振荡水柱波能发电装置能量转换耦合系统的研究与优化

中国作为海洋资源大国，加强波浪能等海洋可再生能源的开发利用，有利于改善能源结构，实现经济社会可持续发展。目前世界上投入商业化实用运行的波力电站，基本为振荡水柱（OWC）型，该类装置已成为各国学者的研究热点。但绝大多数研究是将OWC装置两次能量转换过程各自相对独立研究，难以准确反映该装置的实际运行状态与工作性能。本研究以岸式振荡水柱波能发电装置为对象，通过有效联结两次能量转换系统，构建该类装置的能量转换耦合系统，反映两次能量转换过程的相互作用，实现两次转换过程的联动。以水工物理模型试验与计算流体力学数值模拟为手段，研究OWC装置的实际运行状态与考察气室内振荡波幅、气室内压强及输气管内流速的相互作用与变化，揭示能量转换与耦合机理，优化设计装置气室与冲击式透平结构，给出较为合理的波能转换率及各参量的工程设计要点，为该类装置的实用化开发提供有力的理论依据与指导。

振荡水柱（OWC）是岸式波能发电装置中利用的重要形式。加强该类装置关键机理问题研究与工程化研发，是推动该类波能发电装置商业化与实用化开发的有效手段。传统研究中将该类装置的两次能量转换过程相互割裂，各自独立研究，难以反映装置的实际运行状态与工作性能。课题构建了冲击式透平的全三维定常数值计算模型，考察孔板对透平的压降替代作用。构建了全三维非定常基于VOF的数值波浪水槽，利用试验资料考察气室数值模拟的准确性。在前述工作的基础上，本研究创造性的将能量转换的两次过程进行联立与耦合，将原有的单向计算升级为互动影响的双向计算，构成了能量转换的耦合计算模型：在数值波浪水槽中嵌入不同内外径比的孔板结构，引入透平压降变化对气室内压力与自由水面变化的影响；将气室数值计算中的获得新气体流量重新导入透平压降计算，如此往复循环，两组计算均将收敛于某一固定数值。为了验证上述耦合联动模型的准确性，课题组以韩国济州岛500kW YongSoo OWC波能电站作为实例进行了对比计算，采用该电站的设计波况作为入射波计算后发现，该组电站的实际发电出力仅能达到原设计的64%左右，远低于原设计要求。上述计算成果，在国际上首次较为准确的预测了OWC电站的工作性能，将成为该类电站的有效工程支持手段与技术方法。. 本课题截止目前为止，共发表高水平论文10篇，其中国际期刊论文2篇，国内2篇，国际高水平会议6篇，被SCI收录3篇次，EI收录6篇次，ISTP收录2篇次。课题组通过项目支持与韩国海洋大学及韩国海洋研究院建立了良好的合作关系，双方将在该领域内未来共同申报NSFC-NRF中韩合作项目。本课题共培养硕士研究生2名，部分培养博士生2名。在项目资助下，由课题负责人指导的中国海洋大学4名本科生获得了“第二届全国大学生水利创新大赛”特等奖，课题负责人荣获优秀指导教师奖。本课题有效发挥了科研项目的科普宣传作用。