新能源發(fā)電技術(shù)課件08波浪能學(xué)生版

第8講波浪能和波浪能發(fā)電課件制作：朱永強(qiáng)，胡鵬濤配套教材：《新能源發(fā)電技術(shù)》朱永強(qiáng)趙紅月，機(jī)械工業(yè)出版社“十三五〞國(guó)家重點(diǎn)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(rèn)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(fēng)等外力作用下沿水平方向的周期性運(yùn)動(dòng)，形成波浪，俗稱海浪。波浪的能量來(lái)自于風(fēng)和海面的相互作用，是風(fēng)的一局部能量傳給了海水，變成波浪的動(dòng)能和勢(shì)能。風(fēng)傳遞給海水的能量取決于風(fēng)速、風(fēng)與海水作用時(shí)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(zhǎng)從幾毫米到數(shù)千公里， 周期從零點(diǎn)幾秒到幾小時(shí)以上。波浪的分類〔按形成和開展的過程〕風(fēng)浪，指的是在風(fēng)的直接吹拂作用下產(chǎn)生的水面波動(dòng)。

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

波浪能資源的分布和特點(diǎn)波浪的前進(jìn)，產(chǎn)生動(dòng)能，波浪的起伏產(chǎn)生勢(shì)能。形成波浪的原動(dòng)力主要來(lái)自于風(fēng)對(duì)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(fēng)能而形成的，其根本來(lái)源是太陽(yáng)能〔風(fēng)能也來(lái)自于太陽(yáng)能〕。波浪的能量與波浪的高度、波浪的運(yùn)動(dòng)周期以及迎波面的寬度等多種因素有關(guān)。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(guó)教科文組織1981年出版物的估計(jì)數(shù)字，全世界的波浪能的理論蘊(yùn)藏量為30億千瓦。估計(jì)技術(shù)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(guó)波浪能資源我國(guó)海岸線長(zhǎng)，海域遼闊。根據(jù)海洋觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)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(dá)17~39kW/m，渤海灣更高達(dá)42kW/m。據(jù)《中國(guó)新能源與可再生能源1999白皮書》統(tǒng)計(jì)結(jié)果，進(jìn)入岸邊的波浪能理論平均功率為1285萬(wàn)千瓦。省份臺(tái)灣浙江廣東福建山東海南江蘇遼寧其他數(shù)量/萬(wàn)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(guó)波浪能資源分布表§8.2.3波浪能的優(yōu)點(diǎn)在海洋能中，波浪能除可循環(huán)再生以外，還有以下優(yōu)點(diǎn)：1〕以機(jī)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(wú)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(shí)現(xiàn)其利用；5〕波浪能可提供可觀的廉價(jià)能量?！?.3波浪發(fā)電裝置的根本構(gòu)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(zhuǎn)換裝置，先把波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再最終轉(zhuǎn)換成電能?！?.3波浪發(fā)電裝置的根本構(gòu)成波浪能利用的關(guān)鍵是波浪能轉(zhuǎn)換裝置，通常經(jīng)三級(jí)轉(zhuǎn)換：1〕波浪能采集系統(tǒng)(即受波體)，捕獲波浪的能量；2〕機(jī)械能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(中間轉(zhuǎn)換裝置)，把捕獲的波浪能轉(zhuǎn)換為某種特定形式的機(jī)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(jī)或水輪機(jī)等設(shè)備將機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能?！?.4波浪能的轉(zhuǎn)換方式波浪發(fā)電裝置的種類很多……但波浪能的轉(zhuǎn)換方式，大體上可分為四類：1〕機(jī)械傳統(tǒng)式2〕空氣渦輪式3〕液壓式4〕蓄能水庫(kù)式§8.4波浪能的轉(zhuǎn)換方式〔1〕機(jī)械傳動(dòng)式〔2〕空氣渦輪式這種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且以空氣為工質(zhì)，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(zhuǎn)換為液體〔油或海水〕的壓能或位能，再由油壓馬達(dá)或水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。波浪運(yùn)動(dòng)使海面浮體升沉或水平移動(dòng)，從而產(chǎn)生工作流體的動(dòng)壓力和靜壓力，驅(qū)動(dòng)油壓泵工作，將波浪能轉(zhuǎn)換為油的壓能或產(chǎn)生高壓液體流，經(jīng)油壓系統(tǒng)輸送，再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這類裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本錢也較高。但由于液體的不可壓縮性，當(dāng)與波浪相互作用時(shí)，液壓機(jī)構(gòu)能獲得很高的壓強(qiáng)，轉(zhuǎn)換效率也明顯高。〔4〕蓄能水庫(kù)式蓄能水庫(kù)式，也叫收縮斜坡聚焦波道式。

其實(shí)就是借助上漲的海水制造水位差，然后實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)發(fā)電，類似潮汐發(fā)電。這類裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且由于有水庫(kù)儲(chǔ)能，可實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定和便于調(diào)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(duì)地形條件依賴性強(qiáng)，應(yīng)用受到局限。根據(jù)系留狀態(tài)，波浪能轉(zhuǎn)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(lái)近岸或海床錨碇式的，第三代裝置，創(chuàng)新的離岸波浪能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換裝置，往往都需要一個(gè)主梁或主軸，即一種居中的、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，系錨或固定在海床或海灘。根據(jù)主梁與波浪運(yùn)動(dòng)方向的幾何關(guān)系，波浪能轉(zhuǎn)換裝置可分為三種不同的模式：〔1〕終結(jié)型模式〔2〕減緩型模式〔3〕點(diǎn)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(jī)水注上升和下降時(shí)，經(jīng)過氣輪機(jī)的氣流方向是相反的，氣輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向如果來(lái)回變化，發(fā)電也時(shí)正時(shí)負(fù)……〔2〕振蕩浮子式〔Buoy〕包含浮體及連結(jié)其上的加速管。加速管中間的工作圓筒(內(nèi)有工作活塞)，上下兩邊開口，可使水暢流無(wú)阻。能量吸收裝置是一對(duì)具彈性的軟管泵，受工作活塞操控。隨著波浪運(yùn)動(dòng)，浮子上下起伏使軟管伸張及松弛，可以壓迫海水經(jīng)止逆閥到中心的渦輪機(jī)及發(fā)電單元?！?〕點(diǎn)頭鴨式〔Duck〕鴨子的“胸脯〞對(duì)著海浪傳播的方向，隨著海浪的波動(dòng)，像不倒翁一樣不停地?cái)[動(dòng)。搖擺機(jī)構(gòu)帶動(dòng)內(nèi)部的凸輪/鉸鏈機(jī)構(gòu)，改變工作液體的壓力，從而帶開工作泵，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電?！?〕點(diǎn)頭鴨式〔Duck〕為提高能量的吸收效率，“點(diǎn)頭鴨〞的運(yùn)動(dòng)應(yīng)與水粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡相一致，而在長(zhǎng)波中的效率可以通過改變節(jié)點(diǎn)控制脊骨的彎曲度來(lái)實(shí)現(xiàn)。它可以同時(shí)將波浪的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)換，理論上為所有波能轉(zhuǎn)換器中最有效的一種，效率到達(dá)90%以上。往往要在狹長(zhǎng)的浮動(dòng)主梁骨架上，并排〔有一定的間隔〕放置多個(gè)“鴨子〞，甚至可以延伸到幾千米長(zhǎng)?！包c(diǎn)頭鴨〞主要作為終結(jié)型裝置，主梁的方向調(diào)整為沿著波前的方向?！?〕海蛇式〔Pelamis〕由一系列圓柱形鋼殼結(jié)構(gòu)單元鉸接而成，外型類似火車。

〔4〕海蛇式〔Pelamis〕當(dāng)波浪起浮帶動(dòng)整條裝置時(shí)就會(huì)起動(dòng)鉸接點(diǎn)，其內(nèi)部的液壓圓筒的泵油會(huì)起動(dòng)液壓馬達(dá)經(jīng)過一個(gè)能量平滑系統(tǒng)。

在每個(gè)鉸接點(diǎn)產(chǎn)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(yàn)電站，擺寬為2米，最大擺角±30度。波高1.5米、周期為4秒時(shí)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(dòng)將波浪能轉(zhuǎn)換為液壓產(chǎn)生電力?！?〕擺式〔Pendulum〕〔6〕收縮坡道式〔TAPCHAN〕TAPeredCHANnel意思是收縮坡道，有的文獻(xiàn)稱為楔形流道，即逐漸變窄的楔形導(dǎo)槽。在電站入口處設(shè)置喇叭形聚波器和逐漸變窄的楔形導(dǎo)槽，當(dāng)波浪進(jìn)入寬闊一端向里傳播時(shí)，波高不斷地被放大，直至波峰溢過邊墻，轉(zhuǎn)換成勢(shì)能。水流從楔形流道上端流出，進(jìn)入一個(gè)水庫(kù)，然后經(jīng)過水輪機(jī)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(guó)AWS海洋能源公司設(shè)計(jì)?！?〕CETO漂浮系統(tǒng)2008年，英國(guó)T