研究內容
振盪水柱波浪發電防波堤氣室反應數值模擬
振盪水柱波浪發電為目前應用最廣泛的波能裝置之一，防波堤為我國近岸保護常用之海工結構物，若能與波浪發電系統結合，可增加防波堤之功能多元性。為了將擷取波浪能量達到最大化，可藉由岸基振盪水柱式波浪發電裝置在特定典型波浪條件下的水動力特性的研究與計算，進行岸基振盪水柱式波浪發電裝置的最佳結構物設計。本研究以FLOW-3D套裝軟體建立數值模型，模擬二維岸基振盪水柱防波堤波浪發電氣室反應。經由網格獨立性測試，模擬結果與Stokes二階理論解和Zhang et al. (2012)計算結果相互比對校正後，取得合理之結果。(圖1)
本研究所選定之防坡堤幾何形狀與海域環境條件，初步參考花蓮港之東堤以給定分析條件。本研究利用數值模型合理考量氣水互制，探討波浪條件與振盪水柱系統幾何形狀對振盪氣室水位變化、氣體流速、氣體壓力與結構側向力之影響。於自由液面之分析，本研究分析波長比(L/lc’) 與振幅放大率(a/a0)之關係，探討不同入射波浪進入沉箱後之振盪幅度。結果顯示，隨著波長比增加，振幅放大率亦隨之增加(圖2)。但當波長比L/lc’= 6時，振幅放大率之增加幅度趨緩，為曲線之轉折處。波浪擷取能量計算結果，本研究利用模擬之壓力與自由液面(用以計算孔口風速)，計算不同入射波浪條件下之氣動能擷取情況，判定出該結構形狀之最佳能量擷取區間，並同時比較沉箱內振盪壓力與孔口平均速度與擷取能量間的關係。本研究建議以波長比與平均氣體能量功率之關係趨勢線所判定之結果為準，所得之最佳區間為波長比 L/lc’ = 5 ~ 6.9時，且除了波長比與能量擷取率(即水動力效能)之關係趨勢線判定之最佳區間結果不同外，不同波長比間的沉箱內振盪壓力與孔口平均速度之關係趨勢線均可得到相同的結果，即波長比與水動力效能之關係趨勢線較不適用於判斷實際產生能量之情況(最佳擷取區間)。
對於振盪水柱波浪發電防波堤之受力分析結果，本研究分別計算沉箱結構物在各牆面下受波浪作用之側向力情況，進而得到不同造波條件下之總側向力與防波堤基底合力矩。結果顯示，結構物側向力狀況與水位高度有極高之相關性，振盪水柱波浪發電系統所受最大側向作用力與基底合力矩隨著波長比增加而提高，直至波長比達到6時，增加幅度趨緩，與波長比與振幅放大率之關係曲線有相似之趨勢與相同的轉折處，而波長比為6時亦為振盪水柱波浪發電系統能量擷取最好之條件。
圖 1 速度場模擬結果(GIF)
圖 2 波長比與波浪振幅放大率關係圖
關鍵詞：振盪水柱波浪發電、防波堤、發電效能、FLOW-3D
期刊文章
| • | Kuo Y.-S., Chung, C.-Y., Hsiao, S.-C. and Wang, Y.-K. (2017). “Hydrodynamic characteristics and lateral loading responses of oscillating water column caisson breakwaters,” Renewable Energy, Vol.103, pp439-447. (SCI, IF: 4.357, subject category: ENERGY & FUELS, Ranking: 18 / 92=19.6%) |
|---|---|
| • | Kuo Y.-S., Lin C.-S., Chung, C.-Y. and Wang, Y.-K. (2015). “Wave Loading Distribution of Oscillating Water Column Caisson Breakwaters under Non-breaking Wave Forces,” Journal of Marine Science and Technology-Taiwan, Vol. 23, No. 1, pp. 78-87. (SCI, IF: 0.298, subject category: ENGINEERING, MULTIDISCIPLINARY，Ranking :78 / 85 = 91.7%) |
| • | 鍾智印、林啓聖、李宜芝、于芃、陳克維、郭玉樹 (2013) “波浪作用於振盪水柱波浪發電防波堤之側向力分析,” 中華防災學刊, Vol. 5, No.1, pp.31-38. |
研討會文章
| • | Achmus, M., Abdel-Rahman, K., Schaefer, D., Kuo, Y.-S., Chung, C.-Y., and Tseng, Y.-H. (2017). “Capacity degradation method for driven steel piles under cyclic axial loading,” 27th International Offshore (Ocean) and Polar Engineering Conference; San Francisco, California, USA, June 25-30, 2017. |
|---|---|
| • | Su, F.-C., Chung, C.-Y., Chiu, S.-Y., Wu, M.-J., Kuo, Y.-S. (2012). “Application of Lagrange’s equation of motion to estimate natural frequencies of monopile foundations,”The 6th Chinese-German Joint Symposium, Keelung, Taiwan, pp.671-679. |
| • | 鍾智印、郭玉樹、曾玉修、蕭士俊 (2015). “振盪水柱波浪發電之流體運動行為數值模擬,” 第17屆水下技術研討會暨科技部成果發表會, 基隆, pp. 282-287. |
| • | 郭玉樹、Martin Achmus、曾玉修、鍾智印、Khalid Abdel-Rahman (2015). “互制關係圖應用於離岸風機套管基礎受反覆軸向拉力下之穩定性分析,” 第37屆海洋工程研討會, 台中, pp. 703-708. |
| • | 林啓聖、鍾智印、郭玉樹 (2012). “振盪水柱波浪發電防波堤受力及氣流反應,” 第34屆海洋工程研討會, 台南, pp. 797-802. |
畢業論文
| • | 鍾智印 (2014)，「振盪水柱波浪發電防波堤氣室反應數值模擬」，碩士論文，國立成功大學水利及海洋工程所，台南。 |
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