【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）一種漂浮式波浪能液壓發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與水動(dòng)力學(xué)分析-流體機(jī)械及工程

分類號(hào) 密級(jí) 編號(hào) 中國(guó)科學(xué)院研究生院 碩士學(xué)位論文 一種 漂浮式 波浪能液壓發(fā)電 系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與水動(dòng)力學(xué)分析 盛松偉 指導(dǎo)教師 游亞戈 研究員 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所 鄭永紅 研究員 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 碩士 學(xué)科專業(yè)名稱 流 體機(jī)械及工程 論文提交日期 論文答辯日期 培養(yǎng)單位 中國(guó)科學(xué)院 廣州能源研究所 學(xué)位授予單位 中國(guó)科學(xué)院研究生院 答辯委員會(huì)主席 一種 漂浮式 波浪能液壓發(fā)電 系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與水動(dòng)力學(xué)分析 摘要 摘 要 在傳統(tǒng)能源供應(yīng)日趨緊張，地球環(huán)境日益惡化的今天，開發(fā)清潔無(wú)污染的可再生能源是大勢(shì) 所趨。海洋能是眾多可再生能源中的一種，其能量蘊(yùn)藏豐富，形式多種多樣，如潮汐能、波浪能、海流能、溫差能等。海洋波浪能是現(xiàn)今世界各國(guó)海洋能開發(fā)研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)，英國(guó)、挪威、日本、美國(guó)等都在進(jìn)行波浪能發(fā)電裝置的試驗(yàn)與示范工作。 遠(yuǎn)離海岸的航標(biāo)燈、海洋試驗(yàn)設(shè)備、海上標(biāo)記點(diǎn)和小型海洋軍事設(shè)備等需要電力供應(yīng)才能正常的工作，這些設(shè)備雖然所需電量較小，但一般是比較孤立的存在于無(wú)人維護(hù)的海洋中。通過海底電纜從岸邊向 上述設(shè)備 送電或在海洋中建造平臺(tái)按放 燃油 發(fā)電 機(jī) 都是困難且昂貴的。利用海洋自身環(huán)境條件，設(shè)計(jì)一種無(wú)需維護(hù)、成本低廉的 小型波浪能發(fā)電裝置為上述 遠(yuǎn)離海岸且 用電量較少的設(shè)備提供電力是有意義和價(jià)值的。 設(shè)計(jì)和優(yōu)化該海洋能發(fā)電 裝置 是本文 的 重點(diǎn) 工作 。文章 首先 對(duì)已有的漂浮式波浪能發(fā)電 裝置進(jìn)行分析和對(duì)比，初步確定采用液壓系統(tǒng)作為能量轉(zhuǎn)換的主要機(jī)構(gòu) 。 然后從能量轉(zhuǎn) 換的角度分析 實(shí)現(xiàn) 由波浪能到電能 的轉(zhuǎn)換 所需的 環(huán)節(jié)， 再 由能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)推出 實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的 運(yùn)動(dòng) 形式，最后根據(jù) 運(yùn)動(dòng)形式確定執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的具體機(jī)構(gòu)，這樣就從整體上確定了系統(tǒng)的 基本 結(jié)構(gòu)與組成。 系統(tǒng)的 初步設(shè)計(jì)是 原理性的，因此比較 粗糙的，為了最大能力的吸收波浪能，最有效的將波浪能轉(zhuǎn)換 為 電能，對(duì)裝置的 數(shù)學(xué) 建模、水動(dòng)力學(xué)分析和 優(yōu)化 工作 是必要的，文章對(duì) 原理性的 裝置進(jìn)行了簡(jiǎn)化分析，然后建立了數(shù)學(xué)模型，在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)波浪和裝置的相互作用進(jìn)行了水動(dòng)力學(xué)計(jì)算，最后對(duì) 系統(tǒng)的彈簧剛性系數(shù)和外部 阻尼 力 進(jìn)行了最優(yōu)化計(jì)算，得到了最優(yōu) 等效阻 尼 力和系統(tǒng)效率等計(jì)算結(jié)果 。計(jì)算過程中采用 基于簡(jiǎn)單格林函數(shù)的邊界元法來(lái)研究二維浮體的水動(dòng)力學(xué)系數(shù)和波浪力。 本文設(shè)計(jì)的 系泊于海底的波浪能液壓發(fā)電裝置在海洋工程領(lǐng)域 有廣闊的應(yīng)用前景。本文 對(duì) 二維浮體做功系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模 、水動(dòng)力學(xué)分析 和 外 部阻尼 力的等效計(jì)算 等工作為處理類似問題提供了一種可以借鑒 的方法， 計(jì)算和 優(yōu)化結(jié)果 為 實(shí)際設(shè)計(jì)工作 提供了 重要 的 參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞：波浪能；系泊；液壓；發(fā)電 系統(tǒng) ；水動(dòng)力學(xué)計(jì)算 of On of so on as On of is we to is of it as so is in a of in In we a of to of or in of is by we a a of is by of we a s on is to of a on by is in of we a be in as of in to of to 錄 目 錄 第 1章 緒論 引言 傳統(tǒng)能源供應(yīng)緊張 使用傳統(tǒng)能源對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞 發(fā)展可再生能源 國(guó)內(nèi)外波浪能研究現(xiàn)狀 開發(fā)利用波浪能的主要形式 國(guó)外波浪能研究現(xiàn)狀 我國(guó)波浪能研究現(xiàn)狀 本文主要工作 要參考文獻(xiàn) 2章 波浪能 基本知識(shí)和研究方法簡(jiǎn)介 引言 波浪特性 線形波 7 規(guī)則海浪 波浪變換 折射 反射 繞射 波浪能研究方法 要參考文獻(xiàn) 3 章 系統(tǒng)組成、運(yùn)動(dòng)形式和工作原理 引言 系統(tǒng)組成 運(yùn)動(dòng)形式 能量轉(zhuǎn)換過程 4 章 對(duì) 系統(tǒng) 的數(shù)學(xué)建模、水動(dòng)力學(xué)分析和優(yōu)化 引言 問題描述與數(shù)學(xué)模型 理論分析 錄 析方法 波浪激勵(lì)力與水動(dòng)力學(xué)系數(shù)計(jì)算 分析方法驗(yàn)證 優(yōu)化 設(shè)計(jì) 波浪力與水動(dòng)力學(xué)系數(shù) 最佳彈簧與最佳阻尼 等效阻尼力 系統(tǒng) 效率 算例 要參考文獻(xiàn) 5 章 結(jié)論與展望 結(jié)論 展望 謝 士期間發(fā)表 論文 者簡(jiǎn)介 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 言 當(dāng)今世界，能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為制約全球社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的關(guān)鍵。 能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱，是人類賴以生存和發(fā)展不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)，在一定程度上影 響著人類社會(huì)的發(fā)展。人類歷史長(zhǎng)河中每一次能源的開發(fā)和利用都給人類的生活帶來(lái)了重大影響?；鸬陌l(fā)明和使用改變了原始人的飲食習(xí)慣，由生食改為熟食。煤炭的發(fā)展推動(dòng)了工業(yè)革命的進(jìn)程，使以煤為燃料的蒸汽機(jī)的發(fā)明成為工業(yè)革命開始的標(biāo)志。石油的大量開采和利用為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展提供了條件，從而促進(jìn)了交通業(yè)的發(fā)展，作為世界第一大能源的石油以不可思議的力量徹底改變了人類的生活，已成為所有工業(yè)化國(guó)家的經(jīng)濟(jì)生命線。因此，能源已成為世界各國(guó)爭(zhēng)奪的戰(zhàn)略物資?？v觀世界戰(zhàn)爭(zhēng)歷史，在一定意義上就是能源資源的爭(zhēng)奪史 1。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的 增長(zhǎng)，一方面能源需求越來(lái)越大，能源供需矛盾日益突出，以石油、煤炭、天然氣等不可再生能源為主的能源供給體系已制約著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)用能源正面臨著短期內(nèi)枯竭的危險(xiǎn)，能源問題已成為當(dāng)代人類社會(huì)所面臨的 嚴(yán)峻 問題之一。能源既是重要的必不可少的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活的物質(zhì)前提，又是現(xiàn)實(shí)的重要污染來(lái)源，由于燃料的大量使用，對(duì)環(huán)境已造成了嚴(yán)重的危害，掠奪性的開采，不合理使用、亂砍亂伐已造成物種大量消亡、溫室效應(yīng)加劇、地下水枯竭、土地沙漠化日益嚴(yán)重。人類可生存和發(fā)展的空間受到嚴(yán)重威脅。 統(tǒng)能源供應(yīng)緊張 近幾年來(lái)， 世界石油價(jià)格一路上揚(yáng)，由爭(zhēng)奪石油引起的沖突與戰(zhàn)爭(zhēng)頻繁發(fā)生。不可再生的化石能源正在面臨枯竭。但世界各國(guó)對(duì)能源的需求量卻越來(lái)越大。 2003 年中國(guó)的石油消費(fèi)總量已經(jīng)超過日本，位居世界第二位（僅次于美國(guó)）2。從 1993 年到 2002 年的十年間，中國(guó)石油消費(fèi)量年均增長(zhǎng) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同期世界年均增長(zhǎng) 以及 家年均增長(zhǎng) 水平。從 1993年開始，我國(guó)成為石油的凈進(jìn)口國(guó)，在上世紀(jì) 90 年代，我國(guó)每年凈進(jìn)口增長(zhǎng)量不到1000 萬(wàn)噸；而到了 2000 年以后，每年凈進(jìn)口增長(zhǎng)量達(dá)到了大約 2000 萬(wàn)噸。以每年增長(zhǎng) 2000 萬(wàn)噸來(lái)看，國(guó)內(nèi)無(wú)法彌補(bǔ)這個(gè)缺口。因此我國(guó)石油對(duì)外依賴程度提高已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。 2003年，中國(guó)石油進(jìn)口量 9112 萬(wàn)噸，對(duì)外依賴程度達(dá)到 38； 2010年我國(guó)石油對(duì)外依存度將達(dá)到 44%；到 2020 年，石油的對(duì)外依一種 漂浮式 波浪能液壓發(fā)電 系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與水動(dòng)力學(xué)分析 2 存度有可能接近 60%，與目前美國(guó)的水平相當(dāng)。由此可見，我國(guó)對(duì)國(guó)外的能源供應(yīng)問題非常嚴(yán)峻。 用傳統(tǒng)能源對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞 傳統(tǒng)能源的廣泛使用加劇了全球氣候變暖的趨勢(shì)以及對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的破壞 3,4。由溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球氣候變暖正逐步溶化北冰洋的 冰山和雪峰，頻繁發(fā)生在許多國(guó)家的洪水和泥石流等惡性自然災(zāi)害已經(jīng)使人們明白到氣候和生態(tài)的惡化遠(yuǎn)嚴(yán)重于我們對(duì)它的認(rèn)識(shí)。下面以煤為例介紹使用常規(guī)化石能源對(duì)環(huán)境造成的破壞 5。 中國(guó)北方多數(shù)城市都面臨著煤煙型為主的大氣污染的威脅，其主要污染物是總懸浮顆粒物 (二氧化硫 (在一些大城市，空氣中的 5 倍。究其原因，首先，由于煤在能源結(jié)構(gòu)中所占的比例高，這種以煤為主的能源結(jié)構(gòu)帶來(lái)了嚴(yán)重的污染。根據(jù)世界銀行估計(jì)，中國(guó) 1995 年有 17 8 萬(wàn)人由于大氣污染而過早 死亡，工作日損失達(dá) 740 萬(wàn)人年。 1） 酸雨 化石燃料燃燒產(chǎn)生的硫氧化物與氮氧化物在排入大氣后，同其它物質(zhì)形成了硫酸和硝酸類物質(zhì)，并以酸雨、酸雪、酸霧等形式降回地面，統(tǒng)稱為酸沉降。酸雨是中國(guó)大氣污染的另一個(gè)重要方面。根據(jù)國(guó)家環(huán)?？偩职l(fā)布的中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)， 1998年全國(guó)酸雨受害面積已超過國(guó)土面積的 30，全國(guó)降水年均 間，年均 低于 城市占統(tǒng)計(jì)城市數(shù)的 華中酸雨區(qū)的污染有所減輕，華南酸雨區(qū)污染總體格局未變，南方部分沿海城市年均 降低，酸雨頻率上升。 根據(jù)中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院的報(bào)告，酸雨會(huì)使農(nóng)作物減產(chǎn) 5 10。酸雨給中國(guó)的生態(tài)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大損失。 2） 煙霧 煤的燃燒是大氣中細(xì)小顆粒的主要來(lái)源之一。顆粒物同大氣中的其它污染物(如氮氧化物、臭氧以及細(xì)菌，病毒等 )作用所形成的煙霧對(duì)人體健康構(gòu)成極大的威脅。尤其是大氣中的細(xì)顆粒物 (直徑小于 10m)和超細(xì)顆粒物 (直徑小于 人體最為有害，因?yàn)樗鼈兡軡B入到肺部深處。在中國(guó)北方大多數(shù)城市的大氣中，顆粒物的濃度很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)家規(guī)定的空氣環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 3） 氣候變暖 第 1 章 緒論 3 氣候變暖源于某些“溫室氣體” (特別是 在大氣中的濃度的增加，這主要是煤炭等化石燃料燃燒的后果。而且，每生產(chǎn)單位能量，煤炭排放的 最大，溫室氣體濃度的繼續(xù)上升，會(huì)影響到降水的方式與強(qiáng)度、水與食物的供應(yīng)、沿海地區(qū)的發(fā)展、自然系統(tǒng)的生存能力以及人體健康，也可能導(dǎo)致更頻繁更嚴(yán)重的洪澇或干旱。 4） 燃煤污染的代價(jià)嚴(yán)重 煤煙型大氣污染在 人體健康 (尤其是致衰性、慢性支氣管炎 )、勞動(dòng)生產(chǎn)率和農(nóng)業(yè)方面 造成 的損失最大，其代價(jià)是嚴(yán)重的。 根據(jù) 世界銀行估 計(jì) ， 1995 年中國(guó)大氣和水 (主要為太氣 )污染造成的損失約為 540億美元，占當(dāng)年 損失十分巨大，因此，如何確定合理的能源政策與環(huán)境政策，是一項(xiàng)緊迫的任務(wù) 。 展可再生能源 面對(duì)能源的潛在危機(jī)和生態(tài)環(huán)境的不斷惡化， 太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、生物質(zhì)能等清潔無(wú)污染的可再生能源作為化石能源的補(bǔ)充品和替代品正在受到全世界的關(guān)注。許多國(guó)家以立法的形式或在政策上對(duì)可再生能源的研究與開發(fā)提供保障與支持。如 中華人民共和國(guó)可再生能源法已于 2006 年 1 月 1 日起正式施行。這是 中國(guó)政府制定的綜合性的可再生能源戰(zhàn)略，現(xiàn)階段政府在可再生能源開發(fā)利用中起著重要的引導(dǎo)和扶持作用。為可再生能源同常規(guī)能源 的生產(chǎn)和利用搭建一個(gè)公平的競(jìng)爭(zhēng)平臺(tái)，以此引導(dǎo)和激勵(lì)各類經(jīng)濟(jì)主體積極參與各地可再生能源的開發(fā)利用。 新能源研發(fā)領(lǐng)域呈現(xiàn)盎然生機(jī)。本文主要涉及海洋 波浪 能的研究與開發(fā)。 內(nèi)外波浪能研究現(xiàn)狀 浪能利用的 主要 技術(shù) 海洋波浪能作為一種清潔的可再生能源，長(zhǎng)期以來(lái)，世界各國(guó)投入了大量的人力和財(cái)力對(duì)其進(jìn)行研究。在二十世紀(jì)七十年代以前，波浪能利用研究的活動(dòng)主要是波能轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明。八十年代以后，研究進(jìn)入了以實(shí)用化、商品化為目標(biāo)的應(yīng)用示范階段。較早提出的某些影響很大的裝置，如鴨式 6、筏式 7裝置研究進(jìn)展緩慢 ；而振蕩水柱（ 波能系統(tǒng)成為主攻方向。從 1984年以來(lái)建成的大部分裝置都是振蕩水柱式波能裝置，如挪威 500式波能裝置 8，英國(guó)的75式波能裝置 9，英國(guó)的 500式波能裝置 10，葡萄牙 500式波能裝置 11，歐共體的 12，日本 漂浮式波能裝置 13，印一種 漂浮式 波浪能液壓發(fā)電 系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與水動(dòng)力學(xué)分析 4 度 150箱式波能裝置 14，中國(guó) 320式振蕩水柱波力電站 15,16以及10017。 常見的波浪 能轉(zhuǎn)換裝置形式主要有收 縮 坡道式、振蕩水柱式、擺式、漂浮體式及以上述形式 為基礎(chǔ)而改進(jìn)的波能裝置等 18，如下圖 1： 圖 1：幾種常見的波浪能裝換裝置 外波浪能研究現(xiàn)狀 國(guó)外波浪能研究進(jìn)展比較快且建成了比較新穎的大型實(shí)體。下面將近幾年出現(xiàn)的波浪能研究裝置進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。 1） 9， 20 近十多年，固定式 波浪能 轉(zhuǎn)換 裝置 多 采用振蕩水柱技術(shù)。 2000 年 英國(guó)s 在 蘇格蘭 的 成 了 蕩水柱式波浪能電站，如下圖所示。該電站采用固定于岸邊的氣室采集波浪能，通過爆破在氣室前面形成了前港，以增強(qiáng)慣性聚波效應(yīng)；通過 屏將 波浪能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過 發(fā)電機(jī) 將波浪能轉(zhuǎn)換成電能。該電站裝機(jī)容量為 500已 向國(guó)家電網(wǎng)供電。 第 1 章 緒論 5 2） 1,22 蘇格蘭海洋能傳輸公司承建的 種海蛇的名字） 波能裝置，由一系列鉸鏈連接的圓柱形浮體組成。浮體隨波浪的起伏做升 沉運(yùn)動(dòng)，浮體與浮體連接處有拉伸或壓縮的力作用在鉸鏈處的液壓系統(tǒng)上，液壓缸泵壓液壓油，經(jīng)由能量緩沖系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)做功發(fā)電。每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的電能匯集后通過海底電纜送到岸上。 2003 年 12 月，蘇格蘭海洋能傳輸公司工作人員完成了全尺寸 2004 年 4 月 置實(shí)驗(yàn)成功。同年 6 月，美國(guó)波浪能轉(zhuǎn)換領(lǐng)導(dǎo)組評(píng)估該裝置處于世 界領(lǐng)先水平。 該公司現(xiàn)已與葡萄牙一集團(tuán)簽訂了首期生產(chǎn)三套 750KW 浪能發(fā)電裝置的合同。近期就會(huì)下線組裝。 圖 3： 圖 4：全尺寸 3） 3,24 由六個(gè)成員國(guó)參與研究的歐洲合作項(xiàng)目 一種浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，其用圖 2 站 一種 漂浮式 波浪能液壓發(fā)電 系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與水動(dòng)力學(xué)分析 6 一對(duì)弧形反射器聚集波浪，波浪越過斜坡沖到收集平臺(tái)，這些水流匯集后再?zèng)_擊低水頭透平。 全尺寸的裝置體積龐大，其反射器臂長(zhǎng)達(dá) 227 米。 2003 年三月水進(jìn)行組裝實(shí)驗(yàn)，其平臺(tái)重 111 噸，反射器臂重 300 噸。 從 2003年四月開始， 行 了 為期三年的試驗(yàn)。 圖 5： 4） 5,26,27 一家蘇格蘭公司 研制的 一種全沉沒的波力發(fā)電裝置，其主要由兩部分組成，下部浮筒系泊于海底，上部浮體在波浪的作用下上下運(yùn)動(dòng)，兩者分別裝有磁鐵和線圈，可垂直運(yùn)動(dòng)的上端浮筒與系泊于海底的下端浮筒之間將產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生導(dǎo)體切割磁力線的效果，即該相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能。 圖 6： 上工作示意圖 圖 7： 第 1 章 緒論 7 5） 8 制的 一種離岸式波力發(fā)電裝置， 該裝置利用 兩項(xiàng)專利技術(shù)： 體技術(shù)和 術(shù)， 體技術(shù) 是經(jīng)過證實(shí)安全耐用的浮體技術(shù)。 段軟管間有活塞隔開，當(dāng)波浪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，浮體軟管在拉力作用下排擠軟管內(nèi)海水做功。眾多的 連接在一起 ， 錨固在離岸幾公里的波浪能量密集處。 圖 8： 6） 9 美國(guó)海洋能技術(shù)公司開發(fā)的漂浮式波力發(fā)電系統(tǒng) 一種靈活的波浪能 轉(zhuǎn)換裝置。 其 上端浮體隨波上下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)一套類似活塞機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)發(fā)電。發(fā)出的電經(jīng)由海底電纜輸送出去。 該裝置內(nèi)裝有先進(jìn)的控制和監(jiān)視系統(tǒng)，裝置各個(gè)部分的運(yùn)行狀況和海上環(huán)境的變化可 實(shí)時(shí) 向岸邊傳輸，當(dāng)來(lái)波過大時(shí)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)鎖上裝置，使其停止工作；當(dāng)波況恢復(fù)到工作條件 時(shí) 系統(tǒng)自動(dòng)解鎖，裝置恢復(fù)工作。 一種 漂浮式 波浪能液壓發(fā)電 系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與水動(dòng)力學(xué)分析 8 圖 9： 7） 0 丹麥近期研制出的 浪被引入 其腔體內(nèi)的 螺旋槽， 螺旋槽容積逐漸變小， 由此產(chǎn)生的 急速渦 流推動(dòng)透平機(jī) 做功 。 1:5 模 型自 1999 年中期開始已經(jīng)在日德蘭半島進(jìn)行試驗(yàn)。 2001 年 9 月多重丹麥進(jìn)行了測(cè)試， 2002年 9月至 2003年 4月 日本進(jìn)行了測(cè)試。 圖 10： 國(guó)波浪能研究現(xiàn)狀 我國(guó)波力發(fā)電技術(shù)研究始于 780 年代以來(lái)獲得較快 發(fā)展 31，航標(biāo)燈第 1 章 緒論 9 32,33微型波浪發(fā)電裝置已趨商品化，現(xiàn)已生產(chǎn)數(shù)百臺(tái)，在沿海海域航標(biāo)和大型燈船上推廣應(yīng)用。在珠江口大萬(wàn)山島上研建的岸邊固定式波力電站，是我國(guó)第一座波力電站 34,35,36，其裝機(jī)容量 3千瓦， 199O 年已試發(fā)電成功。 “ 八五 ” 科技攻關(guān)項(xiàng)目總裝機(jī)容量 20 千瓦的岸式波力試驗(yàn)電站和 8 千瓦擺式波力試驗(yàn)電站，均試建成功?？傊?，我國(guó)波力發(fā)電雖起步較晚，但發(fā)展很快。微型波力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟，小型岸式波力發(fā)電技術(shù)已進(jìn)入世界先進(jìn)行列。但我國(guó)波浪能開發(fā)的規(guī)模遠(yuǎn)小于挪威和英國(guó)，小型波浪發(fā)電距實(shí)用化尚有一定的距離。 中國(guó) 3 式振蕩水柱波力電站是中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所在珠海市大萬(wàn)山島建成的一座示范波力電站 34,35,36。裝機(jī)容量 3 是中國(guó)第一座試驗(yàn)波力電站。該 電站建于一塊巨大的巖石上，于 1986 年開工建設(shè)，主體混凝土結(jié)構(gòu)完工于 1989 年。 1989 年、 1990 年及 1991 年分別對(duì)其做了三次海上運(yùn)行試驗(yàn)，研究了實(shí)海況下氣室、透平及電機(jī)的性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電站具有很好的實(shí)海況性能。 電站的設(shè)計(jì)波況為 0 1.5 m，平均周期為 6.5 s。設(shè)計(jì)來(lái)波平均功率為 4.4 m。氣室寬 4 m，長(zhǎng) 3 m，與開口寬 6 m，長(zhǎng) 6 平 葉型為 0021，葉片數(shù)為 10。電機(jī)轉(zhuǎn)速為 1500 氣室與 平之間裝有一個(gè)安全 控制蝶閥。在實(shí)海況運(yùn)行試驗(yàn)中，利用廣州能源研究所研制的測(cè)量系統(tǒng)得到電站的各種參數(shù)計(jì)錄，包括水往運(yùn)動(dòng)，氣室壓力， 平的轉(zhuǎn)速及電機(jī)的輸出功率等。波況由位于電站前方 400m 遠(yuǎn)處的國(guó)首座波力電站具有良好的能量轉(zhuǎn)換性能。增大裝機(jī)容量可以獲得更大的平均輸出功率。實(shí)海況試驗(yàn)同時(shí)也反映了電站存在著可靠性和安全性方面的問題。由于氣室頂?shù)狡骄Ｆ矫娴木嚯x太小（約 5m），水柱容易直接打擊透平和電機(jī)，電站缺乏長(zhǎng)期運(yùn)行的能力。這些問題已在新建造的 20力電站中得到改善。中國(guó) 20 式振蕩水柱波力電站是在 3力電站的結(jié)構(gòu)上建造的，廣州能源研究所已于 1996年 2月完成了 20力電站的建造。該電站為“八五”攻關(guān)項(xiàng)目，得到了國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的支持。 20的是展示波浪能的實(shí)際應(yīng)用。出于安全方面的考慮，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有破 浪錐的過渡氣室及氣道，將機(jī)組提高到海面上約 16大減小了海浪對(duì)機(jī)組直接打擊的可能性。發(fā)電裝置為一變速恒頻電機(jī)。發(fā)出的電與柴油發(fā)電機(jī)聯(lián)網(wǎng)。試驗(yàn)的結(jié)果表明， 20 力發(fā)電機(jī)組在 0 1.5 m，平均周期 T=5 6 s 時(shí)的電力平均輸出 為 5 值功率可達(dá) 14.5 能量平一種 漂浮式 波浪能液壓發(fā)電 系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與水動(dòng)力學(xué)分析 10 均俘獲寬度比約在 20 40的范圍，優(yōu)于日本、英國(guó)和挪威的同類電站。 中國(guó) 100 式波力電站 17,37,38是一座 岸式振蕩水柱型波能裝置 ，建于廣東省汕尾市遮浪鎮(zhèn)最東部。 100 式波力電站的研建為科技部“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目。 其工作原理為波浪推動(dòng)氣室內(nèi)水柱的上下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)氣室內(nèi)的空氣做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)沖動(dòng)式空氣葉輪，再驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，從而將波浪能量轉(zhuǎn)換成電能。所有能量轉(zhuǎn)換過程無(wú)需其它能源的輔助，不產(chǎn)生任何污染，不對(duì)海洋生物以及包括人類 在內(nèi)的陸地生物造成任何不良影響。電站包括氣室主體結(jié)構(gòu)、沖動(dòng)式空氣葉輪、電機(jī)。其中氣室為圓錐臺(tái)型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 高 14m；機(jī)為 100步電機(jī)，并網(wǎng)發(fā)電。 項(xiàng)目開始于 1996年 12月，工程結(jié)束于 2001年 2月。 經(jīng)過一年的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在著自身能耗大（ 9發(fā)電系統(tǒng)抗浪能力弱（系統(tǒng)在大于 3 米的浪作用時(shí)跳閘保護(hù)）等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)在小浪時(shí)發(fā) 圖 11：汕尾100式波力電站外觀 電量小于耗電量，在大浪時(shí)超出電機(jī)容量，系統(tǒng)的工作浪況范圍較小 ， 在有義 波高 2002年 對(duì)電站做了第一次技術(shù)改造：在葉輪和電機(jī)之間加了超越離合器、安全耦合器、彈性聯(lián)軸器，目的是降低能耗，降低大浪對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的沖擊。 本次 改造結(jié)果良好，使得系統(tǒng)的自身能耗降低到 5統(tǒng)抗浪能力加強(qiáng)（可以耐受 工作浪況擴(kuò)大到有義波高 之間。 2003年臺(tái)風(fēng)“杜鵑”在汕尾登陸，氣室入口被一塊 2米高、 6米寬的石塊堵住，電網(wǎng)也遭到破壞，電站停止運(yùn)行。結(jié)合“十五” 863 項(xiàng)目， 廣州能源所 于 2004 年對(duì)電站做了第二次 技術(shù)改造，在葉輪和電機(jī)之間加了三個(gè)液壓泵（ 2臺(tái)定排量 125， 1臺(tái)變排量117，額定轉(zhuǎn)速 1000大功率 70以及 10系統(tǒng)改造成無(wú)自身能耗、穩(wěn)定發(fā)電的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)一步將系統(tǒng)的工作浪況擴(kuò)展第 1 章 緒論 11 至有義波高 0米 。 2004年 12月實(shí)海況試驗(yàn)系統(tǒng)平穩(wěn)輸出 6電質(zhì)量達(dá)到城市居民用電水平。 圖 12：汕尾 100式波力電站第一次改造后實(shí)海況發(fā)電紀(jì)錄（時(shí)間 ： 21/2/2003， 均值 11值 80 圖 13：汕尾 100式波力電站第二次改造后實(shí) 海況發(fā)電紀(jì)錄（時(shí)間 :18/3/2005， 均值 值 目前該電站輸出 穩(wěn)定 ，可并網(wǎng)運(yùn)行，也可以獨(dú)立運(yùn)行；結(jié)構(gòu)能抵抗 50 年一遇臺(tái)風(fēng)；正常工作壽命為 15 年。在十一波高 13m，平均周期 57s 時(shí)，平均發(fā)電功率 540 大發(fā)電功率 50 于系統(tǒng)平穩(wěn)輸出，故發(fā)電峰值下降）。 100 蕩水柱 波力電站的研建，使 我國(guó) 大型波能裝置的設(shè)計(jì)、建造 、保護(hù)等各方面能力均有較大程度的提高，推進(jìn)了波能裝置的實(shí)用化進(jìn)程，使 我國(guó)的波能轉(zhuǎn)換研究基本達(dá)到國(guó)際同時(shí)期的先進(jìn)水平。 中國(guó) 100波力電站是一套獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠振蕩浮子來(lái)提取波浪能 。 來(lái)浪時(shí)， 波浪力推浮子沿運(yùn)動(dòng)滑槽向上運(yùn)動(dòng)； 波浪退去時(shí)，浮90 340 390時(shí)間(秒)發(fā)電功率(瓦)0 30 40 50 60 70 80時(shí)間(s)電功率(種 漂浮式 波浪能液壓發(fā)電 系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與水動(dòng)力學(xué)分析 12 子依靠重力沿滑槽下落，并通過牽引錨鏈帶動(dòng)岸上的液壓機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生 不平穩(wěn)的 液壓能 ； 該液壓能經(jīng)過蓄能穩(wěn)壓系統(tǒng)后平穩(wěn)輸出，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，得到平穩(wěn)的 電 能。該振蕩浮子系統(tǒng)與振蕩氣柱式波浪能發(fā)電裝置相比，轉(zhuǎn)換效率有大幅度提高 。該項(xiàng)目 2003 年開始海上土建施工， 2005年下半年進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)備安裝，2006 年四 月項(xiàng)目組完成了對(duì)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)改造， 進(jìn)行了實(shí)海況獨(dú)立發(fā)電實(shí)驗(yàn)， 在無(wú)電網(wǎng)和其他發(fā)電設(shè)備的情況下， 系統(tǒng) 獨(dú) 立運(yùn)行發(fā)電 （見圖 14） ，并 為蓄電池組充電 ，系統(tǒng)控制所需的電力由蓄電池 在很小的浪 況 下平均功率仍可達(dá)到 3實(shí)海況試驗(yàn)表明 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率很高 。 文主要工作 海洋波浪能是一種清潔無(wú)污染的可再生能源，成功且高效率的利用波浪能為船舶導(dǎo)航、為海上科研做定點(diǎn)標(biāo)記和為海上軍事設(shè)施提供電力是當(dāng)前各國(guó)開發(fā)小型波浪能裝置的主要目的。 漂浮式 波浪能發(fā)電系統(tǒng)是離岸開發(fā)海洋波浪能之眾多形式中的一種。由于液壓系統(tǒng) 在同等功率情況下，液壓執(zhí)行元件體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊， 且 液壓傳動(dòng)的各種元件可根據(jù)需要方便、靈活地來(lái)布 置 ?，F(xiàn) 設(shè)計(jì)一種 漂浮式 波浪能液壓發(fā)電 系統(tǒng) ， 主要為用電量較小的離岸海洋設(shè)備提供電力，設(shè)想 該 系統(tǒng) 一旦投放海洋，即可 利用海洋波浪能 做功發(fā)電，且不需要經(jīng)常性的維護(hù)。本文著力于研究這種 漂浮式 波浪能液壓發(fā)電 系統(tǒng) 。并按照以下章節(jié)順序進(jìn)行研究和討論。 在 第二章 中討論了 波浪能基本知識(shí) 和研究方法 。波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)基本知識(shí)圖 14：振蕩浮子式波浪能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電紀(jì)錄 S i t e T e s t G e n e r a t i n g R e c or d 獨(dú)立發(fā)電3：010100020003000400050006000111 21 31 41 51 61 71 81 91101 111 121 131 141 151 161 171 181 191 201 211 221 231 241 251 261 271(s)(W)第 1 章 緒論 13 是研究波浪能轉(zhuǎn)換裝置的基礎(chǔ)，只有對(duì)波浪有較多的認(rèn)識(shí)和了解，才能從分利用波浪特性，提高波浪能裝置提取波浪能的能力，設(shè)計(jì)出最佳的波浪能吸收 系統(tǒng) ，并對(duì)轉(zhuǎn)換出的能量進(jìn)行貯存或輸送。本章分別簡(jiǎn)單的對(duì)波浪的生成、波浪特性、波浪 變換形式 和現(xiàn)代研究波浪能的數(shù)學(xué)方法 進(jìn)行 簡(jiǎn)單 介紹。 第三章 闡述了本波能 系統(tǒng)組成、運(yùn)動(dòng)形式和工作原理 。 本文 所研究的系統(tǒng)最終要實(shí)現(xiàn)的是從波浪能到電能的轉(zhuǎn)換，波浪能是 能量源 ，電能是 最終轉(zhuǎn)換結(jié)果 ，上述轉(zhuǎn)換過程中 有一些中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。不同的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)需要