā)進(jìn)行概述和展望。

1OWC波浪能轉(zhuǎn)換原理及優(yōu)點(diǎn)

目前,OWC波浪能發(fā)電裝置是世界上應(yīng)用最廣的波浪能轉(zhuǎn)換裝置，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。波浪能轉(zhuǎn)換的工作原理是利用波浪的起伏帶動(dòng)OWC裝置內(nèi)水柱的振蕩(即裝置內(nèi)自由水面的上下浮動(dòng))，從而壓縮其氣室內(nèi)的空氣，為防止排氣口在水柱下降時(shí)倒流，可以設(shè)置并控制吸、排氣閥的相應(yīng)開(kāi)啟和關(guān)閉，或直接使用威爾士(Wells)透平，使交變氣流整流成單向氣流通過(guò)空氣透平，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

當(dāng)該裝置為連岸式時(shí)(圖1)，后墻面與海岸和海床連為一體，相當(dāng)于一個(gè)鋼混結(jié)構(gòu)的防波堤，保護(hù)著海岸免于海浪的沖刷；當(dāng)該裝置與浮式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，遠(yuǎn)離岸時(shí)又可發(fā)揮浮式防波堤的作用。由于其特殊的結(jié)構(gòu)形式，相比于其他波浪能發(fā)電裝置其具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有太多的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，可以減少波浪能轉(zhuǎn)化過(guò)程中的能量損失；(2) 機(jī)械裝置不跟海水直接接觸，不易受到腐蝕；(3) 該裝置的適應(yīng)性強(qiáng)，可布置于海岸、近岸或離岸，可有效利用海洋空間；(4) 空氣透平的使用不需要齒輪箱等傳動(dòng)裝置，性能可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單。

2OWC波浪發(fā)電裝置的研究進(jìn)展

1974年，Salter[6]首次發(fā)表了關(guān)于波浪能發(fā)電裝置的研究論文，至今人類對(duì)波浪能發(fā)電的研究已有四十多年的歷程。2008年，Cruz[7]對(duì)近四十年的研究歷程進(jìn)行了回顧。

圖1　振蕩水柱發(fā)電原理Fig.1　Schematic diagram of oscillating water column(OWC) converter

2.1透平裝置

Wells透平是OWC裝置的重要組成部分。Wells透平的發(fā)明解決了交變氣流無(wú)法使渦輪單向轉(zhuǎn)動(dòng)的問(wèn)題，大大簡(jiǎn)化了裝置結(jié)構(gòu)。Raghunathan[8]、Curran等[9]對(duì)透平及其運(yùn)行效果進(jìn)行了深入的研究，Curran等[9]還對(duì)不同布置形式下的透平效率進(jìn)行了計(jì)算。如今幾乎所有的OWC波浪發(fā)電裝置都選擇使用Wells透平。

2.2結(jié)構(gòu)形式

在OWC結(jié)構(gòu)的理論研究方面，早期主要有Evans[10-11]、Sarmento等[12]把OWC簡(jiǎn)化成一個(gè)剛性活塞，然后對(duì)波浪和OWC結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)OWC裝置最大的缺點(diǎn)是其固有周期小于波浪周期，從而導(dǎo)致效率不高。為了解決該問(wèn)題，人們?cè)谠A(chǔ)上做了一些改進(jìn)，從而使波浪在裝置內(nèi)能達(dá)到共振[13]。一種新型的U型OWC結(jié)構(gòu)(U-OWC)被提出來(lái)，U-OWC有比傳統(tǒng)OWC更大的固有周期，能更好地利用波浪能，甚至在涌浪或者風(fēng)暴潮等大周期條件下也能適用[14]。

近十年來(lái)，OWC與沉箱防波堤相結(jié)合的型式受到研究人員的廣泛青睞。Boccotti[15]對(duì)沉箱防波堤作為OWC裝置進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并完成了相關(guān)物理試驗(yàn)研究[16]，證明了其可行性。Huang等[17]設(shè)計(jì)了一種打孔的防波堤沉箱作為OWC氣室，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究。秦輝等[18]在普通的OWC防波堤上做了改進(jìn)，提出了帶收縮水道的沉箱防波堤兼作OWC裝置的結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行了數(shù)模和物模試驗(yàn)。

2.3數(shù)值模擬

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法逐漸被科研人員廣泛應(yīng)用。不少學(xué)者用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，傳統(tǒng)的方法主要是以數(shù)模-物模系相結(jié)合為主。Paix?o等[19]利用數(shù)值模擬的方法對(duì)一種典型的OWC結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并利用物模進(jìn)行驗(yàn)證，得出水霧對(duì)透平的影響，并通過(guò)改變透平前端結(jié)構(gòu)減少水霧的損害；Luo等[20]建立了CFD數(shù)值模型，對(duì)非線性條件下固定式的OWC波浪發(fā)電裝置轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了研究，并求出最優(yōu)氣室衰減系數(shù)；Nader等[21]基于有限元理論建立數(shù)值模型，對(duì)多氣室OWC的氣室排布進(jìn)行研究，得出更為有效的排布方式。

隨著商業(yè)軟件的出現(xiàn)，越來(lái)越多的學(xué)者被其強(qiáng)大的穩(wěn)定性和可靠性所吸引，不少學(xué)者由使用傳統(tǒng)的數(shù)模-物模相結(jié)合的方法，轉(zhuǎn)為采用數(shù)模-商用軟件、物模-商用軟件或者商業(yè)軟件-商業(yè)軟件相結(jié)合的方法。Teixeira等[22]基于N-S方程建立數(shù)值模型，對(duì)OWC氣室內(nèi)的水體自由表面壓力進(jìn)行研究，并用商業(yè)流體力學(xué)軟件FLUENT進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比，最終提出一種對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法；Bouali等[23]基于ANSYS-ICEMCFD軟件和CFX軟件分別建立了數(shù)值波浪水槽和數(shù)值模型，研究了二階Stokes波浪條件下OWC氣室結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)波浪能轉(zhuǎn)化的影響并提出優(yōu)化方法。相比于物理模型試驗(yàn)，數(shù)值模擬成本低、操作方便、可重復(fù)性強(qiáng)，為OWC的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的便利。

3OWC波浪發(fā)電裝置的應(yīng)用進(jìn)展

在人類不斷地研究和探索中，OWC波浪能轉(zhuǎn)化裝置經(jīng)歷了從小型化向大型化的發(fā)展，也逐漸從近海向深海跨越。盡管困難重重，也經(jīng)歷了許多的失敗，但依然有不少成功的案例代表著OWC波浪發(fā)電裝置的應(yīng)用進(jìn)展。

3.1國(guó)外OWC裝置的應(yīng)用進(jìn)展

(1) 小型OWC裝置。據(jù)記載，OWC型裝置的最早應(yīng)用是19世紀(jì)作為導(dǎo)航的響哨浮標(biāo)[24](whistling buoy),作為響鈴浮標(biāo)的繼承，它通過(guò)發(fā)聲進(jìn)行導(dǎo)航。據(jù)1885年Scientific American報(bào)道，34臺(tái)該設(shè)備被布置于美國(guó)東部沿海[25]。

1910年，法國(guó)人Praceique-Bochaux利用打氣筒原理建了一個(gè)小型波浪發(fā)電裝置向其海濱住宅供電[26]。1940年，波浪發(fā)電之父——益田善雄首次提出了OWC結(jié)構(gòu)，并成功用于航標(biāo)燈[27]。圖2即為當(dāng)時(shí)基于OWC原理生產(chǎn)的浦賀航標(biāo)燈，其成本和穩(wěn)定性都達(dá)到了商用標(biāo)準(zhǔn)[28]，該設(shè)備還設(shè)有自我保護(hù)裝置和充放電池，當(dāng)產(chǎn)出的電能超過(guò)使用量時(shí)就被儲(chǔ)存在電池內(nèi)以備不時(shí)之需。雖然這些裝置額定功率只有60 W，只能滿足一只航標(biāo)燈的用電需求，但它們是最早實(shí)現(xiàn)商品化的波浪發(fā)電裝備。

圖2　浦賀浮式浮標(biāo)燈[28]Fig.2　Uraga light buoy[28]

(2) 大型岸式OWC裝置。1991年，Wavegen公司聯(lián)合北愛(ài)爾蘭女王大學(xué)在Islay島安裝了單機(jī)容量為75 kW的波力發(fā)電裝置[29]。該裝置在1991—2000年期間并網(wǎng)工作，退役之后其透平被放于慕尼黑德意志博物館。與此同時(shí)，在亞洲建立了兩個(gè)OWC原型電站：日本酒田港口60 kW OWC岸式波浪電站[30]和印度Trivandrum港125 kW波力電站[31]。在Islay島OWC波浪發(fā)電裝置的研發(fā)基礎(chǔ)上，2000年11月Wavegen公司在原電廠附近建造了LIMPET發(fā)電廠[32]，如圖3所示。與Islay原型不同，該裝置處在大西洋季風(fēng)風(fēng)口上，額定功率達(dá)500 kW，并一直成功運(yùn)行至今。同期，葡萄牙Electricidade dos A?ores公司在皮庫(kù)(Pico)島建造了400 kW的OWC波浪電廠，該電廠隸屬于葡萄牙波浪能研究中心，主要用于OWC發(fā)電裝置的研發(fā)。

圖3　LIMPET波浪發(fā)電廠圖[33]Fig.3　LIMPET wave converter[33]

(3) 浮式OWC裝置。經(jīng)過(guò)不斷地積累和發(fā)展，人們開(kāi)始對(duì)深海區(qū)安裝OWC波浪發(fā)電裝置進(jìn)行了探索。

在國(guó)際能源署的推動(dòng)下，1976—1979年，由日本牽頭，英國(guó)、加拿大、愛(ài)爾蘭和美國(guó)共同參與的研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始對(duì)浮式OWC發(fā)電裝置進(jìn)行試驗(yàn)，這就是聞名全球的“海明”號(hào)OWC波浪發(fā)電船，其長(zhǎng)80 m，重800 t，8個(gè)額定功率為125 kW的OWC氣室被安裝于浮式結(jié)構(gòu)上[34]。

近年來(lái)較為成功的是愛(ài)爾蘭Ocean Energy公司于2006年開(kāi)發(fā)的浮式波浪能發(fā)電裝置。該裝置經(jīng)歷了超過(guò)20 000 h的海上實(shí)況試驗(yàn)依然完好運(yùn)行，記錄中最惡劣海況為風(fēng)速達(dá)25~30 m/s，波高8.2 m[35]。圖4為該裝置在惡劣海況下的試驗(yàn)場(chǎng)景。

圖4　惡劣海況下的OWC[35]Fig.4　OWC in severe conditions[35]

澳大利亞Oceanlinx公司也開(kāi)發(fā)了一種浮式OWC波能轉(zhuǎn)換裝置——MK3浮式OWC波浪能發(fā)電裝置[36]。該裝置的外形尺寸約為2.5 MW波能發(fā)電裝置的三分之一，并于2010年5月安裝在澳大利亞肯布藍(lán)港外海，同時(shí)作為西側(cè)的浮式防波堤。該裝置已經(jīng)并網(wǎng)運(yùn)行，并將電能送往當(dāng)?shù)氐腎ntergal Energy電網(wǎng)公司。

(4) OWC型防波堤。隨著研發(fā)的不斷深入，小型OWC波浪發(fā)電裝置已成功商品化，而大型岸式和浮式OWC波浪發(fā)電裝置由于成本高、經(jīng)濟(jì)效益低、部分技術(shù)還不夠成熟等原因而一直處于試驗(yàn)階段。OWC與防波堤的結(jié)合，增進(jìn)了該裝置被推廣使用的可能性。

2011年夏天，Voith公司在西班牙北部Mutriku建成全球第一個(gè)成功向陸地供電的OWC型防波堤[37]，如圖5所示。該裝置發(fā)電功率約300 kW，可滿足250個(gè)家庭的用電需求。機(jī)組設(shè)備包括16臺(tái)功率為18.5 kW的Wells透平，還充分利用了現(xiàn)有的電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施，為OWC波浪能發(fā)電裝置的研究和維護(hù)提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。

圖5　穆特利庫(kù)OWC型防波堤[37]Fig.5　OWC breakwater at Mutriku[37]

目前，Voith公司正計(jì)劃在蘇格蘭Lewis島的西北海岸建造一座連岸式的OWC型防波堤裝置，該裝置包含15個(gè)OWC單元，每個(gè)單元連接2個(gè)單機(jī)容量為132 kW的透平發(fā)電機(jī)，額定發(fā)電量可達(dá)4 MW。該項(xiàng)目將建成第一個(gè)全新建造的OWC防波堤發(fā)電廠，其電量的輸出將使眾多人受益，考慮到項(xiàng)目的建成將會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)帶來(lái)巨大影響，一系列其他相關(guān)的因素如電量的貯存、控制等都將被計(jì)劃在項(xiàng)目?jī)?nèi)。此外，葡萄牙的若干港口也在計(jì)劃將原防波堤改建為OWC防波堤[38]。

3.2國(guó)內(nèi)OWC裝置的應(yīng)用進(jìn)展

中國(guó)對(duì)OWC裝置的研究與應(yīng)用相比于西方國(guó)家起步較晚。20世紀(jì)80年代中期，中國(guó)研發(fā)了10 W的OWC型航標(biāo)燈，之后又研發(fā)了60、100 W的OWC型航標(biāo)燈。其中，10 W的OWC航標(biāo)燈于2003年投入生產(chǎn)，該裝置在中國(guó)沿海地區(qū)廣泛使用，并出口多個(gè)國(guó)家[32]。從1987年開(kāi)始研發(fā)3 kW岸式OWC波浪能發(fā)電裝置，并于兩年后在大萬(wàn)山島建成。經(jīng)過(guò)在實(shí)際大浪海況試驗(yàn)證明，透平的軸功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3 kW，發(fā)電效率較高。

1992—1996年，中國(guó)建成了20 kW岸式OWC波力發(fā)電裝置[39]。該裝置是與柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)的一次嘗試，最終因電能無(wú)法穩(wěn)定輸出而終止。但是通過(guò)實(shí)際海況的試驗(yàn)了解到，該裝置有很不錯(cuò)的水動(dòng)力性能。

同期，中國(guó)還首次研發(fā)出了一臺(tái)千瓦級(jí)的浮式波浪力發(fā)電裝置——5 kW后彎管OWC波浪發(fā)電船[40]。對(duì)該裝置進(jìn)行了18 d的海上實(shí)況試驗(yàn)，最大功率約1.8 kW，后因錨鏈斷裂而不得不停止試驗(yàn)[32]；1997—2002年，中國(guó)研制了并網(wǎng)發(fā)電的岸式OWC波浪能電站，功率可達(dá)100 kW[41]。從2002年之后，中國(guó)對(duì)于振蕩水柱的研發(fā)基本停止，大多數(shù)學(xué)者開(kāi)始轉(zhuǎn)向其他波浪能發(fā)電裝置的研發(fā)。目前，主要停留在為數(shù)不多的一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的理論和試驗(yàn)研究上[18，42]。

4OWC波浪發(fā)電裝置的發(fā)展趨勢(shì)

由于波浪發(fā)電的凈成本比傳統(tǒng)發(fā)電方式的成本要高，因此，商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值目前仍然有限。運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本主要發(fā)生在產(chǎn)品運(yùn)行一段時(shí)間以后，所以在波浪發(fā)電的研發(fā)和探索階段，如何提高波浪能轉(zhuǎn)化以增加電能的產(chǎn)出更為重要。國(guó)內(nèi)外若干OWC波浪發(fā)電廠的建立使人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)有了更大的信心，但完成商業(yè)推廣還需要較長(zhǎng)的一個(gè)過(guò)程。

未來(lái)OWC波浪發(fā)電裝置的發(fā)展趨勢(shì)可總結(jié)為以下幾方面：

(1) 研發(fā)內(nèi)容。從全球范圍來(lái)看，對(duì)于歐洲、澳大利亞、美國(guó)等一些波浪能儲(chǔ)量豐富的國(guó)家來(lái)說(shuō)，OWC波浪發(fā)電將逐步走向大型化，實(shí)現(xiàn)從千瓦級(jí)向兆瓦級(jí)的跨越，主要側(cè)重并網(wǎng)型波浪發(fā)電裝置的研發(fā)。中國(guó)波浪能資源相對(duì)西方國(guó)家不夠豐富。根據(jù)2011年全球波浪資源分布的評(píng)估結(jié)果[43]來(lái)看，受地理位置的限制和季風(fēng)的影響，中國(guó)近海每米波浪能年平均功率為3~7 kW，歐洲波浪能資源較好的國(guó)家每米波浪能年平均功率高達(dá)20~100 kW，中國(guó)近海的波浪能流密度遠(yuǎn)低于歐洲等國(guó)家。

鑒于中國(guó)波浪能資源的相對(duì)不足，中國(guó)未來(lái)的波浪能研發(fā)方向?qū)?cè)重于海島、島礁等波浪能比較集中的地區(qū)，為傳統(tǒng)電能不方便輸送到的地區(qū)提供能源。由于海島、島礁等位置的特殊性，首先需要對(duì)波浪資源進(jìn)行評(píng)估，一方面可以對(duì)幾十年內(nèi)的波浪資料進(jìn)行總結(jié)分析，另一方面可應(yīng)用MIKE21等商業(yè)軟件，進(jìn)行大陸架結(jié)構(gòu)對(duì)波浪的影響預(yù)算，從而選出波浪資源相對(duì)豐富的位置；此外，在工程施工前，需要對(duì)附近海域的生物習(xí)性進(jìn)行相應(yīng)的考察和研究，盡可能減少工程對(duì)海上生物的傷害。

除了對(duì)海島、海島礁等區(qū)域的波浪能開(kāi)發(fā)，利用OWC波浪發(fā)電裝置與適合的海水淡化設(shè)備相耦合，可實(shí)現(xiàn)淡水生產(chǎn)和能源供給，利用波浪能等可再生能源替代傳統(tǒng)能源進(jìn)行海水淡化，也是前途十分廣闊的發(fā)展方向。

(2) 研發(fā)結(jié)構(gòu)。OWC發(fā)電裝置與近海及深海工程結(jié)構(gòu)物相結(jié)合，將是未來(lái)OWC發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展方向。近海設(shè)置防波堤的區(qū)域波浪一般都較大，這對(duì)安裝OWC發(fā)電裝置是十分有利的條件。雖然與防波堤相結(jié)合可以有效提高近海工程結(jié)構(gòu)物的經(jīng)濟(jì)效用，但是由于OWC裝置的加入，使得防波堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)受到一定的影響。因此，一方面要從增加發(fā)電效率和消能作用的角度出發(fā)，對(duì)裝置結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，另一方面要對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，找到相應(yīng)海域最為經(jīng)濟(jì)的OWC型防波堤。

隨著人類向海洋探索腳步的邁進(jìn)，海洋結(jié)構(gòu)物在逐漸向深海海域進(jìn)軍，如海洋平臺(tái)、養(yǎng)殖網(wǎng)箱、浮式防波堤等，OWC發(fā)電裝置可為結(jié)構(gòu)物提供電能供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)其能源的自給自足。

(3) 研究方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于CFD流體力學(xué)軟件和各科研院所自主開(kāi)發(fā)的程序?qū)V泛應(yīng)用于模擬仿真和數(shù)值計(jì)算，為物理模型實(shí)驗(yàn)和原型實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)有力的輔助作用，為OWC裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。從目前來(lái)看，由于裝置氣室的尺寸直接影響波浪的轉(zhuǎn)化效果，大多數(shù)學(xué)者都專注于OWC的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)的調(diào)整來(lái)研究波浪與OWC結(jié)構(gòu)的耦合作用，但由于實(shí)際波浪條件下存在很多的非線性因素，純粹的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究并不能十分準(zhǔn)確地模擬波浪能的轉(zhuǎn)化情況，而能量分析可以有效地涵蓋非線性問(wèn)題，因此，將能量分析方法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合將在未來(lái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將被廣泛采用。通過(guò)能量轉(zhuǎn)化的研究可獲得波頻率、氣室尺寸、頂部開(kāi)孔大小等因子對(duì)能量轉(zhuǎn)化影響的比重，從而確定影響最大的因子，與物理模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合共同為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更為準(zhǔn)確的理論指導(dǎo)。

(4) 研發(fā)方式。在科技飛速進(jìn)步的今天，加強(qiáng)多方合作與交流，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研一體化是OWC波浪發(fā)電研發(fā)的必然趨勢(shì)。通過(guò)國(guó)際、國(guó)內(nèi)高校和科研單位的相互合作，實(shí)現(xiàn)部分資源的共享和高效利用，減小國(guó)家或者單位的投資成本和風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也能為該領(lǐng)域培養(yǎng)出綜合型人才?？梢越⒖鐚W(xué)校的聯(lián)合科研中心，在企業(yè)下屬建立國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)學(xué)生特別是工科學(xué)生在企業(yè)實(shí)習(xí)等方式推動(dòng)科學(xué)研究、人才培養(yǎng)和科技成果轉(zhuǎn)化的共同發(fā)展。

此外，OWC波浪能轉(zhuǎn)化裝置的研究涉及氣象學(xué)、物理海洋學(xué)、流體力學(xué)、機(jī)械工程等多學(xué)科的交叉，其開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)漫長(zhǎng)而又復(fù)雜的任務(wù)，因此，要不斷地提高專業(yè)人才的素養(yǎng)，不僅要培養(yǎng)理論學(xué)習(xí)能力，更要培養(yǎng)對(duì)科研的信仰，堅(jiān)持專項(xiàng)研究。政府應(yīng)該增加對(duì)該領(lǐng)域研發(fā)的專項(xiàng)投入和扶持，使資金更為集中有效地發(fā)揮作用，為科研人員提供更好的科研設(shè)備和環(huán)境。

5結(jié)語(yǔ)

作為全球發(fā)展最好的OWC波浪能發(fā)電裝置無(wú)疑是被廣泛和深入研究的對(duì)象。OWC發(fā)電裝置固定式結(jié)構(gòu)的成功應(yīng)用和浮式結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)成功，有力地證明了OWC波浪發(fā)電的科學(xué)性和可靠性，但目前仍存在發(fā)電成本過(guò)高的難題。因此，如何有效地提高能量轉(zhuǎn)化效率、降低成本是未來(lái)研究和發(fā)展的方向。

OWC防波堤的成功應(yīng)用為OWC的繼續(xù)發(fā)展提供了一條新思路，也是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的主流。在歐洲逐步開(kāi)發(fā)并網(wǎng)型波浪發(fā)電裝置的同時(shí)，中國(guó)將因地制宜地開(kāi)發(fā)海島、海洋平臺(tái)等區(qū)域的波浪能，為電力資源稀缺和不方便輸電的地區(qū)提供電能。在能源日益緊缺的今天，通過(guò)研究的逐步深入和科研人員的不斷積累，中國(guó)將逐漸減少與國(guó)外的差距，并逐漸將OWC技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)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：鄭艷娜(1978—)， 女， 博士， 副教授。E-mail:zhengyn@dlou.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：劉德興(1988—)， 男， 碩士， 工程師。E-mail:liudexing@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51109022)；遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201202020)；遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長(zhǎng)計(jì)劃(LJQ2012066)

收稿日期：2014-06-20

中圖分類號(hào)：TK79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1388(2015)02-0231-06

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-1388.2015.02.023