波浪发电技术简介.ppt

1、波浪能发电技术，内容提要，研究背景和意义波浪能转换装置简介永磁直线电机原理和结构波浪能发电系统的构建与仿真，研究背景和意义，世界能源格局，人类正面临传统能源发展的严峻挑战。现代人的能源需求大约是以前农业社会的10倍，相当于每人每天20升油。如今，随着资源的稀缺，传统能源的开发成本变得更加昂贵，随着人类的不断消耗，世界上只有少数几个主要的能源开发时期：石油约31年，天然气约40年，铀约48年，煤炭约218年。伴随能源使用的温室效应和其他污染问题将逐渐影响我们的生活环境。面对如此恶劣的能源环境，能源科学家不得不重新审视可再生能源的定位，如风能、太阳能、水能、地热能和海洋能等。目前，这些可再生能源的

2、消耗仅占世界能源消耗总量的3%，与传统能源相比利用率很低。欧洲议会联盟计划到2050年完成“阳光能源改革计划”。该计划可概括为减少能源需求、增加能源供应、减少能源供应，特别是高碳排放的能源供应模式，包括：“在50年内将能源需求减少50%，利用太阳能提供40%的能源，利用生物能源提供30%的能源，利用风力提供15%的能源，利用水力提供10%的能源，利用石油提供5%的能源。”据统计，占世界70%的海洋可再生能源总量，可能远远超过目前全球能源消耗总量。海洋能及其发展意义。海洋能是指储存在海水中的可再生能源，主要包括海洋机械能、海洋热能、海洋生物能和海洋盐度差能等。所有毗邻海洋的国家都可以在领海开发和

3、利用海洋能源。海洋能及其发展意义。海洋能有很好的特性，即可再生和清洁。这是一种急需开发利用的新能源，在现阶段具有重大的战略意义。中国有1.8万公里的海岸线，管辖海域超过300万平方公里，海洋能源丰富。其中，近岸海域波浪能储量约为1.5亿千瓦，可开发量约为3000.35亿千瓦，海洋风能约为7亿千瓦。因此，大力发展海洋新能源对于优化我国能源消费结构、支持经济社会可持续发展具有重要意义。作为海洋能源的重要组成部分之一，波浪能在海洋中的分布非常不均匀。由于波浪是由海面上的风的作用引起的，所以在暴风雨和巨浪中波浪能量可达1000千瓦/米；在平静的海面上，它只有0.001千瓦/米.一般认为，北大西洋的波功

4、率很高，达到8090千瓦/米，而地中海等封闭海域的波功率只有3千瓦/米，而日本等太平洋西海岸的波功率为50千瓦/米。中国位于亚欧大陆和太平洋的毗邻地区，领海多为封闭和半封闭的边缘海。海域相对封闭，风力较小，波浪能储量不大，具有明显的季节性和突变性。渤海海峡、福建海坛岛以北、浙江中部和台湾沿海波浪能量密度较高。这些海域的平均波高在1米以上，周期一般在5秒以上，是我国可利用的波浪能资源丰富的海域。海浪发电的研究意义在于，由于太阳辐射的不均匀加热、地壳的冷却和地球的自转产生风，风吹过海面形成波浪，所以海浪是由太阳能转化而来的，波浪产生的能量与风速成正比。波浪能是近年来海洋能源利用中研究最多的能源形式

5、，因为它是海洋能源中最丰富的能源之一。随着人类的不断研究和实验，波浪能的利用正在缓慢推进与其他能源相比，波浪能具有以下优点：(1)分布广泛；可再生，太阳可以产生风能，这将不断产生波浪能；波能流密度最高，有的地方可达100千瓦/米，利用率很高；清洁无污染；有一个周期性变化的规律可循，便于标准化利用；以机械能的形式，它是海洋能中最高等级的能量。波浪能的这些优点意味着与其他海洋能源相比，波浪能使用起来更方便，而且装置更小更便宜，可以为沿海地区、海上平台和近海地区提供能源。波浪能转换装置介绍。波浪能转换装置有多种形式，但可以分为三个阶段进行分析，如下图所示。第一阶段的转换与波能直接接触，其功能是将波能

6、转换为实体所拥有的能量，通常表示为随波波动的机械能。第三级转换，即最终转换，是将传输的机械能转换成电能的装置，通常是发电机。相对较新的技术包括压电发电装置等。传输的电能经过一定的转换后可以直接进入电网供终端用户使用。右图中的物体1和物体2分别称为能量接收器和固定物体。能量接收器直接接收从波浪传输的能量；固定体相对固定，通过与能量接收器形成相对运动或位置差来产生能量。接收体和固定体是波浪能转换装置中不可缺少的两个部分，它们的结合实现了波浪能转换。接收体和固定体也可以根据不同的装置具有不同的形式。除了一级转换和末级转换外，中间转换是不必要的，它主要在波转换装置中起稳定方向、增加速度和稳定速度的作用

7、。此外，有时第一级转换装置与最终转换装置之间有一定的距离，因此要求中间转换装置起到传递能量的作用。不管是否重复以下内容，该示意图都可以通过引入能量转换装置来描述。第一级转换装置、第一级转换装置和不同类型的能量接收器使能量转换方法不同，可分为以下三类：能量接收器为刚体，能量转换方法为波浪能转换为机械能，如摆动浮子式、钟摆式、点头鸭式和波筏式；能量接收体为水体，能量转换方式为波浪能转换为动能和势能，如收缩通道式(即聚波水库)；能量接收器为空气，能量转换方式为波浪能转换为空气能，如振荡水柱。目前，另一种不可缺少的与接收体配合完成波能转换的固定体主要用于以下类型：(1)系泊结构；(2)动态定位；(3)

8、固定结构；(4)深水体；(5)其他稳定剂。索尔特于1974年提出了点头鸭波能量转换装置，其转换效率可接近90%。它的名字来源于它的形状和运动特征与鸭子相似的事实。能量接收器的运动主要来自入射波运动产生的动压力和静压力。动压力推动鸭体绕轴旋转，静压力推动鸭嘴作波动运动。因为这两种运动形式是同相的，所以产生的能量可以同时传递出去，然后转换成电能使用。优点：转换效率高，调整鸭体质心可使其自身频率与波浪运动频率相同或接近，形成共振，达到最大转换效率；缺点：设备复杂，导致可靠性差，特别是在恶劣的海洋环境中，设备容易损坏。“点头鸭”式波浪能转换装置、收缩通道式波浪能转换装置和收缩通道式波浪能转换装置是由F

9、alnes和收缩斜坡的聚波效应是由斜坡两侧的对数螺线正交面形成的，两侧的斜坡在高位水库中相连。聚波效应增加了进入收缩通道的波浪的波高，从而穿过混凝土墙进入高水位水库，然后利用势能通过水轮发电机组发电。收缩通道波能转换装置具有装置简单、体积大的优点，可靠性好、功率稳定、效率高，转换效率在65u之间；缺点：设备建设需要极高的地形。振荡水柱式波浪能转换装置是目前世界上最流行的波浪能转换装置。这个装置被重视的原因是它可以依靠共振来增强水柱的运动。共振时，入射波和辐射波的共同作用可以增加进入水柱的波高，从而提高波能转换效率。一、振荡水柱式波浪能转换装置，优点：该装置只与空气接触，不与波浪接触，所以波浪的

10、腐蚀和冲击比直接与波浪接触的波浪能装置小得多，所以它具有很强的稳定性和较低的故障率。缺点：成本高，不仅材料成本昂贵，而且施工复杂，所需机械和人工成本高；转换效率很低，只有100%左右。摆式波浪能转换装置的原理很简单，即在波浪的推动下，摆板上下运动产生机械能，机械能再通过中间装置传递给最终的转换装置，转换成电能。优点：成本较低。缺点：转换效率不稳定，可靠性差，在恶劣的海洋环境中容易损坏。整流器式波浪能转换装置，整流器式波浪能转换装置，也称为雷塞尔整流器，由英国牛津液压研究所成功开发。通过一套单向阀，当波浪进来时，水流可以进入水库，水流压力可以维持水轮机装置中的水轮机运行；当波浪不断涌入时，当内部

11、静水压超过波浪产生的压力时，进水阀关闭；当内部静水压超过外部压力时，排水阀打开，集水箱中的水部分排出。这种往复循环使涡轮机保持运转，并不断将波浪能转化为机械能。整流器式波浪能转换装置，优点：可靠性高。缺点：转换效率低，投资成本高。因此，波能密度更为关键，需要更高的波能密度来弥补其较高的器件成本。因此，该装置可广泛用于波能密度高的地区，如欧洲，但在波能密度低的国家不理想。振荡浮子式波浪能转换装置是在振荡水柱式装置的基础上发展起来的一种新型波浪能转换装置。摆动浮子装置由浮子、连杆、液压传动机构、发电机和保护装置等组成。波浪能被浮子吸收产生波动运动，然后通过中间装置传递能量，最后驱动电机发电。振荡浮

12、子式波浪能转换装置的接收体和固定体是非常典型的，它们都利用它们的相对运动来收集波浪能。振动浮波能量转换装置的优点是：一是易于建造，几乎没有水下混凝土，大大降低了施工难度和成本；第二，装置的转换效率高；第三，主要使用岸上装置，这避免了装置的能量传输和系泊问题，从而节约了成本并提高了效率。基于上述优点，振荡浮式波浪能转换装置有望发展成为一种实用的波浪能装置。中间转换装置是波浪发电系统中必不可少的装置，主要起到稳定方向、增速和稳速的作用。另外，在一些系统中，第一级转换装置与最终转换装置之间存在一定的距离，因此需要中间转换装置来起到能量传递的作用。中间转换罐日本航标的波浪力装置是典型的气动中间旋转装置

13、。转换过程为：气泵室(即腔体，将机械能转化为空气能)、整流阀和风道燃气轮机(将空气能转化为机械能)。气动能量转换装置的优点是发电部分不直接与海水接触，所以波浪的腐蚀和冲击比直接与波浪接触的波浪能装置小得多，具有更好的抗冲击性和耐腐蚀性。缺点：由于气流需要在一个循环中转动两次，并通过速度为零的两个点，在这种非设计条件下，空气涡轮的转换效率将会很低，装置的能量转换效率通常只有100%。液压能量转换装置要求在波浪能转换过程中，某一环节通过液体传递能量，浮子吸收的波浪能通过液压装置转化为液压能量，最终转化为适用的电能。液压能量转换装置的主要功能是利用液压系统来加速、驱动和调节机械运动。点头鸭式和波筏式

14、波浪能转换装置的中间转换采用液压中间转换。它的一般转换程序是：泵(将机械能转换成液压能)传输管道涡轮或液压马达(将液压能转换成机械能)。机械能转换装置，机械能转换装置要求在波浪能转换过程中，某一环节通过刚体传递能量。能量转换装置通过齿轮和杠杆传递和加速机械能。在早期设计中，结构往往较重，但近年来出现了一些成熟的机械设计技术，如日本提出的大传动比高效率滚珠丝杠。最终转换装置，一般的最终转换是将机械能转换成电能，并且使用具有适当调节机构的常规发电机，但是由于海洋环境中工作条件的较大变化，效率会受到影响。大多数波浪发电设备使用涡轮机、水轮机和永磁直线电机，一些设备使用磁流体发电机。随着技术的不断创新

15、，新的发电设备正在出现，例如使用压电聚合物将波浪能转换成电能。永磁直线电机的原理和结构、永磁直线电机以及永磁电机的发展都与永磁材料的发展密切相关。20世纪60、80年代，稀土钴永磁体和钕铁硼永磁体相继问世。它们具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线等优异的磁性能，特别适合制造电机，这使得永磁电机的发展进入了一个新的历史时期。与传统的电励磁电机相比，永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻等明显优势，尤其是电机的形状和尺寸灵活。用于波浪发电领域时，采用垂直直线往复式永磁振动器作为电机的励磁，可以直接符合波浪起伏运动的特点，简化波浪能的转换过程，功率密度和功率因数高。因此，永磁直线

16、电机是创新传统波浪能发电转换装置的良好选择。永磁直线电机的基本原理和结构传统电机的结构是旋转的。如果发电机被切开并沿直径变平，如下图所示，那么旋转发电机将演变成一个线性发电机，其定子在上面，转子磁极在下面。直线电机的定子部分不运动，磁极部分在外力的推动下直线运动，这也在其定子绕组中产生感应电动势；如果磁极被外力驱动作直线往复运动，在其定子绕组中也会产生感应电动势。扁平单边直线往复式永磁电动机，如果直线电动机中的N极和S极不是由励磁电流而是由永磁体产生的，那么发电机就是直线往复式永磁发电机，正如sho由于振动器做往复运动，定子绕组中会产生感应电动势。发电机从侧面看是一个水平的组织，一边是定子，另一边是带有永久磁极的振动器，所以它被称为扁平单边直线往复式永磁发电机。扁平单边直线往复永磁电机和扁平单边直线往复永磁发电机由于不需要电流激励和电刷，因此具有结构简单、材料利用率高、功率密度高、效率高、体积小的优点。旋转永磁发电机已经应用于许多领域，但直线往复式永磁发电机的研究和应用在我国还很少。扁平双边直线往复永磁电机，为了提高电机体积和材料利用率，可以将单边发电机改为双边发电机，如下图所示。该电机的结构特点是上下两侧为定子，中部为往复式振动器，振动器上的永磁体由非磁性材料隔开，使得N极和S极产生的磁场主要通过两侧的定子铁芯，避免了从振动器本体直接绕