波浪發(fā)電的結(jié)構(gòu),機理

1、波浪發(fā)電裝置的基本原理1、波浪理論及波浪能1.1波浪理論在海洋工程中，海浪是作用在海洋工程結(jié)構(gòu)上的最主要的外力之一，對丁海浪 作用的研究，目前一般是從兩個領(lǐng)域進行研究：一個領(lǐng)域是對液體的波動從流體 力學的角度加以研究，研究液體內(nèi)部各質(zhì)點的運動狀態(tài)， 這種研究一般包括線性 波浪理論和非線性波浪理論兩大類；另一個領(lǐng)域是將海面波動看作是一個隨機過 程，研究其隨機性，從而揭示海浪內(nèi)部波動能量的分布特性， 從統(tǒng)計意義上對液 體內(nèi)部各質(zhì)點的運動狀態(tài)進行描述， 研究其對工程結(jié)構(gòu)的作用，當然這后一個領(lǐng) 域的研究，也需要應用流體力學理論對處丁理想狀態(tài)下的液體內(nèi)部各質(zhì)點的運動 規(guī)律進行描述。通過對天然海面的觀測可

2、知，海面上各點的水面變化呈現(xiàn)隨時間 和地點而變的一個隨機過程，對丁一個固定點的水面波動來說， 它是由許多從不 同方向以不同波速傳播而來的并且波長和振幅經(jīng)常在變的波浪互相組合彼此影 響而形成的， 它是一個非常復雜的過程。目前尚無一種數(shù)學理論能精確的描述水 波的性能，各種波浪理論只是在一定程度上對實際現(xiàn)象的簡單近似，在實際工程中多應用線性波浪理論作為其理論基礎(chǔ)。線性波浪理論在一般工程實踐中通常采用微幅波理論 （AiryAiry 波理論）1.2波浪能簡介波浪中的波動是海水的重要運動形式之一。從海面到海洋內(nèi)部處處都可能出 現(xiàn)波動。波動的基本特點是，在外力的作用下，水質(zhì)點離開其平衡位置作周期性 或準周期

3、的運動。由丁流體的連續(xù)性，必然帶動其鄰近質(zhì)點，導致其運動狀態(tài)空 間的傳播，因此運動隨時間與空間的周期性變化為波動的主要特征。實際海洋中的波動是一種復雜的現(xiàn)象，嚴格說，他們都不是真正的周期性變化。 但是，作為 最低近似可以把實際的海洋波動看作是簡諧波動 （正弦波）或簡諧波動的疊加。一 個簡諧波動的剖面可用一條正弦曲線加以描述。如圖1.11.1 所示，曲線的最高點稱波峰，曲線的最低點稱為波谷，相鄰兩波峰（或波谷） 之間的水平距離稱為波長（D,相鄰兩波峰（或者波谷）通過某固定點所經(jīng)歷的時間稱為周期。顯然，波 形傳播的速度 C C =%=%。從波峰到波谷之間的垂直距離成為波高（H H）, ,波高的一半

4、 8=H/28=H/2 稱為振幅，是指水質(zhì)點離開其平衡位置的向上（或向下）的最大垂直位移。 波高與波長之比稱為波陡，以 6=6=（/ /）表示。在直角坐標系中取海面為 x x 一 y y 平面，設(shè)波動沿x x 方向傳播，波峰在 y y 方向?qū)⑿纬梢粭l線，該線稱為波峰線，與 波峰垂直指向波浪傳播方向的線稱為波向線。圖 1.11.1 波浪要素由風引起的周期從 130s130s 的波浪所占能量最大。取右手直角坐標系，z z 軸問上為 正，將 x x 一 v v 平面放在海面上，設(shè)波動是二維的，只在 x x 方向上傳播，則波剖面方程 可用下列正弦曲線表示，即=:s i nkx - ct)式中：CtCt

5、 為波動的振幅，匚為波面相對平均水面的垂直位移。顯然它是地點x x與時間 t t 的函數(shù)，并有2二2二k =-，二-=-T分別稱為波數(shù)和頻率。當水深為 h h 時，可證明它們的關(guān)系為：二-=kg tan( kh ) = kg tanh(2 h)稱為頻散關(guān)系。式中 g g 為重力加速度波形向前傳播完全是由水質(zhì)點的運動產(chǎn)生的，水質(zhì)點的運動軌跡為圓，半徑為 aexp(kaexp(kz。) )，軌跡半徑隨深度的增大(zO)(zO)迅速減少。風浪是指當?shù)仫L產(chǎn)生，且一直處在風的作用之下的海面波動狀態(tài)；涌浪則指 海面上由其他海區(qū)傳來的或者當?shù)仫L力迅速減小、平息，或者風向改變后海面上遺留下來的波動。為便丁對風

6、浪成長的討論，引進風時和風區(qū)兩個概念。所謂風 時，系指狀態(tài)相同的風持續(xù)作用在海面上的時間；所謂風區(qū)，是指狀態(tài)相同的風 作用海域的范圍。習慣上把風區(qū)的上沿，沿風吹方向到某一點的距離稱為風區(qū)長 度，簡稱為風區(qū)。風浪的成長還與其他因子有關(guān)，例如海洋水深、地形、岸線形如圖 1.21.2 所示，假定風速一定的風沿 0 x0 x 方向吹，O O 點為風區(qū)上沿,0A0A 為風區(qū)內(nèi)某點 A A 的風區(qū)長度。觀察 A A 點風浪成長以及其他各處風浪成長的過程圖 1.21.2 風浪隨風區(qū)長度的分布波浪在成長過程到達一定尺度后，由丁內(nèi)摩擦等原因所消耗的能量比它攝取 的能量增加得快，當攝取與消耗的能量達到平衡時， 波

7、浪尺寸便不再增大。此時 的風浪稱為充分成長狀態(tài)，達到成長狀態(tài)所對應的風時與風區(qū)， 稱為充分成長的 風時與風區(qū)。圖 1.31.3 為風速 15m/s,15m/s,波浪成長與風時、風區(qū)的關(guān)系。圖 1.31.3 波浪成長與風時、風區(qū)的關(guān)系涌浪在傳播過程中的顯著特點是波高逐漸降低，波長、周期逐漸變大，從而 波速變快。一方面由丁內(nèi)摩擦作用使其能量不斷消耗所致，另一方面是由丁在傳播過程中發(fā)生彌散和角散所致。實際的海浪可視為是由許多不同波長、不同周期和振幅的分波組成的。當波浪傳至淺水及近岸時，由丁水深及地形、岸形的變化，無論其波高、波長、波速及傳播方向等都會產(chǎn)生一系列的變化。 諸如波向的折射、波高增大而能量

8、集 中，波形卷倒、破碎和反射、繞射等。2、國內(nèi)外波能轉(zhuǎn)換裝置原理及轉(zhuǎn)化技術(shù)2.1波浪能開發(fā)原理波浪能利用的早期想法產(chǎn)生丁人們對波浪運動的觀察。這種觀察告訴人們， 波浪是往復運動的，因此，設(shè)計波浪能裝置也應該是往復運動的， 讓波浪在波能 裝置運動的過程中做正功，才能將波浪能有效地轉(zhuǎn)換成有用的能量。 根據(jù)這種想 法，人們構(gòu)思了許多波浪能裝置，圖 2.12.1 是波浪能裝置的原理示意。這些裝置的 工作原理具有如下共同點。圖 2.12.1 波浪能裝置工作原理圖(1)(1)具有一個在波浪中運動的物體 1 1。(2)(2)具有一個與物體 1 1 相對運動的物體 2 2。(3)(3)具有一個能量轉(zhuǎn)換器，將物

9、體 1 1 與物體 2 2 之間相對運動的機械能轉(zhuǎn)換成所而 的能量。2.2波浪能裝置的分類及優(yōu)缺點波浪能裝置的結(jié)構(gòu)形式、 工作原理是多種多樣的。 每一種波浪能裝置都有其優(yōu) 缺點。設(shè)計者應根據(jù)實際情況的需要設(shè)計合理的波浪能裝置。因而，對波浪能裝置作適當?shù)膭澐郑f明每一種波浪能裝置適宜丁體積波況及固定模式，對設(shè)計者有很好的參考價值。(1)(1)按固定方式劃分從固定方式劃分，波浪能裝置可以分成固定式(floating)(floating)的和漂浮式(fixed)(fixed)。固定式裝置主要結(jié)構(gòu)被固定，不隨波浪而運動。漂浮式波浪能裝置則漂浮在水面 上，隨波浪運動而運動。裝置一般通過錨或重塊與海底連接

10、，如圖 2.22.2 所示。 固定式還可以根據(jù)投放地點劃分成岸式(on(on ShoreShore 或者 ShorelineShoreline 河離岸式(off(off 一 shoreshore岸式波浪能裝置固定丁岸邊(見圖 2.3(a),2.3(a),其優(yōu)點是便丁管理、維護及 進一步研究，便丁電力輸送，當選址及裝置設(shè)計得當?shù)?，其效率一般較高：缺點是岸邊的波浪能能流密度往往偏小離岸式波浪能裝置固定在海底(見圖 2.3(b),2.3(b),其優(yōu)點是周圍的波浪能流較大， 但有一部分繞射到裝置背后。缺點是轉(zhuǎn)換效率較低、管理、輸電成本較大及不利 丁研究。固定式波浪能裝置的建造成本受其周邊環(huán)境因素 (如

11、水深、地質(zhì)、坡度、距岸 距離等)的影響很大。漂浮式的波浪能裝置通?？梢栽诖瑥S建造、下水，然而安放到合適的地方。因此，漂浮式比固定式建造難度小。其缺點是其效率一般沒有固定式波浪能裝置 局，遇到大浪，其結(jié)構(gòu)、錨泊系統(tǒng)及輸電線往往容易被破壞， 其成本與電力輸送 的距離以及對結(jié)構(gòu)、錨泊系統(tǒng)的要求有關(guān)。圖 2.32.3 波浪能裝置縱剖視圖(2)(2)按能量傳遞方式劃分按能量傳遞方式劃分，可以分成氣動式(pneumatic(pneumatic 卜液壓式(hydraulic)(hydraulic)和機 械式(mechanical)(mechanical)的波浪能裝置。氣動式波浪能裝置的某一個環(huán)節(jié)通過氣體傳遞

12、能量。例如圖 2.4(a)2.4(a)、圖 2.4(b)2.4(b) 所示的振蕩水柱式波浪能裝置就是通過空氣，將波浪的能量傳給空氣透平(圖中的能量轉(zhuǎn)換器)。11顯圖 2.52.5 波浪能裝置圖 2.42.4 波浪能裝置縱剖視圖液壓式波浪能裝置的某一個環(huán)節(jié)通過液體傳遞能量。例如圖 2.32.3、圖 2.4(a)2.4(a)所 示的浮子吸收波浪能之后通過液壓裝置將能量轉(zhuǎn)換成液壓能。常見的液壓式波浪能裝置有浮子式(圖 2.5(a)2.5(a)、點頭鴨式(圖 2.6)2.6)及擺式圖2.6點頭鴨式波浪能裝置按裝置的能量提取方式劃分按裝置的能量提取方式劃分，可以分成能量直接轉(zhuǎn)換和能量間接轉(zhuǎn)換兩大 類，依

13、固定方式的不同和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)乂可分成圖2.72.7 所示的 1111 種。(4)(4) 按波浪能裝置對波浪能能流影響的結(jié)果劃分按波浪能裝置對波浪能能流影響的結(jié)果劃分，可以分成截止型(terminated)B(terminated)B消耗型(attenuate(attenuate 的波浪能裝置。截止型的波浪能裝置將波浪能擋在其迎浪的一 側(cè)，使其背浪的一側(cè)兒乎無波浪能。消耗型的波浪能裝置則僅吸收一部分人射波 的能量，背浪一側(cè)仍有繞射的波浪。按吸取波浪能的結(jié)構(gòu)形式來劃分從吸取波浪能的結(jié)構(gòu)形式來劃分，可以分成振蕩水柱式(oscillating(oscillating waterwatercolumn,co

14、lumn,?？s寫為 OWC)OWC)、浮子式(huoy)(huoy)、擺式(pendulum(pendulum)點頭鴨式(noddingduek)(noddingduek)、筏式(raft)(raft)、蚌式(lam)(lam)、聚波水車式(taped(taped channelchannel ?？s寫為 TAPCHAN)TAPCHAN)等。圖 2.82.8 垂蕩驅(qū)動的棘輪一繩輪波能發(fā)電系統(tǒng)圖 2.72.7 波浪能裝置示意圖2.3波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)(1)(1) “點頭鴨”式波浪能轉(zhuǎn)換裝置SalterSalter 在他 19741974 年的論文中介紹了一種獨特的波能轉(zhuǎn)換方法， 使二維正弦波的轉(zhuǎn)換效率

15、可接近 90%90%左右，如圖 2.72.7 中所示。由于該裝置的形狀和運行特性 酷似鴨的運動，因而稱其為“點頭鴨”。人射波的運動使得動壓力可有效地推動鴨身繞軸線旋轉(zhuǎn)。另外，除動壓力外，流體靜壓力的改變也使接近鴨嘴的浮體部 分做上升和下沉往復運動。由丁這兩種壓力所產(chǎn)生的運動是同相位的，在波浪運動的一個周期內(nèi)，點頭鴨將動能和位能兩者同時通過液壓裝置轉(zhuǎn)化出去然后再由 液力或電力系統(tǒng)把動能轉(zhuǎn)換為電能。在設(shè)計點頭鴨波能轉(zhuǎn)換裝置時，注意到如果把點頭鴨質(zhì)量重心的位置做成可 調(diào)的，那么就可使其固有周期與波浪周期相匹配，從而最大程度地利用波浪能。 MynetMynett t等對二維正弦波中運行的點頭鴨裝置特性

16、作了分析，研究結(jié)果表明，在 理想運行條件下，點頭鴨效率接近 90%90%。SerfnanSerfnan 等對 MyrlettMyrlett 的研究作了發(fā)展， 對不規(guī)則波作用下的點頭鴨性能進行了研究， 研究結(jié)果表明，在不規(guī)則波作用下， 系統(tǒng)效率要低許多。SalterSalter 點頭鴨雖然是一種有效的波能轉(zhuǎn)換裝置，但它的嚴重 不足在丁:裝置可靠性差，在惡劣的海洋環(huán)境下，裝置極易損壞所以SalterSalter 點頭鴨沒有得到廣泛推廣。(2)(2) 振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置振蕩浮子式裝置是在振蕩水柱式裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的波能發(fā)電裝置，它用一個放在港中的浮子作為波浪能的吸收載體，然后將浮子吸收的能量

17、通過一個放 在岸L L 的機械或液壓裝置轉(zhuǎn)換出去，用來驅(qū)動電機發(fā)電。它由浮子、連桿、液 壓傳動機構(gòu)、發(fā)電機和保護裝置等幾部分組成。 振蕩浮子式波能裝置從工作原理 上看，與圖 2.2.7 7中的相類似，都是利用浮體的相對運動來發(fā)電。圖 2.82.8 垂蕩驅(qū)動的棘輪一繩輪波能發(fā)電系統(tǒng)圖 2.92.9垂蕩驅(qū)動的齒條一鏈輪波能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(3)(3) 我國波浪能轉(zhuǎn)換裝置我國政府從“八五”到“十五”持續(xù)支持海洋波浪能研究?！鞍宋濉逼陂g科技部投人 200200 萬元支持 3 3 個科技攻關(guān)項目，研建 ZOkWZOkW 岸式振蕩水柱波能裝置、 5 5 腳漂浮式振蕩水柱波能裝置和 skwskw 擺式波能裝置各一座

18、，其中 ZOkwZOkw 岸式振蕩 水柱波能裝置可以與柴油發(fā)電機并聯(lián)發(fā)電；“九五，期間共投人 603603 萬元，支持 2 2 個科技攻關(guān)項目，研建 IO0kwIO0kw 岸式振蕩水柱裝置、3OkW3OkW 擺式裝置各一座，其 中 IO0kwIO0kw 岸式振蕩水柱裝置發(fā)電并入電網(wǎng)，3OkW3OkW 擺式裝置與風能裝置并聯(lián)發(fā) 電，為島上居民供電：“十五”期間共投入經(jīng)費 435435 萬元，由中國科學院廣州能 源研究所研制一座波浪能獨立發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個振蕩水柱裝置和一個振蕩 浮子裝置俘獲波浪能，通過具有能量緩沖器的液壓系統(tǒng)， 波浪能被轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的 液壓能。20052005 年 1 1 月，研究人員在振蕩水柱裝置對波浪能獨立發(fā)電系統(tǒng)作了實 海況試驗，成功地實現(xiàn)了把不穩(wěn)定的波浪能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能，其發(fā)電頻率可控制在(50(50 士 2%)Hz,2%)Hz,電壓控制在 370370 一 39Ov39Ov 之間。關(guān)于波浪能轉(zhuǎn)換的設(shè)想極多，其裝置千變?nèi)f化,但通常具有兩個部分： 第一部分為采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的作用是俘獲波浪能：第二部分為轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系