新能源發(fā)電技術課件08波浪能學生版

第8講波浪能和波浪能發(fā)電課件制作：朱永強，胡鵬濤配套教材：《新能源發(fā)電技術》朱永強趙紅月，機械工業(yè)出版社“十三五〞國家重點出版物出版規(guī)劃工程卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認證系列規(guī)劃教材§8波浪能和波浪發(fā)電

§8.1波浪的成因和類型海水在風等外力作用下沿水平方向的周期性運動，形成波浪，俗稱海浪。波浪的能量來自于風和海面的相互作用，是風的一局部能量傳給了海水，變成波浪的動能和勢能。風傳遞給海水的能量取決于風速、風與海水作用時間及作用路程，表現(xiàn)為不同速度、不同“大小〞的波浪。海浪的波高從幾毫米到幾十米， 波長從幾毫米到數(shù)千公里， 周期從零點幾秒到幾小時以上。波浪的分類〔按形成和開展的過程〕風浪，指的是在風的直接吹拂作用下產生的水面波動。

風浪可從其形成區(qū)域傳播開去，出現(xiàn)在距離很遠的海面。這種不在有風海域的波浪稱為涌浪。外海的風浪或涌浪傳到海岸附近，受水深和地形作用會改變波動性質，出現(xiàn)折射、波面破碎和倒卷，這就是近岸浪。海浪的等級〔根據(jù)波高大小〕通常將風浪分為10個等級，將涌浪分為5個等級：水面上的大小波浪交替，有規(guī)律地順風滾動前進；水面下的波浪隨風力不同做直徑不同、轉速不同的圓周或橢圓運動，如圖8.1所示。海浪的運動海岸附近的波浪折射§8.2

波浪能資源的分布和特點波浪的前進，產生動能，波浪的起伏產生勢能。形成波浪的原動力主要來自于風對海水的壓力以及其與海面的摩擦力，波浪能是海洋吸收了風能而形成的，其根本來源是太陽能〔風能也來自于太陽能〕。波浪的能量與波浪的高度、波浪的運動周期以及迎波面的寬度等多種因素有關。因此，波浪能是各種海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種?！?.2.1全球波浪能資源根據(jù)聯(lián)合國教科文組織1981年出版物的估計數(shù)字，全世界的波浪能的理論蘊藏量為30億千瓦。估計技術上允許利用的波浪能約占1/3，即10億千瓦。波浪能年平均功率密度的全球分布圖參見教材圖8.3〔圖中的數(shù)字表示離岸深水處的波浪能平均值〔kW/m〕§8.2.2我國波浪能資源我國海岸線長，海域遼闊。根據(jù)海洋觀測資料統(tǒng)計，我國沿海海域年平均波高在2~3m，波浪周期平均6~9秒，波浪功率可達17~39kW/m，渤海灣更高達42kW/m。據(jù)《中國新能源與可再生能源1999白皮書》統(tǒng)計結果，進入岸邊的波浪能理論平均功率為1285萬千瓦。省份臺灣浙江廣東福建山東海南江蘇遼寧其他數(shù)量/萬kw429.1205.317416616156.329.125.538.1占比/%33.41613.512.912.54.42.31.22.9

[微軟用戶1]新表格我國波浪能資源分布表§8.2.3波浪能的優(yōu)點在海洋能中，波浪能除可循環(huán)再生以外，還有以下優(yōu)點：1〕以機械能形式存在，在各種海洋能中品位最高；2〕在海洋能中能流密度最大，3〕海浪無處不在，波浪能在海洋中分布最廣。4〕波浪能可通過較小的裝置實現(xiàn)其利用；5〕波浪能可提供可觀的廉價能量?！?.3波浪發(fā)電裝置的根本構成波浪發(fā)電是波浪能利用的主要方式。波浪發(fā)電，一般是通過波浪能轉換裝置，先把波浪能轉換為機械能，再最終轉換成電能。§8.3波浪發(fā)電裝置的根本構成波浪能利用的關鍵是波浪能轉換裝置，通常經三級轉換：1〕波浪能采集系統(tǒng)(即受波體)，捕獲波浪的能量；2〕機械能轉換系統(tǒng)(中間轉換裝置)，把捕獲的波浪能轉換為某種特定形式的機械能；3〕發(fā)電系統(tǒng)，與常規(guī)發(fā)電裝置類似，用空氣渦輪機或水輪機等設備將機械能傳遞給發(fā)電機轉換為電能。§8.4波浪能的轉換方式波浪發(fā)電裝置的種類很多……但波浪能的轉換方式，大體上可分為四類：1〕機械傳統(tǒng)式2〕空氣渦輪式3〕液壓式4〕蓄能水庫式§8.4波浪能的轉換方式〔1〕機械傳動式〔2〕空氣渦輪式這種裝置結構簡單，而且以空氣為工質，沒有液壓油泄露的問題?！?〕液壓式液壓式指通過某種泵液裝置將波浪能轉換為液體〔油或海水〕的壓能或位能，再由油壓馬達或水輪機驅動發(fā)電機。波浪運動使海面浮體升沉或水平移動，從而產生工作流體的動壓力和靜壓力，驅動油壓泵工作，將波浪能轉換為油的壓能或產生高壓液體流，經油壓系統(tǒng)輸送，再驅動發(fā)電機發(fā)電。這類裝置結構復雜，本錢也較高。但由于液體的不可壓縮性，當與波浪相互作用時，液壓機構能獲得很高的壓強，轉換效率也明顯高。〔4〕蓄能水庫式蓄能水庫式，也叫收縮斜坡聚焦波道式。

其實就是借助上漲的海水制造水位差，然后實現(xiàn)水輪機發(fā)電，類似潮汐發(fā)電。這類裝置結構相對簡單，而且由于有水庫儲能，可實現(xiàn)較穩(wěn)定和便于調控的電能輸出，是迄今最成功的波浪能發(fā)電裝置之一。但一般獲得的水位不高，因此效率也不高，而且對地形條件依賴性強，應用受到局限。根據(jù)系留狀態(tài)，波浪能轉換裝置可分為兩大類：〔1〕固定式〔2〕漂浮式。第一代裝置，是最初在岸邊開展的早期裝置，第二代裝置，是后來近岸或海床錨碇式的，第三代裝置，創(chuàng)新的離岸波浪能轉換裝置?！?.5波浪能裝置的安裝模式§8.5波浪能裝置的安裝模式各種波浪能轉換裝置，往往都需要一個主梁或主軸，即一種居中的、穩(wěn)定的結構，系錨或固定在海床或海灘。根據(jù)主梁與波浪運動方向的幾何關系，波浪能轉換裝置可分為三種不同的模式：〔1〕終結型模式〔2〕減緩型模式〔3〕點吸收模式§8.5波浪能裝置的安裝模式§8.6典型的波浪能發(fā)電裝置〔1〕振蕩水柱式〔OWC〕開展最早、研究最多也是目前最成熟的波浪能利用裝置。Wells渦輪機水注上升和下降時，經過氣輪機的氣流方向是相反的，氣輪機的旋轉方向如果來回變化，發(fā)電也時正時負……〔2〕振蕩浮子式〔Buoy〕包含浮體及連結其上的加速管。加速管中間的工作圓筒(內有工作活塞)，上下兩邊開口，可使水暢流無阻。能量吸收裝置是一對具彈性的軟管泵，受工作活塞操控。隨著波浪運動，浮子上下起伏使軟管伸張及松弛，可以壓迫海水經止逆閥到中心的渦輪機及發(fā)電單元?！?〕點頭鴨式〔Duck〕鴨子的“胸脯〞對著海浪傳播的方向，隨著海浪的波動，像不倒翁一樣不停地擺動。搖擺機構帶動內部的凸輪/鉸鏈機構，改變工作液體的壓力，從而帶開工作泵，推動發(fā)電機發(fā)電?！?〕點頭鴨式〔Duck〕為提高能量的吸收效率，“點頭鴨〞的運動應與水粒子的運動軌跡相一致，而在長波中的效率可以通過改變節(jié)點控制脊骨的彎曲度來實現(xiàn)。它可以同時將波浪的動能和勢能轉換，理論上為所有波能轉換器中最有效的一種，效率到達90%以上。往往要在狹長的浮動主梁骨架上，并排〔有一定的間隔〕放置多個“鴨子〞，甚至可以延伸到幾千米長。“點頭鴨〞主要作為終結型裝置，主梁的方向調整為沿著波前的方向?！?〕海蛇式〔Pelamis〕由一系列圓柱形鋼殼結構單元鉸接而成，外型類似火車。

〔4〕海蛇式〔Pelamis〕當波浪起浮帶動整條裝置時就會起動鉸接點，其內部的液壓圓筒的泵油會起動液壓馬達經過一個能量平滑系統(tǒng)。

在每個鉸接點產生的電力藉由一共同的海底纜線傳輸?shù)桨渡??！?〕擺式〔Pendulum〕擺式波浪能電站，其工作原理如圖8.12所示。5千瓦的試驗電站，擺寬為2米，最大擺角±30度。波高1.5米、周期為4秒時正常輸出約為5千瓦，總效率約為40%。

圖8.13為以色列S.D.EEnergy公司開發(fā)的HydraulicPlatform，通過浮板的擺動將波浪能轉換為液壓產生電力。〔5〕擺式〔Pendulum〕〔6〕收縮坡道式〔TAPCHAN〕TAPeredCHANnel意思是收縮坡道，有的文獻稱為楔形流道，即逐漸變窄的楔形導槽。在電站入口處設置喇叭形聚波器和逐漸變窄的楔形導槽，當波浪進入寬闊一端向里傳播時，波高不斷地被放大，直至波峰溢過邊墻，轉換成勢能。水流從楔形流道上端流出，進入一個水庫，然后經過水輪機返回大海?！?〕阿基米德海浪發(fā)電裝置〔ArchimedesWaveswing〕這是一種位于水下的漂浮物，如圖8.16所示，由英國AWS海洋能源公司設計。〔8〕CETO漂浮系統(tǒng)2008年，英國T