海洋波浪能利用与转换

1、鳥2QINGDAO UNIVERSITY能源工程管理课程论文题 目：海洋波浪能转换利用技术探讨及可行性分析学院:机电工程学院专 业： 2012级热能与动力工程专业姓 名：李军任课教师:王翠萍 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第一章总论3.1.1城市概况3.1.2项目概况4.1.3企业概况 错误！未定义书签。1.4项目提出的背景及建设的必要性 错误！未定义书签。1.5可行性研究报告编制的依据 .121.6生产纲领 错误！未定义书签。1.7可行性研究的范围 .错误！未定义书签。1.8设计原则与主导思想 错误！未定义书签。

2、1.9主要技术经济指标 错误！未定义书签。1.10结论与建议 错误！未定义书签。第一章总论1.1城市概况1.1.1我国的自然地理位置我国是一个海洋大国，拥有渤海、黄海、东海和南海四大海域，海岸带纵跨热带、亚热带和温带3个气候带,大陆海岸线长达1.84万 千米,加上岛屿海岸线共3.2万千米;拥有内水和领海的海域面积 37 万平方千米，享有主权和管辖权的海域面积约 300万平方千米。海洋 资源种类繁多，包括海洋生物、石油天然气、海底固体矿产、海洋动 力资源和滨海旅游等资源。资源不但丰富，而且可开发利用的潜力巨 大。我国有着丰富的海洋生物资源和渔业水域。除渤海属于内水不存在争议外，其他3个海区都需要

3、按1982年制定的联合国海洋法公 约与邻国合理划分。“300万平方公里”是国内公认的中国海洋国土面积。从权威部门获悉的中国海洋面积是 299.7万平方公里，约 为陆地面积的三分之一。1.1.2城市概况青岛市是我国沿海开放城市之一，也是全国十五个经济中 心城市、六个计划单列城市和十六个副省级城市之一。青岛市现下辖 莱西、平度、即墨、胶州、胶南五个县级市和市南、市北、四方、李 沧、崂山、城阳及黄岛七个区。青岛是一座景色秀丽的海滨城市，工业发达，兼有天然良港，是 中国主要的对外贸易口岸之一，也是中国主要的海洋科研基地。 其三面环海，一面依山，冬无严寒，夏无酷暑，是驰名中外的旅游避暑及 疗养胜地。青岛

4、有着天然的海陆优势，众多的优良港湾，历史上从秦 代开始就对琅琊湾有过开发，以后对丁字湾的金口，胶州湾的板桥镇、 塔埠头和青岛口，以及近、现代对大港和前湾的开发，使青岛与上海、 广州、天津、大连并称为中国五大外贸口岸。青岛既是华北南部、华 东北部和西北地区进出口物资的主要集散地，也是太平洋国家与欧亚大陆国家联系的纽带。城市主体功能是以港口为主的国际综合交通枢 纽，国际海洋科研及海洋产业开发中心，区域性金融、贸易、信息中 心，国家高新技术产业、综合化工、轻纺工业基地，旅游、度假、避 暑、文化娱乐中心。1.2项目概况1.2.1项目名称青岛海洋波浪能的转化发电项目122项目单位 青岛海洋地质研究所青岛

5、海洋局1.2.3项目地址 青岛市市南区第二海水浴场13青岛海洋地质研究所青岛海洋地质研究所（Qingdao Institute of MarineGeology-QIMG）是隶属于国土资源部（MLR中国地质调查局（CGS 的海洋地质专业调查研究机构，1964年始建于历史名城-南京，1979 年重建于海洋科技城-青岛。以海洋区域地质调查研究为基础，以海 洋矿产资源（油气、水合物及固体矿产）、海岸带及近海海域海洋环境地质调查研究为重点，以中国管辖海域为主要工作区，基础研究和 应用开发并重的海洋地质科学研究单位。青岛海洋地质研究所的主要工作内容是：以海洋区域地质调查研 究为重点，以高新技术为依托，为

6、国家和社会公众服务的海洋地质调 查与研究一体化的事业单位。主要任务是：承担海洋地质调查相关的 基础科学研究和科技攻关工作，积极参与和承担国家重大科技项目； 开展与海洋地质调查相关的发展战略研究工作； 承担基础性、公益性、 海洋地质调查和战略性海洋矿产资源调查评价及海洋地质环境勘查 评价工作；承担地质样品及其它样品的分析测试工作， 进行分析测试 方法、技术和规范、规程、标准物质的研究；按局统一部署，建立海 洋地质、海洋矿产资源和海洋环境信息系统和数据库，根据有关规定 为国家和社会提供相关的资料和信息服务； 在中国地质调查局的领导 下，开展与海洋地质调查研究任务相关的国际交流与合作；开展科技开发和

7、多种经内部主要研究机构：海洋区域地质调查研究室、海洋油气与固体 矿产资源调查研究室、海洋环境地质调查研究室、海岸带地质研究中 心、海洋工程地质研究室、实验测试中心、天然气水合物模拟实验室、 资料信息室、国土资源部海洋沉积开放研究实验室。 我所是国家教育 部批准的与吉林大学、中国地质大学（武汉）共建的海洋地质硕士学 科点和与青岛海洋大学共建的海洋地球化学硕士学科点。1.4.1目前青岛海洋能资源的分布及丰富性众所周知，青岛是著名的海滨城市，在地理位置上享有丰富 的海洋能资源，东临黄海，海洋能资源不可小觑。142海洋能发电的优势利用海洋所蕴藏的能量发电。海洋的能量包括海水动能（包括 海流能、波浪能等

8、）、表层海水与深层海水之间的温差所含能量、潮 汐的能量等（见潮汐电站、海洋能电站）。海洋能通常指蕴藏于海洋中的可再生能源，主要包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、 海水盐差能等.海洋能蕴藏丰富，分布广，清洁无污染，但能量密度 低，地域性强，因而开发困难并有一定的局限.开发利用的方式主要 是发电，其中潮汐发电和小型波浪发电技术已经实用化.波浪能发电利用的是海面波浪上下运动的动能。海洋波浪能主要来源的是太阳能，由于太阳能的不均匀分布，导 致地球上空气流运动，形成风，风作用于海面上，其压力及对海面的 摩擦力使海面呈现凹凸不平，在引力和惯性力的作用下，形成波浪运 动。波浪能属于可再生能源，利用波浪

9、能对于缓解经济危机和改善环 境污染有重大的意义。全世界各个国家政府，尤其是海洋波浪能丰富 的国家，大力鼓励海洋波浪能的利用和发展。由于海洋波浪能的利用生产条件恶劣，与其他可再生能源发电系统相比，如风电，光伏发 电，相比发展相对滞后，甚至滞后于潮汐能和潮汐能的利用但是随着 相关技术的发展，波浪能的利用取得了长足的进步， 已经有实验化电站投入商业运行。可以预见，不远的将来，随着海洋波浪能技术的日益成熟，将会有更多的海洋波浪能发电系统投入电网的运行。波浪負邑资源分布口地球上有开发价値的波能蕴藏量；大于2TW一.波浪特性与能量1、波浪的成因（1）太阳、月亮的引力作用（2）风、大气压的变化（3）海底地震

10、、 大陆板块漂移（4）水面物体兴波2、波浪的运动特性（1）波浪做周期性运动（2）波浪传播能量（3）质点在当地做圆或 椭圆运动3、描述波浪的参数波长 入，波高H=2A周期T.QI厂4、波浪的能量波能 T+V=1/8 入 p gH2波能密度 单位面积上的波能E= 1/8 p gH2；二、波能转换原理(1)利用物体收波浪作用的升沉和摆动，将波能转换为机械能。(2)利用波浪行进爬升将波浪能转换为势能,再将势能转换为动能和机械能。1.4.3目前国内发展状况我国政府“十五”期间共投入经费435万，其中国家“十五”“863” 计划支持120万，中国科学院知识创新工程支持 300万，广东省科技 计划项目支持1

11、5万，由中国科学院广州能源研究所研制一座波浪能独立发电系统。该系统由一个振荡水柱装置和一个振荡浮子装置俘获 波浪能，通过具有能量缓冲器的液压系统， 波浪能被转换成稳定的液 压能，用于发电、海水淡化和制冰。2004年9月在实验室成功地将 平均功率8kW波动值为8kW的不稳定的液压能转换为稳定的电能。 2005年1月，成功地实现了把不稳定的波浪能转化为稳定电能。预 计振荡浮子式波浪能装置将于 2005年12月完工，届时，该系统将提 供用户可直接使用的稳定电力，多余能量将用于制淡和制冰。国内波浪能研究存在问题及解决办法。 全球波浪能能流密度相差 悬殊：最丰富的地区，其能流密度达100kW/m以上；而

12、最不丰富的地 区，其能流密度接近于0。中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为 27kW/m英国、葡萄牙等国家的波浪能能流密度达到 4060kW/m 波浪能发电成本有可能降到目前风能发电的水平。因此，这些国家可以大规模开发波浪能。其关键问题是提高波浪能发电效率、装置的建 造技术、降低成本，以求获得最佳经济利益。采用技术为在大浪下具 有较高可靠性的波能转换技术以及并网技术，如振荡水柱技术、变励 磁、变速恒频发电系统等。中国的波浪能发电成本要昂贵得多。 从目前技术水平看，其发电 成本要降到目前风能发电的水平是不可能的。 因此现在应着重于在波 浪能是最便宜的能源的边远海岛、钻井平台、深海米矿等常规能源难

13、 以供应的场所发展。关键是在降低发电成本的同时，提高发电的稳定 性，发展波浪能独立发电系统，使用户直接使用波浪能。（一）波浪能装置的稳定输出问题要实现波浪能独立发电系统，首先要解决的是波浪能装置的 稳定输出问题。对于装机容量小的波浪能装置，如我们研制的10W波 力发电航标灯，可以采取向蓄电池充电，再从蓄电池中输出稳定的电 能到用户。如果需要交流电，则需要配备逆变系统。但这一方法不适 用于平均功率较大的波浪能装置。解决这一问题的关键是发明一种技 术使得波浪能变成稳定的，直接被用户使用，多余的存入蓄电池，不 足的从蓄电池补充，就可以大大减小蓄电池的容量（及发电成本）。 这就是波浪能独立发电系统的概

14、念。这种可以将波浪能转换成稳定的电能的技术是波浪能独立 发电系统的关键技术。“十五”期间，我们在“ 863”项目和中科院 创新方向性项目支持下开展了这方面的研究，取得了突破性进展，率先提出并研制成蓄能稳压系统。有了蓄能稳压系统，就可以按照平均 功率而不是峰值功率来设计蓄电池组，蓄电池组的容量便可以大大下 降。（二）波浪能装置的效率问题从2000年起，我们开始研究振荡浮子式+液压系统的波能装 置。振荡浮子式+液压系统的波能装置的工作原理是，通过振荡浮子 将波浪能转换成驱动液压泵的往复（不稳定）机械能，再通过蓄能稳 压系统将不稳定的液压能转换成稳定的液压能， 通过液压马达驱动电 机发电。在任何波况

15、下的整个转换效率为 50噓右，明显比振荡水柱 式波能装置的转换效率高；从建造成本和难度上看，上述转换系统也 低于同等容量的振荡水柱波能系统。（三）波浪能制淡问题解决海岛缺水问题的一个有效方法是利用海洋里的波浪能 进行海水淡化，制造淡水。海水淡化需要能量，正好成为波浪能独立 发电系统能量调节的手段之一。从季节看，冬季波浪能较大，雨水较 少，用波浪能制淡刚好可以补充雨水的不足；在夏季偶然出现大浪时， 也可以将多余的波浪能用于海水淡化，解决能量过剩问题。反渗透海水淡化是一个效率最高的制淡方法， 制造每吨淡水大约 需要10MJ机械能。将波浪能转换成所需的机械能便可以供给反渗透 海水淡化设备，得到淡水。

16、为了实现这一目的，我们研制了波浪能驱动的海水淡化装 置。该装置可日产2吨淡水，可以为班排一级的守岛部队提供充足的 淡水。144国外情况关于波浪能转换的各种专利已超过 1500项。波浪能装置千变 万化，但通常具有两个部分：第一部分为采集系统，作用是俘获波浪 能；第二部分为转换系统，即把俘获的波浪能转换为某种特定形式的 机械能或电能。采集系统的形式有振荡水柱式（OWC、振荡浮子式(Buoy)、摆式(Pendulum)、鸭式(Duck)、筏式(Raft)、收缩坡道式 (Tapchan)、蚌式(Clam)等，提高波浪能俘获量的技术有通过波浪绕 射或折射的聚波技术，以及通过系统与波浪共振的惯性聚波技术。

17、转换系统有空气叶轮、低水头水轮机、液压系统、机械系统以及发电机 等，提咼转换效率的方法有可控叶片、变阻尼、整流、定压等，提咼 能量质量的方法有能量缓冲和调励磁等。目前最常见的是振荡水柱+空气叶轮的波浪能装置，装机容 量1kW以下的大约有1000多个，用于为导航浮标供电，已经走向商 业化(图1);装机容量数十到数百kW勺波浪能装置大约有10座左 右。最大的一座是欧盟建造的2MW装置Osprey,可惜在下水时破损。 成功建成的有英国和挪威的500kW装置各一座，葡萄牙400kW装置一 座，日本120kW装置一座、40kW装置一座、1kW以下装置600余个， 我国100kW装置一座、20kW装置一座

18、、1kW以下装置700余个。该装 置的优点在于采用空气传递能量，避免波浪对脆弱的发电系统的直接 打击；其缺点是空气叶轮转换效率不高，特别是在小浪时；而且发电 不稳定，对于10kW以上的波浪能装置须与柴油机或电网并联才能正 常工作。1.5可行性研究报告编制的依据1.5.1水力能与海洋资源发展1.5.2可再生能源及其发电技术1.5.3新能源概论1.5.4世界海洋波浪能发电技术的发展现状与前景1.5.5海洋波浪能发电装置的研究现状与发展前景（上海海洋大学工程学院上海201306）海洋波浪能发电技术现状与前景（1.中国科学院广州 能源研究所，广东 广州510640; 2.中国科学院研究生院可再生能源

19、和天然气水合物重 点实验室，广东 广州510640 ; 3.中国科学院研 究生院，北京100049）海洋能源利用技术进展与展望2010-01-251.6生产纲领1.6.1生产规模波浪能具有很大的能量，波浪能与波浪高度的平方程正比，因此，当波高为2米时，周期为6秒时，则每米宽的波浪能为24Kw 波的高度与周期同海面的风速有关，在每10秒的风速下，每米宽的波浪能为24Kw风速为12米每秒时，每米宽的波浪能为59Kw当风 速为15时，为247Kw从理论上说，这个能量与风速的 6次方程正 比。青岛的海洋正好具有这样的特点。1.6.2技术要求目前波浪能发电装置的规模就技术原理来说分为 3类，1是利用海面

20、 波浪的上下运动产生空气流或是水流而使轮机转动。 2是利用波浪装 置前后摆动或转动产生空气气流而使汽轮转动。3是把低压大波浪变 为小体积高压水，然后把水引到某一高位积蓄起来，产生一个水头, 从而冲击汽轮。1.7可行性研究的范围1.7.1从发电厂的实际出发，研究海洋波浪能对于发电技术的可行 性。1.7.2通过对海洋波浪能的原理及实际情况的考察，确定建设项目所采用的技术方案。1.7.3通过项目的投资估算，技术经济效益分析和财务评价，从而研 究项目的可行性。1.7.4研究采取积极有效的方式，合理高效地利用海洋波浪能进行发 电。1.8 设计原则与主导思想1.8.1坚持海洋能的发展与国家，省政府，青岛市

21、的有关方针相一致 的原则。在生产上得到支持。1.8.2对海洋能的利用，既是对青岛海洋资源的充分利用，做到因地 制宜，而且对最近全球资源危机的缓解提供了有力的支持。1.8.3海洋能发电，在生产环节上对环境没有危害，有利于响应国家 的节能，减排目标的实现。1.8.4坚持生产可靠，技术先进，节约投资，提高经济效益的原则185在生产过程中，严格控制技术的要求，做到生产的零危险。1.8.6采用先进的自动化控制技术，减少劳动强度，提高劳动效1.9主要问题与经济要求材料：材料问题一一波浪能装置的材料应该具有（1）抗海水腐蚀 的特性；（2）廉价；（3）较好的耐久性和可靠性。不锈钢满足第 1、 3两条，不满足第2条；工程塑料在强度上已有了显著提高，但其耐 久性和可靠性还未能满足要求。因此，现有的波浪能装置只是采用普 通钢材，靠表面涂层提高抗腐蚀能力，耐久性差强人意。经济指标：由于目前尚未有较合适的材料，因此寻找材料成为当务 之急的事情，