波浪能资源整理背景

所有背景整理：能源发展趋势 全球的不可再生能源是有限的如:石油、煤炭、天然气等。据统计，随着不可再生能 源（传统能源）被人类不断地消耗，不可再生能源的开发已经屈指可数。按照目前全人类 对能源的消耗速率和增长速度计算:全球的煤炭储量只能够使用约200年;全球的石油储 量只能够使用约45年;全球的天然气储量只能够使用约50年1-3。传统能源使用过程中 伴随着污染与开发费用越来越高的问题，人们不得不开始重视可再生能源的开发和利用。 可再生能源指的是在自然界中能够不断再生，并有规律的得到补充或者能够重复利用的能 源，如:风能，太阳能，水能，地热能，海洋能等al。目前这些可再生能源的利用率仅占 世界能源利用的3%Csl，远远低于人类对传统能源的利用率，这其中就属海洋能的利用率最 低。海洋中蕴藏着很多种可再生的能源，主要有波浪能、潮汐能、温差能以及盐差能等。这 些能量统称为海洋能，其中又以波浪能为最主要形式。根据联合国教科文组织在1981年出 版的海洋能开发估计，全世界的海洋能理论上功率约为7. 66 x 1010kW。即使只能 开发出其中一小部分，也可以解决当下能源紧缺的问题。虽然全球具有如此巨大的海洋能源， 由于各种条件的限制并不是全部都能够为人类所开发利用。表1. 1中为世界范围内海洋各种能源的理论估算值、技术可利用值、实际可开发利用 功率值。由表1. 1表明，虽然波浪能的理论储存值是最少的，但是其实际可开发量却是最 多的，其可开发利用率高达10%，故波浪能发电装置的研究就是一项紧迫和必须的任务。 其中对于波浪能源，国际能源组织（工EA） 1994公布的报告预测8:波浪能如果能够充分 开发，最终可提供目前全球电力需要的10%左右，估计为2 x 109-3 x 10KW从我国海洋能源资源来看，海洋能资源非常丰富，而且开发利用的前景广阔。如果将我国的 海洋能资源完全变为能够利用的电能，至少可达1. 5 x lOBkW,相当于我国目前电力总装 机容量的两倍多10j。我国具有丰富的海洋能，其中波浪能量对比情况（见图1. 2,波浪 能仅占其10. 5%，虽然占有率很低，但是仅仅只要开发其百分之一，其数量也是相当可 观的。像我国这样，能源需求量的很大国家对于开发新能源的需求是很紧迫的。在这样的情 况下，大力开发和利用波浪能，尤其是在我国能源消耗比较严重，经济发展高速的东部沿 海地区。此地区与海洋相接，蕴藏着巨大地海洋能源，对于缓解我国能源消耗，支撑社会 经济可持续发展具有重大意义。综上所述，世界波浪能资源分布和我国波浪能资源分布，表明可开发和利用波浪能具 有很大潜力。我国波浪能资源各省分布表明，福建沿海，海岸线曲折，突出的半岛、山甲角 众多，沿岸岛屿连绵不断，其为基岩海岸，波浪较大，因此福建省沿岸也是波浪能资源蕴 藏丰富、波浪能密度高的海域。故福建近海域是开发利用优越场所之一，所以本文研究波 浪能发电装置的振荡浮子是针对厦门海域。振荡浮子式波浪能发电装置 振荡浮子式波浪能发电装置是一种典型的波浪能发电装置。它是在振荡水柱式空气透 平式波能发电装置的基础上发展起来的。该装置的工作原理图如图1. 5所示，第一级能量 采集，在波浪中运动的浮子进行对波浪能量的采集，完成波浪能到机械能的转化;第二级 能量传递，通过中间系统把浮子采集一转化（波浪能一机械能）后的能量传递到发电系统; 第三级能量发电，把传递过来的机械能转化为电能，供用户使用。振荡浮子式波浪能发电装置在欧洲被称为第三代装置。因为第一级能量采集装置一浮子 是以与波浪直接接触的方式来采集波浪能，因此装置的第一级能量的转换效率较之前的波 能发电装置的效率要高。故其整个装置的转换效率也较之前装置的转换效率有所提高。例 如:一般的波浪能发电装置（振荡水柱式波能转换装置）的转换效率在10%-30%，振荡浮 子式转换装置转换效率能达到46%以上2，22。2007年华南理工大学，勾艳芬、叶家玮等人对阵列振荡浮子式波能转换试验装置做 了实验研究。此装置采用球型浮子捕获波浪能，在对浮子实施相位控制后系统总效率将达 到40%左右。2008年华南理工大学，勾艳芬、叶家玮等人对振荡浮子式简易波能转换装 置进行了模型试验，此试验模型直接将浮子俘获的机械能转换成电能，与一般振荡浮子式 波能发电装置相比少了中间能量传递系统，能够减少能量损失，提高波浪能利用率。2012 年中国海洋大学，高人杰等人在规则波下对四种简单浮子形状进行了模拟，获得了一种捕 获波浪能最多浮子形状。综上所述，国内外对于振荡浮子式发电装置虽然有较为全面的研究，但是对较多结构 形式的振荡浮子的水动力学以及捕获波浪能效率更为详细的对比研究分析并不是太多。基 于此，本文对多种不同结构形式的浮子进行更为深入的水动力学以及捕获波浪能的效率进 行研究，并对其进行详细的对比性分析，进而选择最佳的浮子结构形式。波浪能以其储量大、无污染、可重复开发利用的优点，成为国内外海洋能开发利用 研究的热点。深入研究开发适合我国特定海域的波浪能转换装置，对解决我国部分区 域的用电问题具有重要意义。单浮子式波浪能发电装置是基于海洋结构物垂荡运动设 计而成，具有结构简单、适应性强、转换效率较高、可靠度好等优点。本文以浮子式 波能发电装置的工程应用研究为背景，采用模型试验与数值模拟相结合的方法对整个 波能发电系统进行研究。随着经济的飞跃发展和人类社会的不断进步，全球对能源需求的增加和石化能源 的逐渐枯竭之间的矛盾越来越突出，尤其是二十世纪七十年代出现的能源危机，使各 国意识到能源问题将是抑制国民经济发展和社会进步的重要因素。为了解决能源问题 在社会发展中的瓶颈问题，寻求可以循环利用的可再生资源已经成为整个人类寻求发 展的共识。而海洋覆盖全球面积的70%，且海洋中蕴涵着巨大的能量，使之成为各国的关注焦点和研究热门。众所周知，海洋是世界上最大的风能吸收器，它通过各种各样的物理过程吸收、 转化、存储和散发能量，通常这些能量以波浪能、潮汐能、温差能、盐度梯度能等形 式存储于海洋之中。海洋能以其存量大、可再生、无污染等优点成为近十几年国内外 研究开发的首选。挪威Fugro OCEANOR AS公司在2008年3月份公布了全球年度波 浪能源密度分布图U如下所示。现存的波能发电装置大多效率低、使用范围较窄，只能为海岛和海上设施进行供 电或者为航标灯、海上浮标进行供电，很难得到推广。其中岸式波浪能装置以其独特 的优点成为佼佼者，如中国的大万山波能发电站和汕尾波能发电站都获得了较好的发 电效果。鉴于波浪能发电关键技术的不成熟和发电成本难以与常规能源相媲美，可以预测 随着某些关键技术的逐步解决，波浪能将必定改变世界能源结构，成为人类赖以生存 和值得依赖的新能源，因此各国研究机构都在投入大量的人力、物力进行研究，本课 题就是依托国家海洋局“海洋可再生能源专项资金支持项目恶劣海况下自保护式 高效稳定波浪发电装置”开展而来。 波浪发电装置虽然种类繁多，但其工作原理不外乎以下几种:主要有利用物体或浮体在波浪 作用下的振荡和摇摆运动做功;利用波浪压力的变化驱动机械结构产生相对运动;利用波浪 的沿斜坡的爬升将波浪动能转换成水流的势能进而推动水轮机的运转等等。纵览国内外波浪 能发电装置，按照离岸的距离远近可以分为:岸基式波能发电装置、近岸式波能发电装置和 海上波能发电装置;按照固定方式可分为:锚泊固定式、桩基安装式和漂浮浮体式;按照波能 转换方式可以分为:液压式、空气式、压电式和直线电机式;按照波能吸收方式装置可以分为: 振荡水柱式、振荡浮子式、越浪式和收缩波道式等。经过二十世纪七十年代的实验室模型试验和八十年代的模范示范工程演示，波浪 能发电装置正在逐步走向规模化和商品化，下面将介绍几种典型的波浪能发电装置并 作出对比分析。Power Buoy点吸收式波力发电站6由美国的Ocean Power Technology(OPT)公司研制而成, 该装置由上端布置一圆盘状的浮筒、一个淹没在海水中的圆柱浮体和一个风筒组成。圆柱体 的两端分别与圆盘状浮体、风筒相连接,设计风筒的作用是为了增加装置的惯性。通过机械 动力系统将两结构之间的相对升降运动动能转化为电能。组装完工后和海底安装效果如图 1.4所示。振荡浮子式波能转换装置(Float Type Wave Generation System)是由日本人设计的 一种简易的漂浮式波能吸收装置。该装置由一个漂浮体和平衡体通过滑轮固定于置于 水面之上组成。其优点是可以吸收不同方向的入射波。试验结果表明，对于周期为23 秒，波高为0.15米左右的波浪，吸收的波能随着波浪入射角增大而减小，但该研究 的理论计算和试验分析均做了理想化假设，与实际海况差距较大。Hadano & Taneura 对上述装置做了进一步研究，提出了计算该装置波能吸收的动力学计算公式，与试验 结果的对比较为符合。目前，世界各国对能源的需求不断增加，而能源储量却日益减少，同时大 量化石能源的使用又引发了严重的环境污染问题，这些问题己经成为阻碍人类 社会向前发展的重大障碍。为有效地解决上述问题，需要增加开发可再生能源 的力度。波浪能作为一种清洁、无污染能源，它具有能量品质好、能流密度大、 成本低廉、分布广泛等优点。现今，许多沿海国家都在积极开发波浪能，并结 合当地实际情况、基于不同理念，设计了大量形式、功能各异的波浪发电装置。波浪属于一种随机波，其空间分布复杂、传播速度慢、且存在往复运动， 大多数波浪发电装置的转换效率通常较低，为提高波浪发电装置的转换效率， 装置的结构设计往往过于复杂，这又容易出现输出不稳定、系统故障率升高等 的问题，而且也大大增加了装置的建造成本。批量制造波浪能发电装置是降低 成本最有力的手段，然而这一切必须建立在装置的低成本和高效率基础之上。 总之，若要实现波浪能发电装置的产业化就必须在提高波浪能转换效率的同时 尽量简化装置的结构，从而达到降低发电成本的目的。(2)点吸收技术点吸收技术(Point Absorber)或称为振荡浮子式波浪能发电技术5，早期 由欧美及日本等国研发，日本最先制作出了样机，随后美国进行了改进并投入使用。我国学 者也曾设计过一种点吸收式波浪发电装置，中科院广州能源所依照设计方案成功制作出了 实验样机，并对其进行了大量的实验分析。振荡浮子式波浪发电装置依靠浮子随波浪的上 下浮动吸收波浪能，由于单个浮子较小，通常将若干浮子按一定顺序布置，以增加吸收的波 能量，浮子通过绳索直接与直线发电机相连，直线电机动子随浮子上下运动，同时驱动发电 机发电G。振荡浮子式发电装置同效率不高、水下施工异常困难的振荡水柱发电装置相比, 它的优点在于其最大转换效率可达 40.7%，而且还可以减少水下施工，使建造费用大大 降低f8l，它在最近几十年发展尤为迅速，美国、英国、加拿大、荷兰均先后建造出成型的 发电装置并投入使用fl，我国在该项技术上也拥有许多专利。四 能源是人类社会发展的重要基础资源，没有能源就没有人类文明。随着人类社会的发展， 产业及生活对能源的需求迅速增长，世界能源需求量持续增大。目前世界主要能源是石油 化石燃料，天然气、煤等化石燃料，这些燃料都是经过长期的地质年代形成的，被称为是 不可再生的。勘探表明，地球上的化石燃料已日趋枯竭。根据BP能源统计2006)的数据， 气和煤炭则可分别可以供应以目前开采速度计算，全球石油储量可供生产40 年，世界天然 65年和162年。现在世界常规油气资源发现的高峰期已过，在2010年后可能出现供不应求 局面。虽然经过20世纪70年代两次石油危机以后，西方国家越来越注重对替代能源的寻找， 使得能源危机问题有所缓解，但是目前世界上主要供能方式仍是化石燃料。化石燃料总有一 天会被耗尽，人类不能不未雨绸缪。近年来，由于我国经济增长速度较快，能源需求增长 强劲，能源缺口越来越大，我国常规能源供给的制约愈益严重。据专家估算，我国2010年 能源消费总量将为23亿吨标准煤，2020年能源消费总量约为40亿吨标准煤f21。我国石 油天然气资源不足，陆地、海洋油气田地质结构复杂，开采困难，从 1995 年起已经成为石 油天然气的净进口国。 2008年我国原油进口达1.79亿吨。预计2015年原油进口将进一步 升至2.78亿吨，依存度达到59%。当今国际形势千变万化，一味依靠进口原油来满足国内 的能源需求将使我国经济发展受到极大制约。因此，从国家经济与社会发展的角度看，寻找 可再生能源替代化石燃料，是函需解决的关键问题。海洋能源是海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要表现为潮汐能、海流能、波浪 能、海水温差能和海水盐差能等。究其原因，除潮汐能及潮流能是由月球与太阳引潮力 的作用产生以外，其他均产生于太阳辐射。潮汐能及潮流能:在月亮和太阳等天体引力作用下产生的地球表面海水周期性的涨 落潮运动，一般统称潮汐。潮汐能的能量与潮水量和潮差成正比，或者说与潮差的平方 和蓄水面积成正比;潮流能的能量于流速的平方和流量成正比，或者说与流速的立方成 正比。波浪能:波浪是海洋表层海水在风力的作用下产生的波动，波浪中所储存的能量称 为波浪能。其能量和波高的平方和波动水面的面积成正比。海流能:海流是海洋中由于海水温度、盐度的分布不均而形成的密度和压力梯度， 或海面上风的作用等原因产生的海水定向流动。海流中所储存的动能，称为海流能。其 能量和流速的平方和流量成正比，或者说与流速的立方成正比。波浪能的定义及特点 波浪能是一种在风的作用下产生的，并以位能和动能的形式周期型储存的机械能。一般来说，太阳给予波浪能量的比率大概是0.01到0.1 Wlm2，对于太阳能平均350 Wlm2 的输出来说只是很小的一部分，但是波浪在长距离传输过程中不断吸收大气能量，能够 达到100 W/m2以上。据众多学者研究估算，全世界海洋波浪能可利用的功率约为1X 10121 X 1013 Wo根据国际能源组织(IEA) 1994公布的报告预测:波浪能如果充分开发， 最终可提供目前全球电力需要的10%左右60通常用波浪能量、波能功率、波能密度和波能功率密度等特征量来代表波浪能。 波浪能量:波浪运动携带的能量，包括波动中水质点的动能极其因离开平衡位置而 具有的势能，记为E，单位Jo与其他的海洋能资源相比，波浪能具有如下优点X101.1、由于波浪的特性，可以通过共振、折射、反射、随时间积集及收缩聚合等方法实现能量的密集;2、波浪能以机械能形式出现，是海洋能源中品质较好的能源;3、波浪能是海洋中分布最广的可再生能源，适用于边远海域的岛屿、国防、海洋 开发等活动;4、波能转换装置结构比较简单，建造和维护方便，便于进行群体化、密集型开发。一、开发海洋波浪能是可持续发展的需要 我国正处于大量消耗资源的工业化中期阶段，随着工业化和城市化的进程不断加 快，特别是重化工业和运输业的快速发展，能源需求大幅上升。近年来，我国已成为世 界第一大煤炭生产国、第二大能源生产与消费国、第二大石油消费国，及DECD之外最 大的石油进口国。2008年，中国能源消费总量为28.5亿吨标准煤，其中煤炭消费量达 27.4亿吨，原油消费量为3.6亿吨，天然气消费量 807亿平方米。2008年中国原煤产量 为27.93亿吨，原油产量为1.9亿吨，天然气产量为760.8亿平方米。在上述化石燃料中 煤炭资源虽最为丰富，也即将面临供需不足的问题，石油的依存度更是将近50%，在未 来还将不断增长，由于石油对外依赖性持续升高，能源安全己成为不可忽视的问题。为 了建设节约型社会，保证社会的可持续发展，有必要将能源建立在更稳定的基础上，调 整能源结构，需找替代的可再生能源，节省化石燃料。我国波浪能相当丰富，蕴藏在需 要大量能源的沿海地区，是具有巨大开发潜力的可再生能源。实行可持续发展战略需要 开发海洋波浪能。二、开发海洋波浪能是环境保护的需要 我国环境压力日益增大。化石能源的消耗（特别是煤炭的使用）产生的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和烟尘的排放，是造成大气环境污染的主要来源。大气中二氧化碳 含量升高将加剧温室效应，使大气温度升高，两级冰盖融化，冰海低地和海洋中的珊瑚 岛礁难免灭顶之灾。温度升高还引起气候异常，水旱灾频发。2003年，我国极地科考队 发现南北极冰的融化加剧，珠穆朗玛峰登山队发现冰川后退。我国华中、华南和欧洲发 生历史上从未有过的长时期酷热和干旱。2008年，我国南方出现罕见的雨雪、冰冻天气， 具有范围广、强度大、持续久等特点，造成了严重的灾害。我国82%的城市、国土30% 的面积出现过酸雨，使树木、农作物、牧草死亡，37%的城市颗粒物超过国家限制值。 这些数字不能不予以重视。我国在减少二氧化碳排放方面受到较大的国际压力。虽然我 国人均二氧化碳排放量低，接近世界水平，但仍是排放大国，总排放量居发展中国家之 首。开发波浪能源不进行燃烧，不排放三废，基本上也不会破坏生态环境，因此，开发 海洋波浪能是环境保护的需要。三、开发海洋波浪能是沿海城市与海岛经济发展的需要我国海岸线（包括岛屿）长32000km，其中大陆海岸线长18000km。一方面沿海地区经济发达，虽仅占全国面积的14%，却聚集了全国人口的40%，国内生产总值占全国 60%以上，沿海地区缺乏常规能源资源，需要从遥远的中西部地区运输煤炭、石油、天 然气，或建远距离电网，西电东送，若能从海洋取得一部分能源，则可以节约相当大的 运输能力和电能消耗;另一方面我国有大小岛屿6500多个，面积80000km2，人口 3000 余万。大多数较小岛屿尚未解决供电问题，如从附近大陆铺设海底电缆输电则投资巨大， 每千米达数百万元。无电则海岛无法开发，岛上居民无从脱贫致富，生活质量也无法提 高。如果在海岛附近建立独立波能发电站，可缓解海岛经济不能发展的问题。总体而言，充分发挥海洋波浪能的作用，可逐步改善以煤炭为主的能源结构和电力 供应结构，使我国能源、经济与环境的发展相互协调。同时，开发利用波力发电除能增 加和改善能源供应外，还对解决沿海地区和海岛农村的用电用能问题、改善我国沿海农村及城镇生产生活用能条件、实现农村电气化目标起到重要的填补作用。Wavebob43 WaveBob波能发电装置是由WaveBob公司研发的，如图1-7所示。 这种装置是一种轴对称自适应的单点吸收装置，它在不改变浮体设计方案的情况下，用 一个特有的系统改变装置的共振频率，从而实现与入射波特性的最佳匹配（惯性聚波）。 此外，数字控制的能量输出允许装置动态地改变阻尼，这样可以进一步适时地匹配系统。IPS浮子IPS浮子是由瑞典IPS公司根据Norm S. A. aa发明的双体点吸收装置而 开发的一种波能转换装置，如图1-8所示。此装置包括一个竖直沉降的浮子与淹没在水 中且两端开口的竖管。浮子与竖管相互连接，同时连接着水锤泵的活塞在竖管里，并可 沿着轴线上下运动。其工作的基本原理是:利用波浪推动浮子与竖管上下运动，由于活AquaBuOY装置AquaBuOY装置是基于IPS浮子的理念发展而来，同时使用一 对软管泵来形成高压水流驱动冲击式水轮机转动as，图1-9是装置的工作原理。 AquaBuOY的样机已于2007年在太平洋的俄勒冈州附近海域进行了试验。五 我国海域面积广阔，相关海洋能资源领域研究处于起步阶段，进一步开发利用海洋能资源 对目前提倡的节种，它分布广泛、能能环保可持续发展型社会具有重要意义。 海洋波浪能 属于海洋能的一流密度大，具有很大的发展空间。 传统的化石能源使现代机械工业得以大规模发展，使人类从农耕社会进入了繁荣的工业社 会，它为整个工业文明提供了源源不断的动力，是近代人类发展不可或缺的组成部分。 截 至目前化石能源仍是人类社会消耗的最主要能源，全球消耗的能源中化石能源占比高达80% 以上，与此同时化石能源属于耗竭性能源，是地球演化过程中数百万年生成的产物，而它们 现在的消耗速度远远超过生成速度。一方面，伴随着科技发展，人类社会能源需求量也口益 加大，按照这种速度，不久的将来化石能源将逐渐消耗殆尽，这是人类发展面临的巨大挑战。 另一方面，化石能源的使用总是伴随着温室气体的排放和一些环境污染问题的产生，这些危 害到整个人类的生存环境，不符合社会健康长久发展的基本要求。极积寻找传统化石能源的 替代品，开发利用新型清洁可再生能源、减少环境污染已成为世界各国的共识。地球上海洋面积达到3.61亿km2,占地球总表面积的71%。广阔的海洋是蕴藏着丰富的 资源，这些资源既包括海洋矿物能源也包括以潮汐、波浪、温差、盐差、海流等形式出现 的“海洋能”。海水受到风力和阳光等的作用,造成不同区域温度、盐度的不同,受月球等 的引力作用产生区域海面的起伏，这些差异导致海洋中各种各样的能量，海洋能量清洁并且 可以再生。开发和利用这些清洁可再生能源对未来人类的发展具有重要的意义，也是人类维 持自身生存发展、拓展生存空间的最切实可行的途径之一。21世纪以来，众多国家已针对各种海洋资源展开竞争，海洋科技强国已成为诸海洋国 家的新目标。我国处在社会主义发展阶段，科学技术相对滞后于发达国家。通过不断的开 拓进取，中国在各个科技领域实力已不断加强，取得了长远的进步，但改革开放后我国偏 重于工业发展和经济增长、忽略了环境治理和保护。伴随这种粗放型工业发展路线的是大 量的自然资源浪费和包括雾霆、全球气温升高、地下水污染等严重的环境问题，针对这些 函需解决的问题，我国政府加大力度倡导节能减排和环境友好型社会的发展形态，并着重 支持对新型清洁可再生能源的开发利用，确立了可持续发展的战略路线。我国海域广阔、 海岛众多，拥有490万平方公里的海域面积海域和6000余个海岛，这些地区蕴含的丰富 海洋能资源将是一笔宝贵的财富，合理的加以开发利用是解决我国能源及环境问题的有效 途径之一。海洋能利用技术一般是指将海洋能转化为人们生产生活可以使用的电能的技术，通过 各种装置将海洋中以动能、位能、热能、化学能等形式出现的能量转化为电能。世界各国 海洋能利用技术目前多处于发展的初始阶段，所以海洋能属于有待开发的新领域，据调查 这些巨量的海洋能资源中潮汐能利用技术已趋于成熟，需要进一步商业化、规模化中，波 浪能利用技术还处于试验阶段，有待更深的研究探索，温差、盐差能等利用技术处于原理 海洋波浪能是一种动能形态的海洋能，它与其他海洋能相比具有分布广泛、能流密度 大的特点。据调査，全球波浪能的总储量约为25亿kW,开发前景巨大。如图1.1所示， 为全球波浪能能流密度区域分布图，图中可以看出世界上波浪能密度较大的区域集中于印 度洋和太平洋的南部、大西洋北部，太平洋北部等地区。一般波浪能流密度达到2kW/m 时被认为可以加以利用，图中可知全球大部分海洋区域的属于可利用的范围5 点吸收式波浪能发电装置也称为振荡浮子式波浪能发电装置，原理是通过海面漂浮的 振荡浮子来吸收海洋波浪的能量，并通过一定的转换方式来将这些能量转化为电能，点吸 收式波浪能发电技术采集波浪能的效率较高，制造也相对容易，成本也较低，适合波浪能 能流密度较低的国家，上一节中提及我国波浪能量密度普遍偏小，所以点吸收式波浪能发 电装置适合在我国进行研究和推广。由于点吸收式波浪能发电技术具有转换效率高、结构尺寸可变性大的优势，目前相关 装置目前理论研究和设计研发发展很快，研究主要集中于装置的波浪水动力性能分析、装置 控制策略如相位控制、反馈调节控制等，通过改变设计参数优化装置发电效率、提高装 置安全性能，应用新型压电材料的发电也已成为重要方向，本文主要涉及装置的水动力学 分析，所以侧重介绍这方面的研究状况。近年来，点吸收式波浪能发电技术发展较快，有很多点吸收式波浪能发电装置已进行 模型样机的水槽实验，部分已投入实海况试验和小规模运行。如图1.6所示为英国AWS Ocean Energy公司研发Archimedes Wave Swing装置在2010年于苏格兰附近海域建立的试 验实物和原理示意图，它的原理是通过圆柱形浮筒，浮筒由于波浪的作用而起伏运动时， 浮筒内通过缆绳锚系直线电机的机芯部分并不随浮筒一起运动，从而通过直线电机的机芯 往复运动发电。图1.6英国Archimedes Wave Swing装置实物与示意图我国波浪能利用技术具有起步晚、发展速度快、开发规模较小的特点，相关图1.7为中国 科学院广州能源研究所研制的点吸收式直线发电试验装置2011年底在广州大万山岛海域运 行时的情况及其原理示意图，它的装机容量是10KW,波浪作用下，与水下阻尼板固定连接 的直线电机动子和与振荡浮子固定连接的直线电机定子产生相对运动而发电。(1振荡浮子在波浪中的运动特性决定了振荡浮子的波浪能转换效率，振荡浮子所受的 波浪力、振荡浮子的运动响应特点与波浪参数及自身物理参数的关系，是点吸收式波浪能 发电装置重要的研究课题，早期的点吸收式波浪能发电技术只是涉及的是专利申请和理论 研究，装置样机在实际海洋环境中运行的较少。目前，越来越多的装置的样机和实物已投 入实际海况中运行，通过实海况研究装置的结构性能、发电效率、安全性等问题。由于涉 及到复杂的海洋波浪和结构物间的作用，所以通过理论和仿真设计装置结构和分析装置性 能，并在此基础上进行试验测试，这种理论计算结合模型试验和实海况测试的研究方法已 经成为一种趋势。(2)装置发出电能的稳定性，是波浪能发电能够并网利用的条件，海洋波浪的特点是不 规则，通过工程技术让装置发电趋于规则和稳定，也是研究的重要方向。只有向大规模化 与综合化发展，波浪能利用技术才能实现更好的商业化利用。上世纪大多数波浪能发电装 置功率为千瓦级以内，多为小规模单一装置的独立发电，现在波浪能资源丰富的地区波浪 能发电装置可以达到百万瓦级，并且发展为综合几种采集波浪能原理的装置或者太阳能、 风能的装置，未来将会有更多相关装置的规模化并网利用24(3)装置在极端天气环境下的可靠性，包括装置的避险机制、结构强度等，现有海洋工 程结构物建造技术的应用，与已有工程技术的结合，使装置从设想向实际试验与应用的重综上所述，国内外通过研究海洋波浪能的特点，已提出了多种不同的波浪能发电装置， 这些装置机械结构和原理各异，转换效率高低不一，大部分处于理论或者初步设计阶段。 由于海洋波浪能利用技术较新，针对相关装置的优化设计还比较少，进行相关研究工作对 装置的优化设计具有指导意义。在点吸收式波浪能发电技术方面:以往多采用单振荡浮子 采集波浪能的方式，或者多个点吸收式装置在二次转换以后再进行电力调配和并网，对多 点阵列的点吸收式波浪能发电装置的研究较少，相关振荡浮子阵列中振荡浮子间运动的相 互影响也较少。六 海洋能是储藏于海水中的可再生能源，它所含资源丰富，具备大规模开采的资源条件 和技术潜力，能够为将来社会和经济的发展供应充足的资源。(1)能源危机日益严峻目前，全球能源需求持续增加，传统能源日益枯竭，同时大量化石能源的使用又引 发了严重的环境污染和气候问题，这些已成为全球普遍关注的焦点。据美国能源信息署(EIA)预测m,世界能源需求量2020年将达到128.89亿吨油当量,2025年将达到136.50 亿吨油当量，能源需求年均增长1.2%左右。KBP世界能源统计2006的统计数据表明f21 以目前的开采速度,全球石油、天然气和煤炭储量分别可以供应40年、65年和162年。 因化石能源使用而引发的气候异常现象和酸雨等环境问题也呈逐年增多之势。为有效地 解决上述问题,大力开发可再生能源势在必行,也是人类社会实现可持续发展的必要条 件。如今,我国已成为全球第二大能源生产及消费国,但我国人均能源拥有量仍处于较 低水平,例如,煤炭、水利资源约为世界人均拥有量平均水平的一半,而天然气、石油 资源仅约占世界人均拥有量平均水平的1/15 4。同时,我国还面临着能源资源分布不均 能源结构不合理、能源技术装备水平低等诸多问题。可再生能源正在成为我国优先发展 的能源方向,它在增加能源供应、减少环境污染、改善能源结构、确保能源安全等方面 具有重要作用。2006年1月1日,我国颁布实施了可再生能源法,制定了鼓励可再生七资源短缺和环境污染是人类长期面临的两大难题,目前世界各国纷纷加大对可再生能源 的投入,并出台相应政策予以支持。由表1-1可以看出,世界三大能源:石油、煤炭、天然 气可开采时间最长也只有119年,而我国的情况更为严峻一一均不足40年,表中储量产出 比(可开采年限)以 2009 年开采速度计算。虽然三大能源已探明储量逐年增加,但据International Energy Outlook 2010)预测，未来30年三大能源的开采速度和消费 速度也逐年增加，且探明储量增速远不及开采速度的增加。各机构统计依据不同及信息不对 称，造成各单位的统计结果不完全相同，但总体趋势相同，探明储量及可开采年限相差不多。 波浪能波浪能是指波浪所具有的动能和势能。所有可再生能源中，波浪能的能量密度最高且易于 采集，因此得到了世界各国的重视。世界波浪能密度较高的地区为大洋东岸，如，太平洋 东岸的美洲，大西洋东岸的北欧，印度洋东岸的澳洲西部等，这些地区波能密度均较大最大 可达loo千瓦/米。波浪发电技术先进的国家也大多聚集在这些地区，如，挪威、西班牙、 英国、葡萄牙、美国等。虽然日本岛海域波能密度较小，但其对波浪发电的研究具有较高的 水平。波浪能随季节变化很大，冬季波浪能比夏季高出近六倍，图1-6中标注的数值为波浪 能密度年平均值。据估计，全球波浪能的储量可达到2530亿千瓦，而我国沿岸波浪能资源理论平均功率 约为1300万千瓦，但分布很不均匀，台湾省沿岸最多达429万千瓦，其次是浙江、广东、 福建和山东沿岸，在160205万千瓦之间，其它地方则很少。我国拥有大小岛屿5500多个， 这些岛屿的供电问题大都难以解决。如果能将波浪发电推向实用阶段，将在很大程度上解 决岛屿供电问题。随着世界经济的发展、人口的激增、社会的进步，能源危机和环境污染成为当今社 会最重要的两个发展问题，这也促进了海洋能的研究和发展。海洋能是指海洋中所蕴藏 的可再生的自然能源，包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能和盐差能等。其中，波浪 能由于开发过程中对环境影响最小且以机械能的形式存在，是品位最高的海洋能之一。据估 算波浪能全世界波浪能的理论值约为109kW量级，是现在世界发电量的数百倍，因此， 有着广阔的商用前景。中国拥有473万平方公里的海洋国土、绵延1.8万km的海岸线，可以说有着富饶的海洋能 资源。据现有观测资料统计，全国沿岸波浪能资源平均理论功率大约为1000余万kw,其中 台湾省沿岸最多，为429万kW,占全国总量的1/3;其次是浙江、广东、福建和山东等沿岸 较多，在161万一 20_5万kW间，合计为706万kW,占全国总量的_5 _5 070;其他省市沿 岸则较少，在14.4万一 _56.3万kW之间3。全国沿岸波浪能流密度分布，以浙江中部、 台湾、福建省海坛岛以北、渤海海峡为最高，达5.11-7.73 kW/m;其次是西沙、广东东部、 浙江北部和南部，达3.63 -4.05 kW/m;再次为福建南部和山东半岛南岸，达2.2_5 -2.82 kW/m4，可见我国可将极为丰富的波浪能作为一种储量巨大的清洁可再生能源。鉴于波浪能利用在成本和技术方面都难以和常规能源相竞争，波浪能转换装置在当 前还难以得到广泛推广和应用。但在常规能源缺乏的海岛和海上设施的能源供应上，波 浪能就显示了其特有的优越性和生命力2。如今能源缺乏己严重制约我国诸多岛屿的经 济发展和国防建设，因此，波浪能的广泛应用对这些地区的资源开发有重要的现实意义。综上所述，随着海洋开发不断向纵深发展，波浪能可为将来的海上工程作业提供便 利的电能，解决离岸离岛的用电问题。2011年，中国超越日本成为世界第二大经济体， 对能源需求进一步增大。作为不可再生资源的化石燃料己经难以满足我们对能源的进一 步需求，且化石燃料在大规模使用的同时不仅会加重环境污染，也会加速全球变暖。由 此可见，人类势必会增强对波浪能等可再生清洁能源的需求量，从长远来看，波浪能的 利用具潜力巨大，加快波浪能的研究和开发具有重要的现实意义。随着波浪能利用中某 些关键技术的逐步解决，波浪能必将在能源结构中占据重要位置。因此，波浪能具有非 常好的开发前景和意义，如果开发得当，将成为一种可以提供人类生活生产需要的绿色 能源。此外，我国的波浪能资源丰富，天然条件得天独厚，使我国研究波浪能发电技术具有重要的意义，既可缓解能源危机的压力，也具有现实的经济效益和长远的战略意义。这种用船作载体的浮子式波能转换装置是海浪发电中的一种新型结构形式，与常见的几种发电装置相比，具有众多的优点，具体的如表1.4 所示:八能量消耗水平是衡量社会进步与公共福利最直接的方法之一。据估计，2040 年的能量消耗 水平会比目前高出30%左右。到2040年，电能消耗将占到全球能量消耗总水平的40%以上。 考虑到传统能源的有限性和不可再生性，未来人们对于能量的需求仅仅依靠传统能源将难以 得到满足。因此，寻求高效可靠的新能源成为解决人们能源需求的一个重要的途径。在过去三十年，人们投入大量的精力来研究太阳能和风能，很大地促进了这些新能源 的发展。但是除了太阳能和风能，还有一种具有很大潜在可利用能量的新型能源，即波浪 能，己经吸引越来越多的研究人员投入其中，以寻求一种有效安全的波浪能利用方式。根 据 International Energy Agency-Ocean Energy Systems在 2006 年发行的能源政策报告估 计f2l，理论上波浪能能源利用总量为8000-80000TWh/year（lTW=1012W。然而，面对如此 大的可利用的潜在能量，由于技术上不成熟和利用成本比较高，波浪能目前的利用效率偏低。 因此，设计高效安全的波浪能发电装置成为提高波浪能利用效率的关键环节。波浪能资源的优势波浪能资源的储量巨大，而且比其他新能源如风能和太阳能更可靠。波浪能的能量密度为2-3kW/m2，而风能和太阳能的能量密度分别为和 。另外波浪能还具有以下的优势：.相比与风能或者太阳能，波浪能够在能量损失较小的情况下传播较远的距离，例如从大西 洋的西岸起源的风暴传播到东岸，其能量损失很小3,4.波浪能发电装置可以利用波浪时历 90%的比例（风能和太阳能只能利用 20-300/的时 间）4,5.波浪能可预测的能量储量远远大于风能4,6 .波浪能的分布特点使得能源产地与客户需求能够更好的联系起来。因为世界上37%的人口 居住在距离海岸90km以内的范围0波浪能是一种分布很广泛的能源，其利用范围可以从海岸边到深海区域，例如MutrikuOWC plants坐落在海岸旁边的放浪堤上;WaveHubg测试地址在离海岸1_Skm的地方。到目前 为止，还没有在深海布置的波浪能发电装置，但是己经有几种正在研究的装置是针对离岸区 域的，如 Wave Dragon9, Pelamislo和 0EBuoy 川等。波浪能的利用对于环境的干扰较小，另外波浪能发电装置还可以在海港或者易被海水冲刷的 地方用做防浪堤3,4,62.3波浪能资源的分布情况对于波浪能技术的发展和波浪能发电场场址的选择而言，我们有必要了解相应 的海况以及波浪能资源的分布状况。在这方面己经有很多文章来研究世界范围内波 浪能资源的分布情况13一17。从这些研究中，我们可以得到以下结论： 振荡浮体式波浪能发电装置模型简介本文主要研究振荡浮体式波浪能发电装置，如图7所示。振荡浮体式波浪能发 电装置主要利用装置在波浪激励下的垂荡运动来捕获能量。一般来讲，振荡浮体式 波浪能发电装置为单个振荡浮体相对于固定海底参照物振荡或者是两个浮体间的相 对运动。浮体的垂荡运动通过波能转换系统转换为电能。波能转换系统一般为液压 系统或者是直驱电机。对于液压系统，通常是浮体的振荡运动转换为装置的液压能， 然后再通过相连的发电机发电;对于直驱式电机，振荡浮体的运动直接带动电机发 电，减去了中间环节，使得波能转换系统结构复杂性降低，但是由于装置运动的幅wnlerupward rmotrontiawunwaird mat i ah图7振荡浮体式波浪能发电装置Fig.7 An illustration of the point absober振荡浮体式波浪能发电装置在设计过程中既要保证结构上安全可靠，又要力促 其经济上可行。因此对波浪能发电装置的研究是一个多学科交叉的问题，牵扯到振 荡浮体的水动力性能，结构安全性，外形优化，波浪能转换系统的特性，控制等多 方面的探究。目前针对振荡浮体式波浪能发电装置，主要的研究方向有以下几种: .振荡浮体式波浪能发电装置的水动力性能振荡浮体式波浪能发电装置的水动力性能对于其发电效率有着很重要的影响， 因此振荡浮体式波浪能装置研究工作的很大一部分是针对其水动力性能展开研究的。学的基本理论，系统的研究了振荡浮体式波浪能发电装置的水动力特性。Goggins和 Finnegan39 提出了针对振荡浮体外形优化的一种方法，并且针对特定的海域进行水动 力计算，验证该优化方法。Johanning等人40通过实验的方法研究了系泊系统阻尼对 于波浪能发电装置水动力性能与发电效率的影响。Fitzgerald和Bergdah141提出了在 频域计算时考虑波浪能装置的真实系泊系统的方法，并且对该方法进行了验证。Cerveira 等人42研究了悬链线式系统泊系统对于振荡浮体式波浪能发电装置动力响 应与发电效率的影响，得出结论:悬链线式系泊系统对于振荡浮体式波浪能发电装 置的水动力响应与能量捕获效率的影响可以忽略。Agamloh等人43运用CFD方法计 算了不同参数波浪作用下振荡浮体式波浪能发电装置的水动力响应。.振荡浮体式波浪能发电装置阵列的水动力相互影响由于单个波浪能发电装置能量捕获效率相对较低，因此未来发展趋势必然是将很多波浪能发电装置布置成发电场来提高总的捕获能量，这也是波浪能发电进入商 业化发展必须经历的阶段。波浪能发电场牵扯到不同装置之间的水动力性能的相互影响。要寻求一种有效的布置方式来提高发电场整体的能量捕获效率。Budal(1997)44 首先研究了波浪能发电装置的水动力相互影响。他忽略了装置对波浪的绕射作用，仅仅考虑了装置振荡的辐射作用。Falnes(1980)4s以及Falnes和Budal(1982)46研究 指出影响因子q可能大于或者小于1,具体依赖于入射波的周期以及装置阵列的布置 形式。Garnaud和Mei(2009)4提出了针对振荡浮体式波浪能发电装置阵列比较稠密 时的水动力影响的计算公式。Child和Venugopal C 2010 ) 4g以及Child(2011) X49提 出了两种不同的方法来对波浪能装置布置阵列进行优化。Borgarino等人(2012 ) so研 究了一系列的浮子式波浪能发电装置阵列的布置形式,并且指出一般情况下针对浮 子式波浪能装置的垂荡或者纵荡运动,三角形形式的阵列是一种相对最优的形式, 因为这种形式的布置的遮蔽效应最优。另外,更有效的计算大规模波浪能发电装置 阵列的水动力影响的数值方法也是值得研究的一个问题。欢迎您的下载，资料仅供参考！致力为企业和个人提供合同协议，策划案计划书，学习资料等等打造全网一站式需求2 欢迎下载