新能源發(fā)電技術(shù) 第2版 教學(xué)課件 8波浪能

第8講波浪能和波浪能發(fā)電§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。波浪的能量來自于風(fēng)和海面的相互作用，是風(fēng)的一部分能量傳給了海水，變成波浪的動(dòng)能和勢能。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（按形成和發(fā)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)。 由于海浪會向遠(yuǎn)處傳播，往往由風(fēng)引起的波浪在靠近其形成的區(qū)域才被稱為風(fēng)浪。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。涌浪包括傳到無風(fēng)海區(qū)的風(fēng)浪和海風(fēng)停息或風(fēng)速、風(fēng)向突變后的存留下來的風(fēng)浪余波。外海的風(fēng)浪或涌浪傳到海岸附近，受水深和地形作用會改變波動(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（根據(jù)波高大?。┩ǔL(fēng)浪分為10個(gè)等級，將涌浪分為5個(gè)等級：0級無浪、無涌，海面水平如鏡；5級大浪、6級巨浪，對應(yīng)4級大涌，波高2～6米；7級狂浪、8級狂濤、9級怒濤，對應(yīng)5級巨涌，波高6.1米到10多米。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)生勢能。形成波浪的原動(dòng)力主要來自于風(fēng)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(fēng)能而形成的，其根本來源是太陽能（風(fēng)能也來自于太陽能）。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。歐洲和美國的西部海岸、新西蘭和日本的海岸均為利用波浪能有利地區(qū)。圖8.3波浪能年平均功率密度的全球分布圖（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(jì)，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(dá)17~39kW/m，渤海灣更高達(dá)42kW/m。據(jù)《中國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1285萬千瓦。90%以上分布在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)而常規(guī)能源缺乏的東南沿海，主要是浙江、福建和廣東沿海，以及臺灣省沿岸。據(jù)波浪能能流密度和開發(fā)利用的自然環(huán)境條件，首選浙江、福建沿岸，應(yīng)為重點(diǎn)開發(fā)利用地區(qū)，其次是廣東東部、長江口和山東半島南岸中斷。也可以選擇條件較好的地區(qū)，如嵊山島、南麂島、大戢山、云澳、表角、遮浪等處。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(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，在太平洋、大西洋東海岸緯度40～60°區(qū)域，波浪能可達(dá)到30～70kW/m，某些地方達(dá)到100kW/m；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(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)電裝置的基本構(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。波浪上下起伏或左右搖擺，能夠直接或間接帶動(dòng)水輪機(jī)或空氣渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)……目前國際上應(yīng)用的各種波浪能發(fā)電裝置都要經(jīng)過多級轉(zhuǎn)換?！?.3波浪發(fā)電裝置的基本構(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（一般是某種工質(zhì)如空氣或水的壓力能，或者水的重力勢能）；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)簡單，而且以空氣為工質(zhì)，沒有液壓油泄露的問題。（3）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，成本也較高。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）蓄能水庫式蓄能水庫式，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)相對簡單，主要是一些水工建筑，然后是傳統(tǒng)的水輪機(jī)房。而且由于有水庫儲能，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，是最初在岸邊發(fā)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(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）

發(fā)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)1976年，英國的威爾斯（Wells）發(fā)明了能在正反向交變氣流作用下始終單向旋轉(zhuǎn)做功的氣輪機(jī)。這是一種具有對稱翼型葉片的氣輪機(jī)。葉片截面與傳統(tǒng)汽輪機(jī)葉片或螺旋槳葉片不同，而是呈對稱形狀。當(dāng)波浪起伏往返運(yùn)動(dòng)而使氣室中的氣流來回流動(dòng)時(shí)，這種對稱翼葉片可在相反方向氣流作用下仍然保持旋轉(zhuǎn)方向不變，從而特別適合于方向反復(fù)變化的氣流運(yùn)動(dòng)。具有這種葉片的氣輪機(jī)已被廣泛采用。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)方向如果來回變化，發(fā)電也時(shí)正時(shí)負(fù)……（2）振蕩浮子式（Buoy）圖8.19的Buoy波浪能轉(zhuǎn)換裝置，為瑞典IPSInterprojectServiceAB發(fā)明、美國AquaEnergy公司開發(fā)。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(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。（3）點(diǎn)頭鴨式（Duck）1983年愛丁堡大學(xué)StephenSalter教授在英國波浪能研究計(jì)劃資助下開發(fā)出Salter’sDuck。鴨子的“胸脯”對著海浪傳播的方向，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，從而帶動(dòng)工作泵，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

（3）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，而在長波中的效率可以通過改變節(jié)點(diǎn)控制脊骨的彎曲度來實(shí)現(xiàn)。

它可以同時(shí)將波浪的動(dòng)能和勢能轉(zhuǎn)換，理論上為所有波能轉(zhuǎn)換器中最有效的一種，效率達(dá)到90%以上。往往要在狹長的浮動(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?！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。（4）海蛇式（Pelamis）圖8.11

為蘇格蘭OceanPowerDelivery公司開發(fā)的Pelamis（又名海蛇號）波浪發(fā)電裝置。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)就會起動(dòng)鉸接點(diǎn)，其內(nèi)部的液壓圓筒的泵油會起動(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?。裝置長度約為130米，直徑達(dá)3.5米。

（5）擺式（Pendulum）日本室蘭工業(yè)大學(xué)于1983年在北海道室蘭附近的內(nèi)浦灣建造了一座推擺式波浪能電站，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%。

這是日本的波浪能電站中效率較高的一個(gè)。

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。（5）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)換成勢能。水流從楔形流道上端流出，進(jìn)入一個(gè)水庫，然后經(jīng)過水輪機(jī)返回大海。挪威波能公司（NorwaveA.S.）建造了一種SeawaveSlot-Cone發(fā)電裝置，其核心技術(shù)與TAPCHAN類似。（7）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(shè)計(jì)。（8）CETO漂浮系統(tǒng)2008年，英國TridentEnergy公司在澳大利亞西部弗里曼特爾附近地區(qū)安裝了一種漂浮系統(tǒng)，如圖8.17所示。漂浮物可在海浪作用下向下移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)海水穿過鋪設(shè)于海床上的管道送上到岸邊。岸上的水輪機(jī)不受海水的腐蝕和破壞。迄今表現(xiàn)相當(dāng)不錯(cuò)，第一個(gè)商業(yè)發(fā)電廠于2009年部署。據(jù)稱一個(gè)面積5公頃的漂浮物陣列可產(chǎn)生50兆瓦的功率。8.7

波浪發(fā)電的發(fā)展1799年，一對法國父子申請了世界上第一個(gè)關(guān)于波浪能發(fā)電裝置的專利。1964年，日本海軍士官益田善雄研制成世界上第一個(gè)海浪發(fā)電裝置——航標(biāo)燈，并于1965年率先將該波浪發(fā)電裝置商品化。中國科學(xué)院廣州能源研究所于1989年在廣東珠海建成了第一座示范實(shí)驗(yàn)波