新能源发电技术 第2版 教学课件 8波浪能

第8讲波浪能和波浪能发电§8波浪能和波浪发电

§8.1波浪的成因和类型海水在风等外力作用下沿水平方向的周期性运动，形成波浪，俗称海浪。波浪的能量来自于风和海面的相互作用，是风的一部分能量传给了海水，变成波浪的动能和势能。风传递给海水的能量取决于风速、风与海水作用时间及作用路程，表现为不同速度、不同“大小”的波浪。海浪的波高从几毫米到几十米，

波长从几毫米到数千公里，

周期从零点几秒到几小时以上。波浪的分类（按形成和发展的过程）风浪，指的是在风的直接吹拂作用下产生的水面波动。 由于海浪会向远处传播，往往由风引起的波浪在靠近其形成的区域才被称为风浪。风浪可从其形成区域传播开去，出现在距离很远的海面。这种不在有风海域的波浪称为涌浪。涌浪包括传到无风海区的风浪和海风停息或风速、风向突变后的存留下来的风浪余波。外海的风浪或涌浪传到海岸附近，受水深和地形作用会改变波动性质，出现折射、波面破碎和倒卷，这就是近岸浪。海浪的等级（根据波高大小）通常将风浪分为10个等级，将涌浪分为5个等级：0级无浪、无涌，海面水平如镜；5级大浪、6级巨浪，对应4级大涌，波高2～6米；7级狂浪、8级狂涛、9级怒涛，对应5级巨涌，波高6.1米到10多米。水面上的大小波浪交替，有规律地顺风滚动前进；水面下的波浪随风力不同做直径不同、转速不同的圆周或椭圆运动，如图8.1所示。海浪的运动海岸附近的波浪折射§8.2

波浪能资源的分布和特点波浪的前进，产生动能，波浪的起伏产生势能。形成波浪的原动力主要来自于风对海水的压力以及其与海面的摩擦力，波浪能是海洋吸收了风能而形成的，其根本来源是太阳能（风能也来自于太阳能）。波浪的能量与波浪的高度、波浪的运动周期以及迎波面的宽度等多种因素有关。因此，波浪能是各种海洋能源中能量最不稳定的一种。§8.2.1全球波浪能资源根据联合国教科文组织1981年出版物的估计数字，全世界的波浪能的理论蕴藏量为30亿千瓦。估计技术上允许利用的波浪能约占1/3，即10亿千瓦。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。图8.3波浪能年平均功率密度的全球分布图（图中的数字表示离岸深水处的波浪能平均值（kW/m）§8.2.2我国波浪能资源我国海岸线长，海域辽阔。根据海洋观测资料统计，我国沿海海域年平均波高在2~3m，波浪周期平均6~9秒，波浪功率可达17~39kW/m，渤海湾更高达42kW/m。据《中国新能源与可再生能源1999白皮书》统计结果，进入岸边的波浪能理论平均功率为1285万千瓦。90%以上分布在经济发达而常规能源缺乏的东南沿海，主要是浙江、福建和广东沿海，以及台湾省沿岸。据波浪能能流密度和开发利用的自然环境条件，首选浙江、福建沿岸，应为重点开发利用地区，其次是广东东部、长江口和山东半岛南岸中断。也可以选择条件较好的地区，如嵊山岛、南麂岛、大戢山、云澳、表角、遮浪等处。省份台湾浙江广东福建山东海南江苏辽宁其他数量/万kw429.1205.317416616156.329.125.538.1占比/%33.41613.512.912.54.42.31.22.9

[微软用户1]新表格我国波浪能资源分布表§8.2.3波浪能的优点在海洋能中，波浪能除可循环再生以外，还有以下优点：1）以机械能形式存在，在各种海洋能中品位最高；2）在海洋能中能流密度最大，在太平洋、大西洋东海岸纬度40～60°区域，波浪能可达到30～70kW/m，某些地方达到100kW/m；3）海浪无处不在，波浪能在海洋中分布最广。4）波浪能可通过较小的装置实现其利用；5）波浪能可提供可观的廉价能量。§8.3波浪发电装置的基本构成波浪发电是波浪能利用的主要方式。波浪发电，一般是通过波浪能转换装置，先把波浪能转换为机械能，再最终转换成电能。波浪上下起伏或左右摇摆，能够直接或间接带动水轮机或空气涡轮机转动……目前国际上应用的各种波浪能发电装置都要经过多级转换。§8.3波浪发电装置的基本构成波浪能利用的关键是波浪能转换装置，通常经三级转换：1）波浪能采集系统(即受波体)，捕获波浪的能量；2）机械能转换系统(中间转换装置)，把捕获的波浪能转换为某种特定形式的机械能（一般是某种工质如空气或水的压力能，或者水的重力势能）；3）发电系统，与常规发电装置类似，用空气涡轮机或水轮机等设备将机械能传递给发电机转换为电能。§8.4波浪能的转换方式波浪发电装置的种类很多……但波浪能的转换方式，大体上可分为四类：1）机械传统式2）空气涡轮式3）液压式4）蓄能水库式§8.4波浪能的转换方式（1）机械传动式（2）空气涡轮式这种装置结构简单，而且以空气为工质，没有液压油泄露的问题。（3）液压式液压式指通过某种泵液装置将波浪能转换为液体（油或海水）的压能或位能，再由油压马达或水轮机驱动发电机。波浪运动使海面浮体升沉或水平移动，从而产生工作流体的动压力和静压力，驱动油压泵工作，将波浪能转换为油的压能或产生高压液体流，经油压系统输送，再驱动发电机发电。这类装置结构复杂，成本也较高。但由于液体的不可压缩性，当与波浪相互作用时，液压机构能获得很高的压强，转换效率也明显高。（4）蓄能水库式蓄能水库式，也叫收缩斜坡聚焦波道式。

其实就是借助上涨的海水制造水位差，然后实现水轮机发电，类似潮汐发电。这类装置结构相对简单，主要是一些水工建筑，然后是传统的水轮机房。而且由于有水库储能，可实现较稳定和便于调控的电能输出，是迄今最成功的波浪能发电装置之一。但一般获得的水位不高，因此效率也不高，而且对地形条件依赖性强，应用受到局限。根据系留状态，波浪能转换装置可分为两大类：（1）固定式（2）漂浮式。第一代装置，是最初在岸边发展的早期装置，第二代装置，是后来近岸或海床锚碇式的，第三代装置，创新的离岸波浪能转换装置。§8.5波浪能装置的安装模式§8.5波浪能装置的安装模式各种波浪能转换装置，往往都需要一个主梁或主轴，即一种居中的、稳定的结构，系锚或固定在海床或海滩。根据主梁与波浪运动方向的几何关系，波浪能转换装置可分为三种不同的模式：（1）终结型模式……（2）减缓型模式……（3）点吸收模式……§8.5波浪能装置的安装模式§8.6典型的波浪能发电装置（1）振荡水柱式（OWC）

发展最早、研究最多也是目前最成熟的波浪能利用装置。Wells涡轮机1976年，英国的威尔斯（Wells）发明了能在正反向交变气流作用下始终单向旋转做功的气轮机。这是一种具有对称翼型叶片的气轮机。叶片截面与传统汽轮机叶片或螺旋桨叶片不同，而是呈对称形状。当波浪起伏往返运动而使气室中的气流来回流动时，这种对称翼叶片可在相反方向气流作用下仍然保持旋转方向不变，从而特别适合于方向反复变化的气流运动。具有这种叶片的气轮机已被广泛采用。水注上升和下降时，经过气轮机的气流方向是相反的，气轮机的旋转方向如果来回变化，发电也时正时负……（2）振荡浮子式（Buoy）图8.19的Buoy波浪能转换装置，为瑞典IPSInterprojectServiceAB发明、美国AquaEnergy公司开发。包含浮体及连结其上的加速管。加速管中间的工作圆筒(内有工作活塞)，上下两边开口，可使水畅流无阻。能量吸收装置是一对具弹性的软管泵，受工作活塞操控。随着波浪运动，浮子上下起伏使软管伸张及松弛，可以压迫海水经止逆阀到中心的涡轮机及发电单元。（3）点头鸭式（Duck）1983年爱丁堡大学StephenSalter教授在英国波浪能研究计划资助下开发出Salter’sDuck。鸭子的“胸脯”对着海浪传播的方向，随着海浪的波动，像不倒翁一样不停地摆动。摇摆机构带动内部的凸轮/铰链机构，改变工作液体的压力，从而带动工作泵，推动发电机发电。

（3）点头鸭式（Duck）为提高能量的吸收效率，“点头鸭”的运动应与水粒子的运动轨迹相一致，而在长波中的效率可以通过改变节点控制脊骨的弯曲度来实现。

它可以同时将波浪的动能和势能转换，理论上为所有波能转换器中最有效的一种，效率达到90%以上。往往要在狭长的浮动主梁骨架上，并排（有一定的间隔）放置多个“鸭子”，甚至可以延伸到几千米长。“点头鸭”主要作为终结型装置，主梁的方向调整为沿着波前的方向。（4）海蛇式（Pelamis）图8.11

为苏格兰OceanPowerDelivery公司开发的Pelamis（又名海蛇号）波浪发电装置。由一系列圆柱形钢壳结构单元铰接而成，外型类似火车。

（4）海蛇式（Pelamis）当波浪起浮带动整条装置时就会起动铰接点，其内部的液压圆筒的泵油会起动液压马达经过一个能量平滑系统。

在每个铰接点产生的电力藉由一共同的海底缆线传输到岸上。装置长度约为130米，直径达3.5米。

（5）摆式（Pendulum）日本室兰工业大学于1983年在北海道室兰附近的内浦湾建造了一座推摆式波浪能电站，其工作原理如图8.12所示。5千瓦的试验电站，摆宽为2米，最大摆角±30度。波高1.5米、周期为4秒时正常输出约为5千瓦，总效率约为40%。

这是日本的波浪能电站中效率较高的一个。

图8.13为以色列S.D.EEnergy公司开发的HydraulicPlatform，通过浮板的摆动将波浪能转换为液压产生电力。（5）摆式（Pendulum）（6）收缩坡道式（TAPCHAN）TAPeredCHANnel意思是收缩坡道，有的文献称为楔形流道，即逐渐变窄的楔形导槽。在电站入口处设置喇叭形聚波器和逐渐变窄的楔形导槽，当波浪进入宽阔一端向里传播时，波高不断地被放大，直至波峰溢过边墙，转换成势能。水流从楔形流道上端流出，进入一个水库，然后经过水轮机返回大海。挪威波能公司（NorwaveA.S.）建造了一种SeawaveSlot-Cone发电装置，其核心技术与TAPCHAN类似。（7）阿基米德海浪发电装置（ArchimedesWaveswing）这是一种位于水下的漂浮物，如图8.16所示，由英国AWS海洋能源公司设计。（8）CETO漂浮系统2008年，英国TridentEnergy公司在澳大利亚西部弗里曼特尔附近地区安装了一种漂浮系统，如图8.17所示。漂浮物可在海浪作用下向下移动，进而带动海水穿过铺设于海床上的管道送上到岸边。岸上的水轮机不受海水的腐蚀和破坏。迄今表现相当不错，第一个商业发电厂于2009年部署。据称一个面积5公顷的漂浮物阵列可产生50兆瓦的功率。8.7

波浪发电的发展1799年，一对法国父子申请了世界上第一个关于波浪能发电装置的专利。1964年，日本海军士官益田善雄研制成世界上第一个海浪发电装置——航标灯，并于1965年率先将该波浪发电装置商品化。中国科学院广州能源研究所于1989年在广东珠海建成了第一座示范实验波