（机械电子工程专业论文）浮力摆式波浪能发电装置仿真与实验研究.pdf

摘要 能源和环境是当今社会的两大热门问题，波浪能作为储量丰富的可再生绿色能源是可 再生能源领域的研究热点。随着波浪能发电愈来愈被重视，世界各国提出了许多波浪发电 的新设想和新技术。至今大约有3 4 0 余种不同的方案，发明专利超过千项。摆式波浪能发 电装置作为波浪能发电装置的一种，其商用价值在不断深入研究的过程中逐渐被体现出 来。 本文主要是关于浮力摆式波浪能发电装置的仿真与实验研究。从理论计算、仿真研究 和厂房实验等三个方面对浮力摆式波浪能发电装置进行研究。其中理论计算为浮力摆和液 压系统的设计提供了理论依据，同时提供了对装置工作地点选址的参考。仿真实验主要利 用伽s i m 仿真软件研究模拟波浪力作用下装置的功率稳定性，同时验证了数字式组合缸 方案的可行性。厂房实验中，利用推动液压缸模拟波浪力，研究装置的功率稳定性，与仿 真实验对比分析。 论文各章内容分别简述如下： 第一章论述了课题的研究背景、波浪能发电装置的国内外研究现状，提出了课题的选 题意义及研究内容。 第二章具体论述了浮力摆式波浪能发电装置的组成和基本原理，分析了在装置的研究 过程中的关键技术。 第三章首先以微幅波理论，对浮力摆固定在中位不动时的波浪力幅值进行计算分析。 然后推导了浮力摆运动情况下装置的一次能量捕获效率，并分析了其与水深、浮力摆的机 械阻尼等的关系。 第四章基于前章的理论基础，对液压系统进行了设计和元件选型。利用伽s i m 对模 拟波浪力作用下液压系统的各项性能进行了仿真研究。同时。针对波浪能发电装置的特殊 性，提出了一种数字式组合液压缸的设计方案，并对其在液压系统中的工作情况进行仿真， 验证方案的可行性。 第五章对浮力摆式波浪能发电装置5 k w 样机进行厂房实验，研究浮力摆式波浪能发 电装置的在模拟波浪力作用下的功率性能，以及变量马达对装置的发电功率的影响。 第六章总结论文的主要研究内容，并提出了对以后工作的展望。 i i 关键词：波浪能发电水动力学计算a 娅s i m 仿真数字式组合液压缸功率稳定性 i i l a b s t r a c t e n e r g ya n de n v i r o n m e n th a v ea l w a y sb e e nm e 锄om a i ni s s u e so fm ew o r l dt o d a 弘a st l l e a _ b u n 妇l tr e i l e w a b l eg r e e ne n e 唱y ，、陇ee n e 玛yh a l sb e c o m eah o t s p o ti i lt t l ea r e ao fr e n e w a b l e e n e 哟，s of 札m o r et l 姗3 4 0w a v ee n e r j g ) rc o n v e n e r ( w e c ) p r o g r a m sh a v eb e e np r o p o s e d a r o u i l dn l ew o r l d a so n ek i n do fw a v ee n e 曙yc o n v e n e r s ，t 1 1 ep e n d u l 啪w a v ee n e r g ) ， c o n v e r t e rh a si t sc o m m e r c i a lv a l u e n l i sp a p e ri sm o s t l ya b o u te x p e r i m e n t a t i o no fw a v ee n e r g ) ，c o n v e r t e ro fi n v e r s ep e n d u l u m t h em a i l lr e s e a r c hi sa b o u tt h r e ea s p e c t s ，t l l e o r e t i c a lc a l c u l a t i o 玛s i m u l a t i o n 锄dp l a n t e x p e r h n e n t s t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o np r o v i d e sa n l e o r e t i c a lb a s i sf o rm ed e s i g l lo ft 1 1 ei n v e r s e p e n d u l u ma 1 1 dh y d 舢1 i cs y s t e m ，w i l i l ep r o v i d i n ga r e f e r e n c ef o rt 1 1 ew o r k h l gp l a c eo ft h ed e v i c e 1 飞es i m u l a t i o ns t u d i e sr c s e a r c ho nt h ep o w e rs 切b i l i 够o ft h ed e v i c eu n d e rw a v ef o r c eb y 伽s i m ，a n dv e r i 母t l l ef e a s i b i l 埘o fad i g i t a lc o m b i n e dc y l i n d e li nt ：h ep l a n te x p e r i m e n t s ，u s e m eh y d r a u l i cc y l i n d e rt 0s i m u l a t ew a v ef o r c e ，s t u d ym ep o w e rs 切b i l i 够o fd e v i c e ，a i l dc o m p a r e 讹t l l er e s u l to fs i m u l a t i o n t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft 1 1 i sp a p e ri s 嬲f o l l o w ： i nc 1 1 a r p t e rl ，d i s c l l s s e s 吐1 er e s e a r c hb a c k g r o u i l do ft l l es u b j e c ta l l dr e s e a r c hs i t u a t i o no ft h e w a v ep o w e rc o n v e n e r ，t h e np r e s e n t sm e 疵n ga n dc o n t e mo f 1 esu _ b j e c t i nc h a p t e r2 ，d i s c u s s e s 仕屺c o m p o s i t i o na n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so f 也ew a v ee n e 唱y c o n v e n e ro fi n v e r s ep e n d u l u m ，p r e s e 鹏也ek c yt c c l l i l o l o g i e si i lm er e s e a r c h i nc h a p t e r3 ，b a s e do na i 巧w a v et l l e 0 吼c a l c l l la _ t e s 锄d 柚a l y s e sm ew a v ef o r c ew r h e n 也e m e r s ep e n d u l 啪丘x e di n 位m i d d l ep o s i t i o n n e nd e r i v em ec 印嘁e n e 唧e 伍c i e n c yo f 也c i n v e r s ep e n d u l u m ，锄da n a l y s e st h er e l a t i o l l s l l i po ft i l e d e p t ho fs e aa n dn l em e c h 撕c a l i m p e d a n c eo f i i e r s ep e n d u l u m i nc 强l p t c r4 ，b a s e do nn l em e o r e t i c a lb a s i so ft h ep r e v i o u sc h a p t e r s ，d e s i g l lt l l eh y d r a u l i c s y s t e ma n ds e l e c tn l ec o m l 矽n e n t s s i m u l a t e 也ep e r f o r m a i l c eo fm eh y d r a u l i cs y s t e mu n d e r s i m u l a t e d 、a v ef o r c eb ya m e s i m a tt 1 1 es 锄et i m e ，f o rt l l es p e c i a l 础o fw a v ee n e 玛y c o n v e r t e r ，w ep r o p o s ead e s i g no fd i g i t a lc o m b i n e dh y 洲i cc y l i n d e r s i m u l a t ew h e ni t 、r k s i n 吐i eh y d r a u l i cs y s t e m ，a i l dv e r i 鸟t 1 1 ef e a s i b i l i 够 i nc h a p t e r5 ，p l a n te x p e r i m e n t so ft l l e5 k ww a v ee n e r g ) ，c o n v e n e ro fi i l _ v e r s ep e n d u l 啪 h a v eb e e nd o 北t or e s e a r c ht 1 1 ep o 、r 鼬i l 时o fm ed e v i c e i nc h a p t e r6 ，也em a i l lr e s e a r c h e so ft 1 1 ep 印e ra r es u m m 撕z e d ，a i l dt l l eo u t l o o kf o r 劬= u i 。e 、 ，o r ki sm a d e k e yw o r d s ：w a v ee n e r g yc o n v e r t e r c a i c l d a 6 0 no ft h eh y d r o d y n a m i c ss i m u l a 6 0 no f a m e s i m d i g i t a lc o m b i n e dh y d r a u h cc y l i n d e r p o w e rs t a b m 够 v 致谢 回首两年半的硕士研究生生活，跌跌撞撞一路走来，失意与成功，都多多少少，生命 中遇到的每个人每件事都助我成长，慢慢的变成一个更成熟的我，在即将硕士毕业之际， 有很多想要感谢的人。 首先，感谢我的导师林勇刚副教授在我攻读硕士期间在科研上的悉心指导和生活上无 微不至的关怀，导师渊博的知识、活跃的思维、严谨的治学态度、创新求是的学术精神， 都深深的影响和感染了我。 在课题的研究过程中，得到了张大海博士后、李伟老师、刘宏伟老师的认真指导，关 于课题的诸多方面都给予我建设性的意见，使我受益匪浅，在此表示由衷的感谢。同时， 也十分感谢实验室的师兄弟妹，他们是马舜、石茂顺、鲍经纬、刘丽、徐学涛、韩利坤、 徐全坤、李飞龙、刘磊、吴少龙、涂乐、丁金钟、齐家龙、殷秀兴。感谢我的室友，胡科 伟、韩利坤两位硕士，以及董朋鹏博士，在科研和生活上对我的帮助，在与他们相处的日 子是一连串快乐的回忆。 感谢在实验过程中，上海其胜设备配件有限公司工程师路保德给予的帮助，使实验得 以顺利完成。同时感谢海洋二所赵海涛工程师在课题上给予的指导，使我收获颇多。 最后，我要感谢我的父母，他们在我的求学过程中给予我完全的支持，在生活上对我 悉心的关怀，总是给予我最大的鼓励和关注，使我在学习和工作上积极向上。在这里我要 对我最最亲爱的父母说一句，爸妈，你们真的辛苦了，希望我没有让你们太失望。感谢我 的弟弟，希望你越来越好。 黄炜 2 0 1 1 年1 2 月于求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 能源是经济和社会发展的重要物质基础，人类的发展是伴随着优质能源的出现和先进 能源技术的使用而进行。然而，在过去的几十年中，为了短期的经济效益，人类对于诸如 石油、煤等传统能源的开发，几近疯狂的地步，使有限的传统能源资源日益枯竭。 根据b p 世界能源统计年鉴2 0 1 l 的统计数据表明1 ，世界能源需求主要依靠石油、 煤炭、天然气、水电、核电、可再生能源等六个方面的供应，石油、煤炭、天然气是世界 能源结构的主要组成部分，2 0 1 0 年它们占全球能源消费的比例分别是：3 3 6 、2 9 6 和 2 3 3 。可见，石油仍然是全球最大的能源来源，但是传统能源的储量并不足以让人类乐 观的面对未来的能源需求，以石油为例，按目前的年开采量，2 0 1 0 年年底探明的石油储 量还可供开采4 6 2 年。 然而，随着社会经济的飞速发展，人类社会对于能源的需求量会日益增大，传统能源 储量却是在日益减少的，两者之间的矛盾越来越激烈。b p 世界能源统计年鉴2 0 1 1 的统 计数据表明，2 0 1 0 年，能源消费总量轻松超越了2 0 0 8 年经济衰退前所达到的峰值。2 0 1 1 年能源消费增长比例为5 6 ，达到1 9 7 3 年以来的最高涨幅。各类能源消费和各地区能源 消费都增长强劲。新兴经济体的能源消费继续快速增长，经合组织国家的能源消费增幅也 远高于平均水平。数据同时表明，去年全球化石燃料消费产生的二氧化碳排放量也出现大 幅增长，随之而来的环境问题也越来越严重，以致开始危及人类的生存和发展1 。 在能源危机和环境问题的双重压力下，人类采取了制定京都议定书、联合国气候 变化框架公约等一系列措施来节制由于传统能源的不合理利用而造成的环境危害，同时 随着传统资源的不断减少，开采难度的不断增加，开采的费用愈来愈昂贵，各国的政府、 科学研究机构和学者也开始积极的去寻找清洁可再生能源来改变目前的能源利用结构，走 可持续的能源发展道路。 欧盟于2 0 0 7 年初提出了可再生能源的发展目标，到2 0 2 0 年可再生能源发电量需达到 一次能源全部发电量的3 0 ，可再生能源消费需占到一次能源总消费的2 0 。世界其它国 家也相继采取政府补贴电价、税收优惠、强制分配市场配额等手段鼓励、支持和引导可再 生能源的健康发展2 。我国人均能源拥有量仍处于较低水平，其中煤炭、水力资源约为世 l 浙江大学硕士学位论文绪论 界人均拥有量的一半，而天然气、石油仅约占世界人均资源量的1 1 5 3 。我国人口众多， 人均能源消费水平低，能源需求增长压力大，能源供应与经济发展的矛盾十分突出。环境 污染也是我国一个突出问题，生态系统脆弱，大量开采和使用化石能源对环境影响很大， 特别是我国能源消费结构中煤炭比例偏高，二氧化碳排放增长较快，对气候变化影响较大。 可再生能源清洁环保，开发利用过程不增加温室气体排放。大力开发利用可再生能源，对 于我国优化能源结构、保护环境、减排温室气体、应对气候变化具有十分重要的作用。 我国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要明确提出：“实行优惠的财税、 投资政策和强制性市场份额政策，鼓励生产与消费可再生能源，提高在一次能源消费中的 比重。”为了加快可再生能源发展，促进节能减排，积极应对气候变化，更好地满足经济 和社会可持续发展的需要，在总结我国可再生能源资源、技术及产业发展状况，借鉴国际 可再生能源发展经验基础上，研究制定了可再生能源中长期发展规划，提出了具体发 展目标：“逐步提高优质清洁可再生能源在能源结构中的比例，力争到2 0 1 0 年使可再生能 源消费量达到能源消费总量的1 0 ，到2 0 2 0 年达到1 5 。” 在寻求新能源的道路上，人类开始逐渐重视占地球表面3 4 的海洋。从数据上看，这 片曾经孕育生命的广袤海洋蕴藏着巨大的能量：地球表面积约为5 1 1 0 8 砌2 ，其中陆地表 面积为1 4 9 1 0 8 砌2 ，海洋面积3 6 l 1 0 8 砌2 ，占地表总面积的7 1 ；以海平面计，全部 陆地的平均海拔约为8 4 0 m ，而海洋的平均深度却为3 8 0 m ，整个海水的容积多达 1 3 7 1 0 9 砌3 一。海洋将太阳能以及其派生的风能等以热能、机械能等形式蓄在海水里， 不像在陆地和空中那样容易散失，而且海洋能源是一种可再生的能源，取之不尽，用之不 竭，若能充分开发利用，将极大的缓解目前的能源问题。 海洋能是指依附于海水中的可再生能源，主要包括潮汐能、波浪能、温差能、盐差能、 海流能等。太阳到达地球的能量，大部分落在海洋上空和海水中，部分转化为各种形式的 海洋能。潮汐能是地球旋转所产生的能量通过太阳和月亮的引力作用而传递给海洋的，并 由长周期波储存的能量，潮汐的能量与潮差大小和潮量成正比；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由短周期波储存的机械能，波浪的能量与波高的平方和 波动水域面积成正比；海水温差能是热能，低纬度的海面水温较高，与深层冷水存在温度 差，而储存着温差热能，其能量与温差的大小和水量成正比；河口水域的海水盐度差能是 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 化学能，入海径流的淡水与海洋盐水间有盐度差，若隔以半透膜，淡水向海水一侧渗透可 产生渗透压力，其能量与压力差和渗透流量成正比；海流能是指海水流动的动能，主要是 指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动所产生的能 量，是一种以动能形态出现的海洋能，海流的能量与流速平方和通流量成正比。潮汐、潮 流，海流、波浪能都是机械能氟6 。 根据联合国教科文组织1 9 8 1 年出版物的估计数字，全世界理论上可再生的海洋能( 包 括潮汐能、波浪能、温差能、盐差能、海流能等通常认为的五种海洋能) 总能量为7 6 6 亿 千瓦。 各类海洋能储量如表1 1 所示。 表卜1 海洋能的主要利用形式与储量7 海洋能量形式 利用方式 理论储量( i e a o e s 报告2 0 0 9 ) 通过在河口建坝的方式利用 潮汐潮汐产生的水的势能带动水轮机3 0 0 + t w h 年 实现能量转化。 利用模块化装置将海流或潮 海( 潮) 流汐引起的海水的动能转化为电能 8 ，0 0 0 一8 0 ，0 0 0 + t w h 年 等其他形式的能量。 利用各种装置将由波浪引起 波浪的动能和势能转换为电能等其他8 0 0 + t w h 年 形式的能量。 利用各种海洋温差能转换 ( 0 t e c ) 装置将表层海水和深层海 温差 10 ，0 0 0 + t w h 年 水之间水温之差引起的热能进行 利用。 在河流入海口处，利用相关 装置通过海水与淡水之间盐度渗 盐差2 ，0 0 0 + t w h 年 透压差转化势能带动水轮机实现 能量转换。 由以上数据可知，海洋能的蕴藏量和开发潜力是惊人的。其中，与比较容易利用且已 有许多商业化产品的太阳能和风能相比，波浪能有其特殊的优势，即不但能源分布广，而 且平均能密度远远大于太阳能和风能。太阳能的平均密度为1 0 0 2 0 0 形m 2 ，风能为 4 0 0 6 0 0 矿胁2 ，而波浪能可以达到2 0 0 0 4 0 0 0 形朋2 ，几乎是太阳能的2 0 0 倍，风能的5 0 倍，可见其能量密度之大8 。 我国拥有漫长的海岸线，沿海的波浪能资源也是十分可观的。据观测到的波浪资料计 算显示，我国沿岸波浪能资源理论量为1 2 9 1 0 7 k 形，以台湾省沿岸最丰富，为4 2 9 6 圈矿； 3 浙江大学硕士学位论文绪论 其次是浙江、广东、福建和山东沿岸，在1 6 0 1 0 6 2 0 5 1 0 6 k 形之间。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 1 1 7 7 3 k w m ； 其次是西沙、广东东部、浙江北部和南部，达3 6 3 4 0 5 k w m ；再次为福建南部和山东 半岛南岸，达2 2 5 2 8 2 k w m 9 。 综上所述，波浪能具有非常好的开发意义和开发前景，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。从数据上可知，我国的波浪能资源非常丰富，这样 得天独厚的天然条件，使我国研究波浪能发电技术具有重要的意义，既可以缓解能源危机 的压力，同时也具有现实的经济效益和长远的战略意义。 波浪能发电装置的基础研究是一个多学科交叉的前沿领域，是机械、电气和流体力学 等多个学科的综合应用。在波浪能发电装置的设计过程中，由于海洋环境的复杂性，对于 波浪力的模拟和波浪对于波浪能发电装置的一次能量捕获机构的作用是一个研究难点。现 有的波浪理论多研究波浪力对建筑物的破坏作用，鲜有从能量利用的角度去研究波浪力对 捕能装置( 如摆、浮子等) 的作用。因此，本课题在现有波浪理论的基础上，对浮力摆的 水动力学性能进行解析研究，并以此波浪力作为波浪能发电装置的输入进行仿真研究，分 析系统的发电效率和功率频率稳定性。同时，进行场地实验，以验证仿真结果。 1 2 国内外研究现状 波浪发电是指利用海面波浪的垂直运动、水平运动和海浪中水的压力变化产生的能量 发电，波浪能通过波浪能发电装置首先被转换为往复机械能，然后再通过能量转换系统转 换成需要的动力或电能。尽管早在1 8 世纪晚期，就已公布利用波浪的能量发电的相关专 利，但对波浪能发电的真正重视和研究开始于1 9 世纪7 0 年代的石油危机的出现。随着波 浪能发电愈来愈被重视，世界各国相继提出了许多波浪发电的设想和技术方案，至今大约有 3 4 0 余种不同的方案，发明专利超过千项1 0 。 1 9 1 0 年，法国的波契克斯普莱西克，建造了一套气动式波浪能发电装置，供应其住 宅1k w 的电力。1 9 6 5 年，日本的益田善雄发明了导航灯浮标用气轮机波浪能发电装置， 获得推广，成为首次商品化的波浪能发电装置。1 9 7 8 年日本建造了“海明号”波浪发电船， 其额定输出功率为1 2 5 0 k w ，最大输出功率为2 0 0 0 k w ，随后又对其进行过改造。受1 9 7 3 年石油危机的刺激，从2 0 世纪7 0 年代中期起，英国、日本、挪威等波浪能资源丰富的国 4 浙江大学硕士学位论文绪论 家，把波浪能发电的开发作为应对未来能源危机的重要措施。1 9 7 9 年国际能源机构组织 与日本、美国、英国、加拿大等国，进行波浪发电的联合研究。1 9 8 3 年英国在苏格兰的路 易斯，进行4 0 0 0 k w 防波堤式波浪发电装置的研究。1 9 9 5 年8 月世界上首台大型商用波浪 能发电机组在英国克莱德河口海湾开始发电，装机容量达2 0 0 0 k w n 。2 0 0 0 年月1 1 月，世 界上第一个波浪发电厂在苏格兰i s l a y 岛附近建成并开始运行。目前，波浪能发电作为海上 航标灯、观测浮标及灯塔的电源被广泛应用1 2 。但总体来看，波浪能发电的实际商用价值 还远远没有体现出来，这也说明波浪能发电的研究前景是无限光明的。 波浪能发电虽然起步早，但进展十分缓慢，其原因大致可以归结为技术的不成熟、海 洋环境的恶劣、缺乏自信心等导致的许多国家在波浪能发电上投入的资金少。然而，近年 来由于能源危机的曰益严重，各个国家也开始重视可再生能源的开发利用，特别是在英国、 日本和挪威，政府和私有企业均投入了大量的资金来研究和发展波浪能发电装置，并致力 于其商用价值的推广。 目前波浪能发电技术种类繁多，按照国际上最新的分类方式，波浪能发电技术分为振 荡水柱技术( t h eo s c i l l a t i l l gw a t e rc 0 1 u m n ( o w c ) ) 、越浪技术( c e r t o p p i n gc o n v e r t e r s ) 和 j ： 振荡浮子技术( o s c i l l a t i n gb o d ys y s t e m s ) 三种。 1 2 1 振荡水柱式波浪能发电技术发展及研究现状 振荡水柱技术利用一个水下开口的气室吸收波浪能。波浪驱动气室内的水柱往复运 动，再通过水柱驱动气室内的空气，进而由空气驱动叶轮，得到旋转机械能，或进一步驱 动发电装置，得到电能。其优点是转换装置不与海水接触，可靠性较高；工作于水面，便 于研究，容易实施；缺点是效率低。 ( 一) 固定式振荡水柱装置( f i x e d s 帆t u r eo w c ) 至今，基于各种原理的波浪能发电装置方案被广泛提出，但真正被制造并部署于海域 的装置却很少，而部署于海岸的又大部分是被放置于近海岸的试验样机。通常，这些装备 被安装于海底或岩石基上，近岸式装备的优点是易于安装和维护。振荡水柱装置就是典型 的第一代样机1 3 。 如图1 1 所示的固定式振荡水柱装置由一个部分淹没子海底的混凝土或钢结构与自由 水平面共同构成一个气室。波浪造成自由水平面的波动，从而使气室内的空气波动，空气 流过涡轮机驱动发电机发电。 5 浙江大学硕士学位论文 绪论 图1 1 固定式振荡水柱装置剖视图 振荡水柱装置已在挪威( t o r e s 诅1 1 e n ，b e r g e n 附近，1 9 8 5 年h ) ，日本( 1 9 9 0 年，坂 田1 5 ) ，印度( z h i n i a m ，t r i v a i l d r 啪附近，k e r a l as t a t e ，1 9 9 0 年1 6 ) ，葡萄牙( p i c o ，a z o r e s ， 1 9 9 9 年1 7 ) ，英国( l i m p e t 波浪能发电装置在苏格兰，2 0 0 0 年1 8 ) 等地成功建造。所有这 些装置，均被固定在海底，且其主体结构是通过空气涡轮机驱动发电机发电。 ( 二) 漂浮式振荡水柱装置( f l o a t i i l g s 咖c 眦o w c ) 相较于固定式振荡水柱装置来说，漂浮式振荡水柱装置的气室是一个浮动的，该装置 通过锁链铰接于海底，如图1 2 所示。 图1 2 浮动式振荡水柱装置示意图 1 9 4 0 年，振荡水柱装置创始人y 0 s l l i om a s u d a 设计的世界上首台漂浮式振荡水柱装置 k a i m e i 在日本海域进行实验。随后，y o s m om a s u d a 发现k a i m e i 的能量转换效率较低，对 其进行了改造。1 9 8 7 年，另一个漂浮式振荡水柱装置m i g h t y 讹a l e ( 如图1 3 ) 开始研发， 于1 9 9 8 年由石川岛播磨重工业公司完成制造，投放于三重县外海，安装了1 台1 0 k w 、2 台5 0 k w 和2 台3 0 k w 的发电机组。装置宽3 0 m ，长5 0 m ，其形似巨鲸。装置的气室设 计在装置的前部，不同于大多数波浪能发电装置的单一发电功能，该装置是一个包括波浪 发电、海上养殖和旅游的综合系统冲。 浙江大学硕士学位论文 绪论 图1 3 日本“巨鲸( m i g l l 钞w h 瑚”波浪能发电装置 除此之外，英国布里斯维尔大学研制漂浮式振荡水柱装置s p e r b o y 如图1 4 所示。该 装置放置于距岸1 3 2 0 k m 的地方，波浪情况很好。研究人员在延长装置寿命、装置抗浪 能力、降低传输成本等方面将进行深入研究，以期降低发电成本2 0 。 图1 。4s p e r b o y 漂浮式振荡水柱装置 中国的波浪能研究开始于1 9 8 0 。到2 0 0 1 年，开发了一系列振荡水柱( o w c ) 波能装置， 装机容量分别为1 0w 、6 0w 、1 0 0w 。现在，大约7 0 0 台1 0w 振荡水柱装置用于为导航 浮标供电，其它振荡水柱装置均处于实验阶段2 1 。由于我国的波浪能流小，导致振荡水柱 装置全年运行时间较短，效率偏低。而在欧洲波浪能流很大，波浪周期在1 0 s 左右，波高 3 5m ，振荡水柱式波浪能发电装置承受的波浪力大，全年运行的时间长，所以，其总体 发电效率高。 1 2 2 越浪式波浪能发电技术发展及研究现状 越浪技术是利用水道将波浪升至高水位水库形成水位差，利用水位差产生的势能直接 驱动水轮发电机发电。其优点是具有较高的可靠性、稳定的输出以及较高的效率；缺点是 尺寸大，建造困难。 收缩波道式波浪能发电装置属于越浪技术的应用之一，它是基于波聚理论的一种波能 发电装置，波聚理论最早由挪威特隆姆大学的f a l 】s 和b u 捌提出。收缩波道式波浪能发 7 浙江大学硕士学位论文 绪论 电装置具有一个比海平面高的高位水库和一个渐收的波道。收缩波道其实就是两道钢筋混 凝土做成的对数螺旋正交曲面，从海里一直延伸到高位水库里，两道墙在高位水库内相接。 当海浪进入收缩波道时，由于收缩波道的波聚作用，使波浪的波高增大，从而使水越过钢 筋混凝土墙进入高位水库，然后水库里的水通过一个低水头的水轮发电机组用来发电。 挪威波能公司( n o r w a v ea s ) 于1 9 8 6 年建造了一座袭机容量为3 5 0 k w 的收缩波道 式波浪能电站t a p c h a n ( 如图1 5 所示) 。电站的技术关键是它的开口约6 0 m 的喇叭形聚 波器和长约3 0 m 的逐渐变窄的楔形导槽。当波浪进入导槽宽阔的一端向里传播时，波高 不断地被放大，直至波峰溢过边墙，将波浪能转换成势能。楔形槽具有聚波器和转换器的 作用。与导槽相通的是面积约8 5 0 0 m 2 ，与海平面落差约3 8 m 的水库。发电采用的是常 规水轮机组。这种转换方法的优点在于波浪能的转换没有活动部件，可靠性好，维护费用 低且输出稳定。建造者称其转换效率在6 5 7 5 之间，几乎不受波高和周期的影响。电 站自建成以来一直工作正常。不足之处是，建造这种电站对地形要求严格，不易推广2 2 。 t a p f h a n 图1 5t a p c h 锄波浪能发电装置 采用越浪技术的波浪能发电装置还有丹麦的w - a v e d m g o n ( 见图1 6 ) 船、挪威的s s g 槽 式装置( 见图1 7 ) 2 4 等，均处于示范或试验阶段。 图1 6 w a v e d r a g o n 8 浙江大学硕士学位论文 绪论 图1 7 s s g 槽式装置 1 2 3 振荡浮子式波浪能发电技术发展及研究现状 振荡浮子技术包括了筏式、符子式、鸭式、摆式、蛙式等诸多形式。振荡浮子技术是 利用波浪的运动推动波浪能发电装置的活动部分( 筏体、浮子、鸭体、摆等) 产生往复运 动，驱动机械系统或液压系统，最后驱动发电装置发电。 ( 一) 筏式波浪能发电装置 筏式波浪能技术通过漂浮在水面的、端部铰接的若干筏浮体俘获波浪能，再通过液压 系统驱动发电机发电。这些筏浮体通过铰链相互铰接在一起，能量转换装置置于每一铰链 处，波浪的运动引起波面筏浮体产生沿铰接的弯曲，从而反复压缩液压活塞并输出机械能 ( 图1 8 ) 2 1 。研究人员对该类装置作了较广泛的理论和试验研究，研究表明当系统固有频 率与波频相一致时，其输出效率最高2 5 。 筏式装重 滚浪 一曩糟换 - 2 0 = 曩糖块 o 曩、骂达 兰童t 囊拿皇t o o 0 1 囊瞳 图1 8 筏式波浪能发电装置示意图 英国o p d ( o c e 锄p o w e rd e l i v e 巧) 公司设计的7 5 0 k w 的海蛇号( p e l a i i l i s ) ，是筏式 波浪能发电装置的改良形式，它漂浮在海上呈蛇形，酷似一条海蛇，如图1 9 所示。p e l a i 面 是世界上第一台商业规模的近海波浪能源示范项目2 6 。其工作原理是将金属海蛇的嘴垂直 于海浪方向，其关节依靠海浪推动相互铰接的金属圆筒，像海蛇一样随着海浪上下起伏；铰 9 卫建是 浙江大学硕士学位论文 绪论 接处的上下运动与侧向运动的势能将推动金属圆筒内的液压活塞。“海蛇号”于2 0 0 4 年 8 月进行海试实验，在1 0 0 0 多个小时的运行中没有出现重大技术问题，运行状况良好。 最近，o p d 公司和英国政府准备建立一个可以提供2 0 0 0 0 个家庭用电、由4 0 套“海蛇号” 发电装置组成的3 0 m w 波浪能发电厂2 7 。 图1 9 p e h m i s ( 二)点头鸭式波浪能发电装置 点头鸭式装置是一种经过缜密推理设计出来的、具有特殊外形的波浪能发电装置， 如图1 1 0 所示。该装置具有- 二个垂直于来波方向安装的转动轴。装置的横截面轮廓呈鸭 蛋形，其前端( 迎浪面) 较小，形状可根据需要随意设计；其后部( 背浪面) 较大，水下 部分为圆弧形，圆心在转动轴心处2 8 。装置在波浪作用下绕转动轴往复转动时，装置的后 部因为圆弧形，不造出向后行进的波；又由于点头鸭式装置吃水较深，海水中靠近表面的 波浪难以从装置下方越过，跑到装置的后面，故点头鸭式装置的背后往往为无浪区这 使得鸭式装置可以将所有的短波拦截下来，所以它具有较高的一次能量捕获效率双。图 1 1 1 所示的3 0 0 w 鸭式波浪能转换装置由中国科学院广州能源研究所设计，目前世界上第 一个漂浮式鸭式装置正在该所研制，该装置采用振荡浮子装置的动力摄取技术，以求降低 漂浮式点头鸭式装置的成本3 1 。 图1 1 0 点头鸭”型截止式波浪能发电装置图1 1 13 0 0 w 鸭式波浪能转换装置 ( 三) 摆式波浪能发电装置 l o 浙江大学硕士学位论文 绪论 摆式波浪能发电装置是如今三大商业应用波浪能发电装置之一，其发电原理为利用摆 在波浪力的作用下作往复摆动从而捕获波浪能量，通过与摆相连的机械结构或液压系统转 换将摆的动能和势能转换为机械能或液压能，进而转换为电能3 2 3 3 。摆式波浪能发电装置 的优点在于，摆的运动可以很好的适应波浪大推力和低频的特性，因此，摆式波浪能发电 装置的转换效率较高。它的另一优点是可以与相位控制技术很好的结合3 4 。利用相位控制 技术可以使波浪能发电装置吸收在迎波面宽度以外的波浪能量，从而大大提高装置的效率 摆式波能装置也可分为浮力摆式和悬挂摆式两种。日本的度部富治教授最早提出了摆 式波浪能发电技术的概念。日本室兰工业大学于1 9 8 3 年建造了世界上首台悬挂摆式波浪 能发电装置，其装机容量为5 k w 。该摆式波浪能发电装置的摆宽为2 m ，摆角范围为3 0 。 + 3 0 。，如图1 1 2 所示。在波高1 5 m ，周期4 s 的波况下，装置的正常输出功率约为5k w ， 总效率约为4 0 ，属日本电站中效率较高水平。随后，日本室兰工业大学在烧尻岛的西 浦港建造了一座同样的装置，用来向岛上渔民的公寓供电。另一座由三个水槽组成的装机 容量为8 0 k w 电站也已完成设计。现在日本室兰工业大学又在研究3 0 晰0 0k w 摆式波浪 能发电装置，建于5 0 m 长的防波堤上，它包括4 块5m 宽的摆板。同时，日本打算与斯 里兰卡合作，在斯里兰卡海岸建一座1 5 0 2 5 0k w 摆式电站2 9 。 图1 1 2 悬挂摆式波浪能发电装置 芬兰a 、- e n e r g y 公司研制的波浪能发电装置w a v e r o l l e r 盯：在波浪的推动下，浮 力摆来回摆动产生动能，经液压缸加以收集后，再由设置在岸上的发电机转换为电力。浮 力摆式波浪能发电装置w 打e r o l l e r 设置于海底，不仅无碍景观、无噪音污染，而且比较 不受暴风雨的影响。a 弘e n e 研公司也声称，用于制造海浪发电机的零件与材料皆不会对 环境构成危害，例如，这项创新的潮汐能发电系统，其液压零件所使用的油，是由植物炼 1 1 浙江大学硕士学位论文 绪论 制的。另一项优点则是，发电机组的叶片可以轻易增加，安装成本也相对较为低廉。 w a v e i b l l e r 的第一台样机2 0 0 7 年在葡萄牙装机。2 0 0 9 年，a 、“e n e 唧公司得到了来自欧 盟的3 0 0 万欧元资金支助。在这笔资金的推动下，公司正在葡萄牙设计并建造一个新的实 验工厂，其位置靠近波浪资源丰富的城市p e i l i c h e 。该实验工厂在2 0 1 1 年正式部署，其目 标是在城市最高负荷时期提供3 0 的供电，同时将发电成本控制在大约4 0 0 欧元生产1 兆 瓦小时电力勰。 我国国家海洋局海洋技术中心也研建了8 k w 和3 0 k w 岸式摆式波浪能发电装置，为 岛上居民供电2 1 。 1 3 本文的选题意义及研究内容 1 3 1选题意义 波浪能发电装置的方案种繁多，但其中处于商用阶段的装置尚属少数，大多数波浪能 发电装置或处于理论研究层面，或处于示范阶段。分析波浪能发电装置在商业上难以得到 推广的原因有以下几点鞠： ( 1 ) 波浪的多向往复性运动，使设计者难以设计出合理的能量俘获系统和动力摄取装 置。 ( 2 ) 波浪具有的随机性造成能流不稳定，难以设计波浪能各级转换装置以获取稳定的 能量，同时转换效率也较低。 ( 3 ) 波浪能发电装置的工作环境恶劣，海洋的多变天气海水的腐蚀、海洋生物的附着 均可能造成装置某些环节的失效，而为了提高装置对于恶劣环境的抵抗能力，势必会导致 装置的造价昂贵。 从以上的第( 1 ) 、( 2 ) 点可以看出，波浪的随机和不可预测性是波浪能发电装置最大 的设计障碍，无论是对一次能量捕获装置( 如摆、浮子等) 翼型的设计，还是各级能量转 换装置的设计过程中，都需要考虑真实海况中波浪对于发电装置的作用情况。对于波浪与 发电装置之间的相互作用问题，有两种方法，其一是通过模型试验，利用造波机模拟真实 的波浪情况，对发电装置放置进行实验研究，其二是通过解析理论或数值方法计算。模型 试验虽然能更准确的反应真实的波浪情况，但仍有许多因素是不可控制和不可模拟，且模 型试验的耗时长、费用高。随着计算机性能的不断提高，数值模拟的准确性越来越高，可 浙江大学硕士学位论文绪论 以与试验模拟互补，在波浪能发电装置的前期设计和场地实验中提供参照。本文期望从理 论研究波浪力对浮力摆的作用，同时研究在计算波浪力作用下装置的发电效率。 1 3 2 研究内容 本文的主要研究浮力摆式波浪能发电装置，对波浪对于浮力摆的作用情况进行理论计 算和分析。以理论计算为基础对装置的液压系统进行仿真研究，分析其发电功率、效率。 同时，进行相应的实验研究，通过液压泵站驱动液压缸来推动浮力摆的运动，用液压缸对 浮力摆的作用力来模拟波浪的作用情况，在各波况下采用变量马达的控制策略对发电装置 的功率稳定性进行研究。 本文的主要研究内容有以下几点： ( 1 ) 线性波浪对于浮力摆的作用力的数值计算。 ( 2 ) 波浪能发电装置二维水动力学的研究，研究装置的发电效率与浮力摆、波浪各 参数之间的关系。 ( 3 ) 模拟波浪力作用下液压系统的压力、蓄能情况及功率等的e m a s i m 仿真实验。 ( 4 ) 一种数字式组合缸的设计，并采用此种液压缸对浮力摆式波浪发电装置系统进 行仿真研究，验证其在提高液压系统能量传递效率方面的作用。 ( 5 ) 研究在模拟波浪力的作用下发电装置的功率情况，同时，进行浮力摆式波浪能 发电装置的变量马达实验，。 浙江大学硕士学位论文浮力摆式波浪能发电装置的组成、基本原理及关键技术 2 浮力摆式波浪能发电装置的组成、基本原理及关键技术 2 1浮力摆式波浪能发电装置的组成 2 1 1波浪能发电装置的一般组成 波浪能发电装置大部分有3 4 级能量转换部分的系统，如图2 1 所示。在具有三级能 量转换部分的装置中，一级能量转换装置与波浪直接作用，将捕获波浪能转换成为装置的 机械能、或将水位升高而增加水的势能；一级能量转换所得到的能量在二级能量转换装置 中通过水力透平、空气透平或马达等转换成旋转动能；最后，旋转动能在三级能量转换装 置中通过发电机转换成电能，于是整个系统完成了由波浪能转换为电能的发电过程。而在 具有四级能量转换部分的波浪能发电装置中，相较于上述的系统，在二级与三级能量转换 过程中增加了一级能量转换过程，始端和未端的能量转换过程均与上述相同，而中间的能 量转换过程变为：一级能量转换所得到的能量在二级能量转换过程通过液压或气压系统转 换为液压能或气压能；二级能量转换装置中所获得的液压能或气压能，在三级能量转换装 置中通过液压气压马达被转换为旋转动能。具有四级能量转换部分的波浪能发电装置的 主要优点是，增加了中间环节的液压或气压能的过渡，由于液压或气压具有良好的可控性 和平稳的特点，使整个发电系统的能量转换过程更稳定可靠。 图2 1 波浪能发电装置能量转换过程原理图 波浪能发电装置按照其能量传递方式，可以分成气动式( p n e m a t i c ) 、机械式 ( m e c l l a i l i c a l ) 和液压式( h y 洲i c ) 。气动式波浪能发电装置由于气流在一个波浪周期里 要经历两次换向、两个速度为零的点，使得作为能量转换器的空气透平处于非常不利的交 工况状态，因而导致其转换效率低，通常只有1 0 3 0 。机械式波浪能发电装置失效 率高，维护和维修的成本高。而且利用机械结构会大大增加装置的体积，不便于安装。液 1 4 浙江大学硕士学位论文浮力摆式波浪能发电装置的组成、基本原理及关键技术 压式波浪能装置将捕获的波浪能量通过液体压力传递继而转换为方便利用的能量，由于液 压系统具有扭矩、转速、储能可调可控的功能，能够达到储存多余能量、稳定机组功率输 出和提高能量捕获效率的效能，不仅发电系统不需要变频器，而且可将发电机的输出转速 稳定在额定值附近，使得发电模式回归到同步发电机恒速运行并直接向电网供电的模式， 大大简化了发电系统的模式。 2 1 2 浮力摆式波浪能发电装置的组成 与一般波浪能发电装置的组成类似，浮力摆式波浪能发电装置有四级能量转换部分， 如