可再生能源概论第3版课件第8章

第八章波浪能当我们在海边漫步，总会不自觉地被那奔腾而来、无休无止的海浪所吸引。人们把波浪比喻成大海的呼吸，殊不知在这起伏的波浪中蕴藏着巨大的能量资源。据世界能源署(IEA)估计，全世界的波浪能功率资源为2TW(2×1012W)，对应于年可利用能源17，500TW·h(1.75×1013kW·h)电，相当于全世界每年的用电量！早在18世纪末，法国就批准了世界上第一个波浪转换装置的专利。从那以来，世界上有关波浪转换装置的专利已经超过1000多项。但实际的波能转换器，直到20世纪70年代才付诸实施。比起太阳能、风能等技术，波浪能技术相对还不成熟，在经济上也无法与上述技术竞争。但是，波浪能的一个重要特征是其能量密度在可再生能源中几乎是最高的。在世界上某些波浪能资源丰富，而传统能源缺乏的地方，如英国和爱尔兰，波浪能提供了巨大的潜力来替代传统能源。在远离大陆的海岛，波浪能发电已经证明比柴油发电更有竞争力。国际上已经尝试了多种近岸或离岸式波浪发电装置。通过对上述试验装置的改进，为波浪发电装置的商业化提供了重要的数据。8.1波浪的起因和定义起因：风吹过海面，风与海面相互作用，一部分风的能量传给海水，变成波浪的动能和势能。波浪发生的三种主要过程：空气吹过海水表面，由于粘性作用，对海水施加一个切向力。而水的表面张力提供一个类似弹簧的恢复力，使水面上产生一层微小的涟漪，它是波浪形成的前奏。此时的波称为表面张力波。靠近水表面的湍动的空气流引起剪切力和压强的波动。当这些波动与已有的波浪同相位时，波浪进一步加强。

波浪继续受风的剪切力作用，与风共振，从风中吸取能量。波高逐渐加高，波长逐渐加长，最后到达波澜壮阔的情况。此时迫使水面复原的恢复力为重力，故称为重力波。

广义的波浪的分类：表面波或涟漪重力波：风浪、涌浪、近岸浪。海啸惯性重力波行星波风浪与涌浪分布示意图

8.2波浪的特征和波浪能的功率波浪的特征包括：波长波高H周期T波峰宽度W海水深度d理想的波浪—简谐波

波浪能密度

:

垂直于波浪方向的每米宽度所通过的能量速率（功率）

严格的表达式为：理想的波浪能功率为:其中:水的密度

[kg/m3]

重力加速度g[9.8m/s2]

海浪的随机性:风速、风向随时随地变化

典型的波浪状态：每米宽波峰的平均能量为:kW/m其中:显著波高

，Te为零上方穿过周期

一个典型的波浪纪录。其中，显著波高Hs=3m，表面的连续向上运动用小圆圈示出。在此例中，在150s内有15次零上方穿越，因此Te=10s。由此，P＝(32×10)/2＝45kW/m。8.3波浪在深水和浅水中的传播深水波：水深>1/2波长，波速仅与波长有关。

速度

，波长浅水波：水深<1/4波长，波速仅与水深有关。

速度中等深度波：1/4波长<水深<1/2波长，波的性质将同时受到水深d和波周期T的影响。8.3.1波浪的三种类型8.3.2

水面下的波浪波浪由旋转的水粒子组成。靠近表面时，这些粒子的旋转半径与波高相等。到表面下方更深一些时，轨道尺寸将减小。水粒子的旋转半径随着水深呈指数下降。

海面下水粒子的运动：(a)浅水波；(b)中等深度波；(c)深水波8.3.3浅水波的运动：对于世界上大多数海岸线，近岸海水较浅。由于最下方的水粒子与海床的摩擦耦合，随着波浪向岸边运动，深水波逐渐释放能量，最终波浪冲向了海滩。当水深小于1/4波长时，摩擦作用变得非常显著，能量损失可达到每米几瓦。海岸线附近波浪的折射

8.3.4波浪的折射：波前的一端将首先到达浅滩，这部分波的速度将变慢，波的方向也将发生改变，此效应称为波的折射。8.4波浪能资源

全世界波浪能分布的年平均功率密度[kW/m]（数值代表波浪能在离岸深水处的平均值）

据国际能源署估计，全球波浪能资源总量为2TW，即2×106MW或等价于1.75×1013kW·h电/年，相当于全世界每年的用电量！波浪能密度最大的区域分别发生在南、北半球纬度40°~60°之间，该区域风速极为猛烈。但在纬度30°地区。由于信风盛行，此区域也适合利用波浪能。在大西洋和太平洋长距离洋面上吹过的风，能够产生几十米高的大浪，波长可达100m以上，每片浪可以排开几十吨重的海水！欧洲和美国的西部海岸、新西兰和日本的海岸均为利用波浪能有利地区。英国的西北部沿海是世界上波浪能最充分的区域之一。波浪能功率随气候变化很大，通常冬季远大于夏季。在苏格兰岛的西海岸，冬季的波浪能功率几乎四倍于夏季。而该地区冬季所需的能量供应也远远大于夏季。我国有18，000km海岸线，7000多个岛屿。在国际上属于波浪能资源不太丰富国家，但对于常规能源缺乏而又拥有波浪能资源的浙江、福建、广东沿海，开发波浪能资源，对于我国东南沿海地区的经济发展具有重要的意义。中国沿海波浪能资源区划图分区省区一类区H1/10≥1.3m二类区1.3>H1/10≥0.7m三类区0.7>H1/10≥0.4m四类区0.4m>H1/10理论平均功率/MW辽宁

大鹿岛、芷锚湾、老虎滩区段小长山、鲅鱼围区段255.03河北

秦皇岛、塘沽区段

143.64山东

*北隍城、*千里岩区段龙口、小麦岛、石臼所区段成山头、石岛区段1609.79江苏

连云港(东西连岛)附近吕泗区段291.25上海市长江口

佘山、*引水船区段

164.83浙江大陈区段*嵊山、*南几区段

2053.40福建台北、*北礵、海坛区段流会、崇武、平海、围头区段东山区段

1659.67台湾周围各段

4291.22广东遮浪区段*云沃、*表角、荷包、博贺、硇州区段下川岛(南沃湾)附近雷州半岛西岸

1739.50广西

涠州、白龙尾区段北海区段80.90海南*西沙(永兴岛)附近铜鼓咀、*莺歌海、东方区段玉苞、榆林区段

562.77全国

12852.00表8-2中国沿海波浪能资源区划为了从海洋波浪中捕获能量，必须用一种合适的结构和方式拦截波浪并与波浪相互作用。由于波浪能是一种海水运动动能，而且是周期较长的间歇式运动（平均周期大约10s，频率约0.1Hz），因此波能利用涉及多级转换，而不能像太阳电池那样直接转换为电能。目前应用的波浪能装置大都需要三级以上转换，波浪能的三级转换第一级：先将波浪的动能转换成空气或水（油）的压力能、汇流水库里水的重力势能，或者某种实体的运动动能；第二级：利用空气涡轮机、液压马达、水轮机等动力输出装置（PTO）将其转换成旋转机械的转动动能；第三级：通过法拉第发电机，将机械运动转变成电能。波浪能也可以采用二级转换，即第一级将波浪的动能转换成某种实体的运动动能；第二级则利用实体的运动直接驱动发电装置发电。8.5.1基本结构图8-9从波浪能到电能的转换步骤和原理8.5.2波能转换器的主梁和三种模式在波能转换器中,为了将低频的波浪的起伏和摇摆运动转换为高频的发电机转子旋转,需要利用各种类型的机械结构,包括杠杆机构、齿轮机构、铰链机构、曲柄连杆机构、增速机构、液压和气动机构等。无论哪种结构,都需要有一个主梁,即一种居中、稳定的结构,系锚或固定在海床或岸边。若干运动部件,包括挡板、浮子、空气室或楔形流道系于其上,并在波浪的作用下与主梁作相对运动。

根据主梁与波浪方向的关系，波能转换器可分为三种模式:(a)终结性模式:波能转换器的主梁平行于与入射波前。(b)减缓型模式:波能转换器的主梁垂直于入射波前。(c)点吸收型模式:其主轴垂直于海面，其线形尺度远小于波浪的长度。8.5.3波能转换装置的分类振荡水柱型(OWC)属于点吸收型模式。它由部分淹没在水中的钢结构或混凝土结构组成一个半封闭的容器，开口朝向下方的水面，空气被封闭在水面的上方。容器内部的海水如同活塞一样，利用波浪的上下起伏和冲击作用，周期性地挤压或抽吸封闭在内部的空气，进而推动空气涡轮机带动发电机发电。这类装置简单耐用，造价较低，但效率不高。振荡实体型将波浪的振荡运动转化为某种实体的振荡运动，然后或是转化为较高压强的液体压力能，推动液压马达旋转，或是直接带动直线或旋转发电机发电。属于这类的波能转化器又可分为垂荡型机构和摇摆型机构等多种。汇流型（水位差型）

属于终结型模式，原理上类似潮汐发电。通常利用楔形流道，使波浪逐渐汇聚和爬升，放大波浪幅度。最后让波峰上的海水汇流到高水位的泻湖(集水池)中。再利用泻湖与外海面的水位差，推动传统的水轮机发电。根据波浪能的一次转换方式，可以将波浪能装置归结为三大类：（1）振荡水柱型；（2）振荡实体型；（3）汇流型。根据装置的系留方式，上述每一种类型又可分为固定式和浮动式两大类。图8-11振荡水柱装置(a)固定式；(b)浮动式图8-12垂荡机构(a)单体浮子型;(b)双体浮子型图8-14摇摆型机构(a)点头鸭式；(b)摆板式图8-15垂荡与摇摆机构图8-16楔形流道装置示意图图8-13瑞典乌普萨拉大学研制的直线式波能转换器8.5.4波能转换器的尺寸、阵列和实施装置尺寸:波能转换装置的几何尺寸是决定其工作性能和输出功率大小的关键因素，波能转换装置的最佳尺寸取决于该装置预定工作的波浪和海洋的特性。

装置阵列:欲产生大量的电力，需要很多波浪能转换装置联合工作。单排波能转换器可能是最有效的，如果装置之间的距离布置得当，那么每台装置将通过一种被成为“相干干涉”的过程比其单独布置吸收更多能量。装置实施:安装装置；波能拦截装置；功率转换装置；系锚装置；电能输出和控制系统；接近和维护装置；回收和取缔装置。8.5.5固定式装置和浮动式装置根据波能转换装置与海岸的距离，又可以分为岸式、近岸式和离岸式三种。岸式：波能装置固定在岸边，也可以置于浅水中，如防波堤或拦水坝中。岸式的主要优点是易于维护和安装，更靠近电网，对风暴浪的承受能力更强。但比起位于海洋中的浮动式，岸式装置得到的波能密度较低。离岸式：波能装置位于远离海岸的深水区（40米以上），建在系泊在海床上的浮动式或淹没式结构物中。离岸式的优点是可利用远海的巨大波能。但由于远海的波浪险峻，其结构必须承受很高的载荷，装置的可靠性和生存性较弱。还需要很长而昂贵的海缆把电能输送到岸上的电网。近岸式：波能装置安装在距离海岸几百米的中等水深（10-25米）处。通常坐落在海床上（避免系泊），但必须承受波浪通过时产生的应力。它们也可能是浮动结构。近岸式的特点介于岸式和离岸式之间。根据系留状态，波能装置还可分为固定式和浮动式。固定式装置又有岸边固定式（简称岸式）和海底固定式两种。由于固定式装置具有固定的主梁,容易接近与维护,显然比浮动式装置更容易建造。8.5.6威尔士空气涡轮机(WellsTurbine)波能转换器最成熟的技术，就是在天然或人造水槽中引入波浪，产生振荡水柱，进而造成空气的压缩和抽吸，推动威尔士空气涡轮机旋转。威尔士涡轮机具有独特的性质：不管气流来自何方，涡轮机都始终朝一个方向旋转，从而特别适合于方向反复变化的气流运动。图8-18Wells空气涡轮机Wells涡轮机是20世纪70年代英国女王大学AlanWells教授发明,它由若干个安装角为零，均布于轮毅的对称翼型叶片组成。其工作原理近似于一个具有对称、平直的叶片和零攻角的水平轴风力机。其最大优势是自整流特性，即可以在往复交变的双向气流中高速单向旋转做功。由于波浪运动的周期性变化，气动式波能装置若采用双向作用的Wells涡轮机则无需整流阀，从而可以大为简化装置结构。

图8-19

Wells空气涡轮机叶片受力分析

a)气流方向和叶片方向

b)相对空气速度及升力和阻力

c)作用在转动平面上的力8.6波浪能装置的范例

8.6.1固定式装置

TAPCHAN楔形流道示意图固定式振荡水柱装置

英国OSPREYOWC装置“设计者引渠”的施工步骤

完工后的“设计者引渠”装置：（a）迎浪面；（b）背浪面。

（a）（b）摆