海洋波浪能开发研究 精品.docx

引言随着世界经济的发展、人口的激增、社会的进步，人们对能源的需求日益增长。占地球表面积70%的广阔海洋，集中了97%的水量，蕴藏着大量的能源，其中包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能、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。据估算，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，有着广阔的商用前景，因而也是各国海洋能研究开发的重点。自20世纪70年代世界石油危机以来，各国不断投入大量资金人力开展波浪能开发利用的研究，并取得了较大的进展。日、英、美、澳等国家都研制出应用波浪发电的装置，并应用于波浪发电中。我国对波浪能的研究、利用起步较晚，目前我国东南沿海福建、广东等地区已在试验一些波浪发电装置。一、波浪发电技术的进展 波浪发电是波浪能利用的主要方式，波浪能利用装置的种类繁多，关于波能转换装置的发明专利超过千项。这些装置主要基于以下几种基本机理，即利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动;利用波浪压力的变化;利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。经过20世纪70年代对多种波能装置进行的实验室研究和80年代进行的海况试验及应用示范研究，波浪发电技术己逐步接近实用化水平，研究的重点也集中于4种被认为是有商品化价值的装置，包括振荡水柱式装置、摆式装置、振荡浮子式波能转换装置和收缩波道式波能转换装置。1、振荡水柱式装置振荡水柱式波浪能发电技术（OWC）也称为空气透平式波浪能发电技术，是目前应用最广泛的波浪能发电技术，在国内也有较多振荡水柱式波浪能试验电站在运行。振荡水柱型装置主要有一个气室，由一个空箱构成，在它淹没于水面以下部分有一个开口，在气室上部有气流通道（空气出入口）。波浪向着空箱移动，当波峰接近空箱前壁时，水进入空箱，推动箱内水位上升，上升的水位使箱内气压增加，气室内空气通过出入孔排出，由于气孔狭小，气体高流速喷出，见图1左图。在波谷接近空箱前壁时，水从空箱抽出，箱内水位下降，下降的水位使箱内气压降低，外面空气通过出入孔高速进入气室，见图1右图，流出流进的气体将推动涡轮机旋转，这就把波浪能转换为机械能。气室内水面有一个固定的波动频率，冲入气室的水碰到气室后壁反射回来，如能和下降水面同向，将会与波浪共振，选择合适的气室尺寸可以使室内水面振荡与外面波浪频率相近，共振的水面波动幅度会远高出波浪的幅度，大大提高气体的流量从而提高系统效率。在气流通道内安装气动涡轮机，进出的气流就会推动涡轮机旋转，涡轮机带动发电机发出电来，这就是振荡水柱式波浪能发电的原理。由于气流是往复的，需采用一种在双向气流作用下均能同向旋转的涡轮机，有关这种涡轮机的结构与原理将在下一节介绍。图1振荡水柱式波浪能采集基本原理上面介绍的振荡水柱式波浪能发电装置是靠岸边安装，称为固定式（靠岸式）安装；振荡水柱式波浪能发电装置也可以漂浮在海面上，称为漂浮式（离岸式、近岸式）发电装置。图2左图是前面进水的漂浮式振荡水柱式波浪能发电装置；图2右图是下面进水的漂浮式振荡水柱式波浪能发电装置，前面进水方式与上面介绍的靠岸式工作原理一样，下面进水的工作原理也基本相同。图2 漂浮式振荡水柱波浪能发电装置图3是这两种漂浮式振荡水柱式波浪能发电装置的照片图3 漂浮式振荡水柱波浪能发电装置照片下面介绍一种用得较多的振荡水柱式波浪能发电装置的基本结构，这是一种固定式（靠岸式）振荡水柱式波浪能发电装置。图1是靠岸式振荡水柱式波浪能发电装置的结构示意图，在靠海岸用混凝土浇筑成气室箱体。气室前壁下方与海水相连，气室后壁上方有气流进出通道孔，连接涡轮机。当海浪向气室箱体推进时，气室内水面就会振荡，进出气流通道涡轮机旋转，带动发电机发出电来。图4 靠岸式振荡水柱波浪能发电装置模型图5是靠岸式振荡水柱波浪能发电装置的照片，这两个照片是从地面上拍摄的，可以看到气室箱体的顶部与涡轮机。图5 靠岸式振荡水柱波浪能发电装置地面照片振荡水柱型装置的优势就是装置本身的简洁和坚固，机电部分在海面以上不接触海水，故障率地，维护方便。缺点是建造成本高，转换效率低。2、摆式波浪发电原理2.1、摆式波浪能发电装置构成 常见的摆式波浪能发电装置由摆板、转轴、传动系 统等部分组成。波浪垂直作用于摆板，摆板绕摆轴前后摆动带动传动系统的活塞杆运动，进而将摆板俘获的波能转换为传动系统的机械能，最终将机械能转换为电能。摆式波浪发电装置构成如图1所示2.2、摆式波浪能发电的液压转换原理如图2所示，摆式波浪能发电装置由水室摆板机构、机电转换机构、发配电机构三大部分组成。水室摆板机构将波能转换成机械能，机电转换机构将机械能转换成电能，发配电机构实现电力输送过程。其中，水室摆板机构是机械能和液压能转换的关键部件。由图2可见，当海洋波浪进入沉箱后，由于后墙的反射作用，产生两个相反方向的水波相互叠加，在水室内形成驻波，转变为水粒子的起伏运动，推动安装在水室驻波节点上的摆板绕水平支承来回摆动。摆上端与油缸中活塞杆活动联结，推动活塞在油缸中往复移动。于是，油缸活塞类似一个液压泵，提供液压系统压力油。 当摆板推动活塞向右移时，油箱的油经单向阀1进入油缸左腔，右腔压力油经单向阀4、油路和节流阀进入液压马达，驱动液压马达运转，输出转矩或直接带动发动机发电。反之，活塞向左，油经单向阀2进入油缸右腔，左腔中的压力油经单向阀3、油路和节流阀进入液压马达，驱动液压马达连续旋转，或作功或发电。 摆式吸能装置靠垂直于波浪中摆板被波浪推动做功而吸收波浪能转化成摆板的机械能，但是由于摆板的双向摆动，因此会降低其吸收效率，一般在摆板后建造一座后墙加以弥补。在摆式波浪发电站中，吸能装置是由水室与摆板组成的，水室的作用是聚波形成立波，其实质是增加波能密度，摆板则是与波浪直接接触的部分，波浪通过摆板做功，转化成机械能。 1.3摆式波浪能发电装置的转换效率 波浪能量转换效率，是指摆式波力电站摆轴处输 出的功率与波能的功率之比。它又分为两个部分，一个是摆板所受的波浪力矩对摆轴做的功与波能之比，称为前导波能转换效率，另一个是摆轴处负载（反力矩）对摆轴做的功与摆板所受的波浪力矩对摆轴做的功之比，称为摆式波力电站的吸能效率（或称吸能装置的波能转换效率）。 摆式波能发电装置的波能转换效率受很多因素影响，主要有水深、波高、波周期等波况条件因素和摆板距后墙距、摆轴输出扭矩（负载）等结构形式自身因素，平均的波能转化效率如图3所示：摆体的运动很适合波浪大推力和低频的特性，因此摆式装置的转换效率较高。另外，摆式装置可以方便地与相位控制技术相结合，相位控制技术可以使波浪能装置吸收迎波宽度以外的波浪能，从而提高装置的效率。3、 摆式波浪发电装置实例3.1、日本推摆式波浪能发电装置1983年，日本渡部富治教授在北海道内浦湾建造了装机容量为5kW的推摆式波力试验电站。该电站通 过一个能在水槽中前后摇摆的摆板从波浪中吸取能量，然后通过一台单向作用的液压泵进行能量转换，驱动发电机发电。摆板的运行适合波浪低频特性，并采用液压阻尼装置。该发电装置的液压转换原理见图4从图4可知液压系统由液压缸、蓄能器、液动换向阀、单向阀、溢流阀、液压马达以及油箱等构成。其工作原理是，当波峰到来时，波浪推动摆板绕着转轴顺时针旋转，通过连杆传动变成油缸活塞的右移。活塞右移使得油缸右腔压力升高，一方面打开单向阀组的右下单向阀，另一方面推动液控方向阀使其处于右位工作，这样油缸里面的油液就能到达马达121b使其旋转，通过 V带传动，使发电机123工作而产生电能。而油缸左腔 随着活塞右移而产生负压，通过左上单向阀从油箱111中吸油，补充到油缸左腔。当波峰过去后，摆板绕着转轴逆时针旋转，带动活塞向左运动，此时，油液会进入马达121a而带动发电机123发电。该试验电站的摆宽为2m，最大摆角为30，波高1.5m，周期4s时的正常输出功率约为5kW，总效率可达到40%50%，是日本电站中效率较高的一座。3.2、中国大管岛摆式波浪发电装置1996年，国家海洋技术研究所在山东省即墨市大 管岛承建摆式波浪能发电装置1。发电装置由水室、摆板、离合器、液压泵、蓄能器、液压马达、发电机、电控柜、蓄电池等组成，其中水室和摆板组成波浪能俘获单元，离合器、液压泵、蓄能器、液压马达组成液力转换单元，发电机、电控柜、蓄电池组成电力单元，电力单元采用集中控制形式（见图5）。大管岛发电装置适用于入射波高为16m的设计波况，设计额定功率可达30kW。其工作原理如图6、图 7所示。由图可见，当入射波进入水室后，冲击摆板，使摆板转动，与轴线偏离角度1，摆板轴同时转动角度1，输出扭矩M1；入射波冲击摆板后，在剩余能量推动 下沿原来方向继续运动，部分水流穿过摆板底部在水室后端遇阻隔，改变了运行方向，产生反射波，同时在摆板自身的重力作用下，共同推动摆板轴同时转动角度2，输出扭矩M2。大管岛发电装置适用于入射波高为16m的设计波况，设计额定功率可达30kW。其工作原理如图6、图 7所示。由图可见，当入射波进入水室后，冲击摆板，使摆板转动，与轴线偏离角度1，摆板轴同时转动角度1，输出扭矩M1；入射波冲击摆板后，在剩余能量推动 下沿原来方向继续运动，部分水流穿过摆板底部在水室后端遇阻隔，改变了运行方向，产生反射波，同时在摆板自身的重力作用下，共同推动摆板轴同时转动角度2，输出扭矩M2。在波浪不停的运动中，摆板连续摆动，不断地把波浪能转变为机械能，通过摆板轴持续输出，并通过图5中的离合器输入给液压泵，驱动液压马达转动，使发电机处在工作状态，开始发电。发电机发出的是交流电，因此需要进行交/直流转换，把交流电转换为直流电，然后进入电池储存。储存的电能，经过逆变，成为标准电压，然后传输给用户。3.3、芬兰WaveRoller海浪发电机芬兰的AW能源公司（AW-Energy）开发了一种采 用海底波浪动能进行发电的设备，称为WaveRoller海浪发电机 12 。其安置于海底平台，见图8、图9。 WaveRoller发电机是利用“海底波浪现象”（海面下的海水运动）发电（见图10）。 图11为WaveRoller海浪发电机液压原理图。在海底波浪的推动下，装置的浮力摆随着波浪的运动来回摆动而产生动能，经液压缸转换为液压能，由设置在岸上的发电机发电。WaveRoller和其他波浪发电的不同在于：（1）设备处于海平面以下，安装深度715m，不妨碍海面状态， 无噪声污染，不受暴风雨的影响，且不影响渔船的正常通行；（2）WaveRoller随波浪自然运动；（3）海浪发电机的零件与材料无环境危害；（4）WaveRoller发电机组的 叶片可以轻易增加，安装成本低。20XX年，WaveRoller发电机首次在芬兰海湾进行小型样机海试试验，如图12所示。20XX年在葡萄牙Peniche进行了WaveRollerl号样机海试试验。WaveRoller1号浮力摆的尺寸3ml.8m，如图13所示，该装置的平均捕获功率可达13kW。此外，WaveRoller 海浪发电机所利用的近岸海底波浪，世界各地海岸线都有适宜地点使用。3.4、英国WRASPA波浪发电装置WRASPA（Wave-drivenResonant，Arcuate-action,SurgingPowerAbsorber）是由英国兰开斯特大学发明的一种浮力摆波浪能发电装置，如图14所示，可工作在2050m的水深区域13、14。WRASPA上部活动的摆体，通 过铰接与下部结构相连，利用摆动吸收波浪纵荡和纵摇中的能量，转换成机械能，进而转换为电能。该实验装置正在进行概念设计验证（见图15）。WRASPA波能转换装置的液压原理如图16所示。WRASPA由液压缸、电磁阀、液压马达、蓄能器、交流发电机等部件组成。电磁阀均不通电时，WRASPA摆体摆 动带动杆件，使油缸1缸体下降，油缸2缸体上升时，或者相反时，液压油经过电磁阀和油路，在两个液压缸中循环流动，此时没有油液进入液压马达闭式循环系统，非发电状态。当电磁阀3、4、7、8、9通电，电磁阀5、6不通电时，摆体摆动带动杆件，使油缸1缸体下降，油缸2缸体上升时，从油缸1流出的高压油通过电磁阀，进入液压马达闭式循环系统，推动液压马达10旋转，带动交流发电机12发电，同时，低压蓄能器向油缸2补充液压油。波速变化引起的能量波动通过高压蓄能器13缓和，当波速增大时，高压蓄能器13储存多余的能量；当波速减小时，高压蓄能器13释放能量，使功率输出曲线达到理想状态。低压蓄能器14是大容量油路蓄能器，一方面补充油箱的油液，随时可通过低压管路向油缸的低压腔补油，另一方面可吸收液压系统中油液的振动，降低噪声。WRASPA装置经过一系列的实验室水槽实验后，20XX年进行了1:1比例样机海上试验。 WRASPA的特点是体积小，结构紧凑，运行成本低。4、振荡浮子式波浪能转换振荡浮子式装置是在振荡水柱式装置 的基础上发展起来的波能发 电装置。它用一个 放在港 中的圆柱 形 球形浮子作为波浪能的一次转换装置， 然后通过放在岸上 的机械或液压等二次转换装置转换 出去 ， 驱动电机发电。二、典型国家的波浪能开发随着陆地矿物燃料日趋枯竭，环境污染日趋严重，环保、可持续发展等观念使世界上一些主要的海洋国家纷纷把目光转向海洋，其中对波浪发电的研究日趋深入。由于在地球纬度为4060的西海岸区域主要盛行能量很大的西风，所以这一区域的海洋波浪具有高能量，其峰值大约有100kW/m。所以，位于这一区域的国家对海浪发电的研究一直处于世界的前沿，如北美的美国和加拿大、欧洲的大部分国家以及亚洲的日本等国。1、日本 日本是个能源匮乏的岛国。但据测算,日本每1m宽海岸的波浪，却蕴藏着9kW的能量。自20世纪60年代以来，日本就投运12台波力发电设备，除了用于验证试验外，还有4台作商业运营至今。目前，这种电站在日本已建造1000多座。其中1996年9月投运的固定式防波堤型130kW波电设备是日本最大的波能转换设备，它的能量转换箱体长20m、宽24m、高24m，共2个，带有8个空气室，1个异步型空气透平发电机，与6kV电力系统并网。最近，日本又投运另一种被称为“巨鲸（Mighty Whale）”（见图5）的新式波电设备，即可动式浮体型，长50m、宽30m、高13m，像个大鲸鱼浮在水面上，其容量120kW。已于1998年7月投入商业运营。20世纪80年代，日本还在酒井港建造一座200MW 的波电站，经海底电缆送电。日本“巨鲸(Mighty Whale)”波电设备2、英国 英国具有全世界最好的波浪能资源，尤其在苏格兰北部地区有着尤其多的波浪能资源，20XX年英国科学技术委员会在一份报告中就指出，仅仅在英国的海域每年通过海浪发电装置可收集的海浪能资源及达50TWh。自20世纪70年代开始，英国就制定了能源多样化政策，鼓励发展包括海洋能在内的各种可再生能源，并把波浪发电的研究放在新能源研究的首位。而早在20世纪80年代初英国就已成为世界波浪能研究的中心。 英国分别于1990年和1994年，分别在苏格兰伊斯莱岛和奥斯普雷建成了75kW和20MW振荡水柱式和岸基固定式波浪电站。而2000年11月，英国在苏格兰Islay岛建成了具有500kW岸式波能装置LIMPET（Land-Installed-Marine-Powered Energy Transformer）的波浪发电站，站址处波能功率密度为25kW/m。而20XX年的一台名为帕拉米斯的波浪发电机已在英国西南地区投入使用，其发电功率为750kW，供500户居民使用。由英国Checkmate海洋能源公司设计的“巨蟒”波浪发动机（见图6），宽度将达到7m，长200m，二十五分之一大小的原型机已于最近完成测试，并将于20XX年左右投入使用，届时可满足1000个普通家庭用电需求。同时，英国计划在西南部地区建造1座占地面积约1km2、由40台波浪发电机组成的波浪发电站,并通过一条海底电缆为2万户居民提供电力。英国Checkmate海洋能源公司设计的“巨蟒”波浪发动机3、挪威 挪威的波浪发电研究起始于20世 纪70年代，虽然起步晚但是发展十分迅速。挪威主要对波浪发电装置的理论设计做出了较大贡献，提出了相位控制原理和喇叭口收缩波道式波能装置等。挪威当时在波浪发电理论研究和实验方面投入一亿克朗，并于1985年在Toftestallen岛建立了装机容量分别为500kW和350kW的振荡水柱式和聚波水库式波浪发电。而目前，挪威正与印度尼西亚合作，在Java岛兴建一座收缩波道电站。4、葡萄牙 葡萄牙的海浪发电研究起步较晚，技术以引进为主。但葡萄牙有着发展波浪发电得天独厚的自然条件优势，政府和科研机构对海浪能资源也越来越重视。20XX年1月葡萄牙政府就在葡萄牙西海岸的Sao Pedro de Moel（水深3090m，总面积约为320km2）（图7所示）建立大型海洋实验区，进行远海海浪能开发，其装机容量达250MW。此外，葡萄牙还于20XX年引进英国的海蛇发电机组(图8)，在此海洋实验区建立了世界上第一个商业规模的波浪发电站。葡萄牙西海岸的Sao Pedro de Moel实验区地理 位置(a)和该水域的具体状况(b)世界上第一个商业规模的波浪发电站的海蛇式发电机组5、其他国家 世界上波力发电设备开发最早的国家是法国(1990年)，但是发展较慢，已远远落后于英、日、挪威等大多国家。作为高能源消耗的发达国家，美国近年来也将目光投向波浪能资源的开发利用，政府和很多科研机构投入了大量资金用于波浪发电装置的研发。美国的西海岸的西北部处于全球高海浪能区域，而美国则于近日宣布将于20XX年在加利福尼亚的洪堡湾运行五个商业化的波浪发电装置，单机发电可达1000kW。还有澳大利亚、荷兰、丹麦、以色列、加拿大、印度尼西亚等国家对波浪发电进行了一系列研究开发，但主要仍是停留在波浪发电装置、原理等方面，商业实际应用较少。三、中国波浪能应用现状随着中国社会、经济的不断发展，能源问题已成为一个重要问题出现在我们面前，寻求环保、可持续发展的新能源早已进入中国能源战略的议题。中国拥有着473万km2的海洋、1.8万km绵延的海岸线，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161万205万kW间，合计为706万kW，占全国总量的55%；其他省市沿岸则较少，在 14.4万56.3万kW间。中国的波浪发电研究起始于20世纪70年代，1975年我国制成了1kW波电浮标，并在浙江省嵊山岛试验。自1985年起，我国研制了 多种小型产品，其中有600多台作为航标灯用，并出口到日本等国。1989年中国在珠海市大万山岛建成第一座多振荡水柱型岸基式试验波浪电站，其装机容量为3kW，发电的平均“总功率”大都在10%35%。广州能源研究所已将其改建成一座20kW的波力电站,并于1996年2月试发电成功,逐步完善后即向岛上提供补充电源。 “九五”期间，在科技部科技攻关计划支持下，广州能源研究所正在广东汕尾市遮浪研建100 kW波力电站，这是一座与电网并网运行的岸式振荡水柱型波能装置，波能转换效率较高，达到了设计要求。同时，由天津国家海洋局海洋技术所研建的100kW摆式波力电站，已在1999年9月在青岛即墨大官岛试运行成功。我国计划至20XX年，在山东、海南、广东各建1座1000kW级的岸式波力电站。四、波浪能技术的应用前景波浪能是能流密度较大、分布广泛、具有强烈随机性、往复运动形式的能量。如何能够高效地利用这种随机往复运动的能量，将其转换成电能，是一个集合力学、电学、控制、防腐、工程等多方面的难题，解决起来需要较长时间。因此，尽管较为系统的波浪能研究已经开展了40年之久，波浪能技术目前仍不够成熟。从目前技术发展来看，波浪能正处在技术攻关阶段，能够持续在海中运行的离岸波浪能装置已经逐渐呈现，如英国的改良筏式装置海蛇（Pelamis）以及浮力摆装置牡蛎（Oyster），美国的点吸收装置Power Buoy等；我国的岸式装置都具备持续工作能力，但离岸装置还有待突破。显然，波浪能技术目前仍在发散，说明研究者对波浪能技术的看法并不统一。而实际上，这种技术的统一是困难的，原因在于世界上的波浪资源的不同，故波浪能利用的侧重点不同，最终起决定作用的是装置在每一个特定海域的发电成本高低这有点像不同气候地区的生物种群的不同。而发电成本与波浪能装置全生命周期发电总量、装置造价、运行维护费用等有关。因此，波浪能技术优化的理念是使波浪能装置在全生命周期里的平均发电成本最低。在西风带的英