不規則波下波浪能發電裝置波-電轉換比率實驗室測試方法研究

摘 要： 波浪能發電裝置物理模型的實驗室測試試驗是評估裝置性能的重要手段，目前針對不規則波下完整規范的性能測試試驗較少。該文參考國內外波浪能發電裝置的測試方法及標準，結合實驗室的實際測試工作經驗，采用以有效波高和譜峰波周期為參數的室內不規則波功率計算公式，提出實驗室不規則波下波浪能發電裝置物理模型的波-電轉換比率測試方法，并應用在喇叭型后彎管波浪能發電裝置物理模型的水池測試試驗中，測得該模型不規則波下最大波-電轉換比率為23.91%。研究結果表明：建立的測試方法及試驗過程，在波浪能發電模型的實驗室試驗中取得較好的應用效果，更能反映發電裝置在實海況的運行特性。測試結果可為發電裝置下一階段的模型設計以及原型機示范測試、實海況運行的發電功率預測方面提供數據支撐。

關鍵詞： 波浪能發電裝置; 實驗室測試方法; 物理模型試驗; 不規則波試驗; 波-電轉換比率

中圖分類號： TB9; TM612; P743.2 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）03–0096–09

0 引 言

在“雙碳”目標背景下，如何減低二氧化碳排放，提高能源利用效率成為能源發展的重要問題[1]。海洋可再生能源作為傳統能源的替補方案之一，我國于2010 年起就設立了海洋可再生能源專項資金，并取得了豐富的成果。海洋能發電裝置的測試工作是判斷裝置優劣的重要手段，歐美等海洋國家較早進行了海洋能發電裝置的測試和評價工作，目前已有包括英國的歐洲海洋能源中心（European MarineEnergy Centre，EMEC）、加拿大的Fundy 海洋能源中心 （FORCE）、和丹麥的Folke-Center 海洋能測試場等10 多個系統成熟的海洋試驗場[2]。其中，EMEC 于2009 年發布了其用于試驗、測試、評價等方面的共計 12 份指南和標準化文件[3]，國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）出版了海洋能相關的技術規范[4]，國際拖曳水池會議（International Towing Tank Conference，ITTC）也出版了有關波浪能轉換裝置模型試驗的推薦程序和指南[5]。

波浪能發電裝置的主要研究方法包括理論分析、數值模擬、物理模型試驗和現場觀測試驗。在針對國內的波浪能發電裝置的現場測試方法中，已有相應的研究成果，如王項南等[6] 針對我國“萬山號”波浪能發電裝置開展現場測試工作并對測試指標進行了評價與分析。針對波浪能發電裝置的模型試驗研究，張亞群等[7] 對新型的雙浮體“鷹式”波浪能浮標，開展了實驗室內二維水槽的物理模型試驗；何則辰等[8] 針對振蕩浮子式波能轉換裝置陣列，通過模型試驗研究了不同波浪條件下裝置運動性能和發電功率的影響規律。目前波浪能發電裝置物理模型試驗研究中，許多試驗工作受環境限制，規則波下的性能測試較多，不規則波的測試較少；而由于不規則波的試驗工況更能反映發電裝置在實際海況中的運行性能，波浪能發電裝置的實際應用過程離不開不規則波下的測試試驗。同時，現有的物理模型試驗中多數僅針對裝置某一部件或某一能量轉換過程進行測試，如液壓過程、氣動過程等，其中完整規范的波至電的性能測試較少。因此本文在已有的研究基礎上，提出了波-電轉換比率的定義，以及實驗室內不規則波下的波-電轉換特性測試方法。

本文通過參考國內外測試標準及方法，以及結合在國家海洋技術中心海洋動力環境實驗室的實際測試工作經驗，提出了基于波-電轉換比率定義的不規則波下波浪能發電裝置物理模型的實驗室測試方法，并應用于中國科學院廣州能源研究所研制的喇叭型后彎管波浪能發電模型的測試試驗中，同時對測試結果展開評價分析。研究結論與提出的不規則波試驗的測試方法及實際的試驗過程，可為國內外研究人員開展波浪能發電裝置物理模型的不規則波試驗提供參考依據。

1 測試方法

國家海洋技術中心海洋動力環境實驗室自2017 年建成以來，先后完成了浮力擺式、點吸收式、鷹式等波浪能發電裝置以及水平軸式、磁力耦合式潮流能發電裝置的測試試驗。在此基礎上，總結出波浪能發電裝置物理模型的室內測試方法應包括以下五個方面：確定測試裝置的類型、明確試驗階段、試驗環境要求、物理模型及試驗工況設計、試驗數據處理及計算方法。

目前國際上關于波浪能發電裝置物理模型測試方法，主要參考是ITTC 的《Wave energy convertermodel test experiments》和EMEC 的《Tank testingof wave energy conversion systems》，這兩個方法主要適用于歐美等海洋國家的波浪能發電裝置的測試過程，同時沒有針對物理模型完整的波-電轉換特性的測試方法。本文在此基礎上并結合了我國的標準文件，具體說明測試方法五個方面的內容，同時提出波-電轉換比率的定義，用于反映波浪能發電裝置物理模型的整體波-電轉換特性。