波浪能資源整理背景

1、精品文檔 歡迎下載 。所有背景整理：1.1.1 能源發(fā)展趨勢全球的不可再生能源是有限的如: 石油、煤炭、天然氣等。據(jù)統(tǒng)計，隨著不可再生能源 （ 傳統(tǒng)能源） 被人類不斷地消耗，不可再生能源的開發(fā)已經(jīng)屈指可數(shù)。按照目前全人類對能源的消耗速率和增長速度計算: 全球的煤炭儲量只能夠使用約200 年 ; 全球的石油儲量只能夠使用約45 年 ; 全球的天然氣儲量只能夠使用約50 年 1-3 。 傳統(tǒng)能源使用過程中伴隨著污染與開發(fā)費用越來越高的問題，人們不得不開始重視可再生能源的開發(fā)和利用?？稍偕茉粗傅氖窃谧匀唤缰心軌虿粩嘣偕?，并有規(guī)律的得到補充或者能夠重復利用的能源，如 : 風能，太陽能，水能，地熱能，

2、海洋能等 al 。 目前這些可再生能源的利用率僅占世界能源利用的3%Csl,遠遠低于人類對傳統(tǒng)能源的利用率，這其中就屬海洋能的利用率最低。海洋中蘊藏著很多種可再生的能源，主要有波浪能、潮汐能、溫差能以及鹽差能等。這些能量統(tǒng)稱為海洋能，其中又以波浪能為最主要形式。根據(jù)聯(lián)合國教科文組織在1981 年出版的海洋能開發(fā)估計，全世界的海洋能理論上功率約為7. 66 x 1010kW 。即使只能開發(fā)出其中一小部分，也可以解決當下能源緊缺的問題。雖然全球具有如此巨大的海洋能源，由于各種條件的限制并不是全部都能夠為人類所開發(fā)利用。表 1. 1 中為世界范圍內(nèi)海洋各種能源的理論估算值、技術可利用值、實際可開發(fā)利

3、用功率值。由表1. 1 表明，雖然波浪能的理論儲存值是最少的，但是其實際可開發(fā)量卻是最多的，其可開發(fā)利用率高達10%，故波浪能發(fā)電裝置的研究就是一項緊迫和必須的任務。其中對于波浪能源，國際能源組織（ 工 EA） 1994 公布的報告預測8: 波浪能如果能夠充分開發(fā)，最終可提供目前全球電力需要的10%左右，估計為2 x 109-3 x 10KW從我國海洋能源資源來看，海洋能資源非常豐富，而且開發(fā)利用的前景廣闊。如果將我國的海洋能資源完全變?yōu)槟軌蚶玫碾娔埽辽倏蛇_1. 5 x lOBkW ，相當于我國目前電力總裝機容量的兩倍多10j 。我國具有豐富的海洋能，其中波浪能量對比情況（ 見圖 1. 2

4、 ，波浪能僅占其10. 5% ，雖然占有率很低，但是僅僅只要開發(fā)其百分之一，其數(shù)量也是相當可觀的。像我國這樣，能源需求量的很大國家對于開發(fā)新能源的需求是很緊迫的。在這樣的情況下，大力開發(fā)和利用波浪能，尤其是在我國能源消耗比較嚴重，經(jīng)濟發(fā)展高速的東部沿海地區(qū)。此地區(qū)與海洋相接，蘊藏著巨大地海洋能源，對于緩解我國能源消耗，支撐社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。綜上所述，世界波浪能資源分布和我國波浪能資源分布，表明可開發(fā)和利用波浪能具有很大潛力。我國波浪能資源各省分布表明，福建沿海，海岸線曲折，突出的半島、山甲角眾多，沿岸島嶼連綿不斷，其為基巖海岸，波浪較大，因此福建省沿岸也是波浪能資源蘊藏豐富、波浪

5、能密度高的海域。故福建近海域是開發(fā)利用優(yōu)越場所之一，所以本文研究波浪能發(fā)電裝置的振蕩浮子是針對廈門海域。1.2.4 振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置是一種典型的波浪能發(fā)電裝置。它是在振蕩水柱式空氣透平式波能發(fā)電裝置的基礎上發(fā)展起來的。該裝置的工作原理圖如圖1. 5 所示，第一級能量采集，在波浪中運動的浮子進行對波浪能量的采集，完成波浪能到機械能的轉化; 第二級能量傳遞，通過中間系統(tǒng)把浮子采集一轉化（ 波浪能一機械能） 后的能量傳遞到發(fā)電系統(tǒng);第三級能量發(fā)電，把傳遞過來的機械能轉化為電能，供用戶使用。振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置在歐洲被稱為第三代裝置。因為第一級能量采集裝置一浮子是以

6、與波浪直接接觸的方式來采集波浪能，因此裝置的第一級能量的轉換效率較之前的波能發(fā)電裝置的效率要高。故其整個裝置的轉換效率也較之前裝置的轉換效率有所提高。例如 : 一般的波浪能發(fā)電裝置（ 振蕩水柱式波能轉換裝置） 的轉換效率在10%-30%，振蕩浮子式轉換裝置轉換效率能達到46%以上2 ，22。2007 年華南理工大學，勾艷芬、葉家瑋等人對陣列振蕩浮子式波能轉換試驗裝置做了實驗研究。此裝置采用球型浮子捕獲波浪能，在對浮子實施相位控制后系統(tǒng)總效率將達到 40%左右。2008 年華南理工大學，勾艷芬、葉家瑋等人對振蕩浮子式簡易波能轉換裝置進行了模型試驗，此試驗模型直接將浮子俘獲的機械能轉換成電能，與一

7、般振蕩浮子式波能發(fā)電裝置相比少了中間能量傳遞系統(tǒng)，能夠減少能量損失，提高波浪能利用率。2012年中國海洋大學，高人杰等人在規(guī)則波下對四種簡單浮子形狀進行了模擬，獲得了一種捕獲波浪能最多浮子形狀。綜上所述，國內(nèi)外對于振蕩浮子式發(fā)電裝置雖然有較為全面的研究，但是對較多結構形式的振蕩浮子的水動力學以及捕獲波浪能效率更為詳細的對比研究分析并不是太多?；诖?，本文對多種不同結構形式的浮子進行更為深入的水動力學以及捕獲波浪能的效率進行研究，并對其進行詳細的對比性分析，進而選擇最佳的浮子結構形式。二波浪能以其儲量大、無污染、可重復開發(fā)利用的優(yōu)點，成為國內(nèi)外海洋能開發(fā)利用研究的熱點。深入研究開發(fā)適合我國特定海

8、域的波浪能轉換裝置，對解決我國部分區(qū)域的用電問題具有重要意義。單浮子式波浪能發(fā)電裝置是基于海洋結構物垂蕩運動設計而成，具有結構簡單、適應性強、轉換效率較高、可靠度好等優(yōu)點。本文以浮子式波能發(fā)電裝置的工程應用研究為背景，采用模型試驗與數(shù)值模擬相結合的方法對整個波能發(fā)電系統(tǒng)進行研究。隨著經(jīng)濟的飛躍發(fā)展和人類社會的不斷進步，全球對能源需求的增加和石化能源的逐漸枯竭之間的矛盾越來越突出，尤其是二十世紀七十年代出現(xiàn)的能源危機，使各國意識到能源問題將是抑制國民經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的重要因素。為了解決能源問題在社會發(fā)展中的瓶頸問題，尋求可以循環(huán)利用的可再生資源已經(jīng)成為整個人類尋求發(fā)展的共識。而海洋覆蓋全球面積

9、的70%，且海洋中蘊涵著巨大的能量，使之成為各國的關注焦點和研究熱門。眾所周知，海洋是世界上最大的風能吸收器，它通過各種各樣的物理過程吸收、轉化、存儲和散發(fā)能量，通常這些能量以波浪能、潮汐能、溫差能、鹽度梯度能等形式存儲于海洋之中。海洋能以其存量大、可再生、無污染等優(yōu)點成為近十幾年國內(nèi)外研究開發(fā)的首選。挪威Fugro OCEANOR A經(jīng)司在2008年3月份公布了全球年度波浪能源密度分布圖U 如下所示?，F(xiàn)存的波能發(fā)電裝置大多效率低、使用范圍較窄，只能為海島和海上設施進行供電或者為航標燈、海上浮標進行供電，很難得到推廣。其中岸式波浪能裝置以其獨特的優(yōu)點成為佼佼者，如中國的大萬山波能發(fā)電站和汕尾波

10、能發(fā)電站都獲得了較好的發(fā)電效果。鑒于波浪能發(fā)電關鍵技術的不成熟和發(fā)電成本難以與常規(guī)能源相媲美，可以預測隨著某些關鍵技術的逐步解決，波浪能將必定改變世界能源結構，成為人類賴以生存和值得依賴的新能源，因此各國研究機構都在投入大量的人力、物力進行研究，本課題就是依托國家海洋局“海洋可再生能源專項資金支持項目惡劣海況下自保護式高效穩(wěn)定波浪發(fā)電裝置”開展而來。波浪發(fā)電裝置雖然種類繁多，但其工作原理不外乎以下幾種: 主要有利用物體或浮體在波浪作用下的振蕩和搖擺運動做功; 利用波浪壓力的變化驅動機械結構產(chǎn)生相對運動; 利用波浪的沿斜坡的爬升將波浪動能轉換成水流的勢能進而推動水輪機的運轉等等?？v覽國內(nèi)外波浪能

11、發(fā)電裝置，按照離岸的距離遠近可以分為: 岸基式波能發(fā)電裝置、近岸式波能發(fā)電裝置和海上波能發(fā)電裝置; 按照固定方式可分為: 錨泊固定式、樁基安裝式和漂浮浮體式; 按照波能轉換方式可以分為: 液壓式、 空氣式、 壓電式和直線電機式; 按照波能吸收方式裝置可以分為:振蕩水柱式、振蕩浮子式、越浪式和收縮波道式等。經(jīng)過二十世紀七十年代的實驗室模型試驗和八十年代的模范示范工程演示，波浪能發(fā)電裝置正在逐步走向規(guī)模化和商品化，下面將介紹幾種典型的波浪能發(fā)電裝置并作出對比分析。Power Buoy點吸收式波力發(fā)電站 6由美國的 Ocean Power Technology(OPT)公司研制而成，該裝置由上端布置

12、一圓盤狀的浮筒、一個淹沒在海水中的圓柱浮體和一個風筒組成。圓柱體的兩端分別與圓盤狀浮體、風筒相連接，設計風筒的作用是為了增加裝置的慣性。通過機械動力系統(tǒng)將兩結構之間的相對升降運動動能轉化為電能。組裝完工后和海底安裝效果如圖1.4 所示。振蕩浮子式波能轉換裝置(Float Type Wave Generation System) 是由日本人設計的一種簡易的漂浮式波能吸收裝置。該裝置由一個漂浮體和平衡體通過滑輪固定于置于水面之上組成。其優(yōu)點是可以吸收不同方向的入射波。試驗結果表明，對于周期為23秒，波高為0.15 米左右的波浪，吸收的波能隨著波浪入射角增大而減小，但該研究的理論計算和試驗分析均做了

13、理想化假設，與實際海況差距較大。Hadano & Taneura對上述裝置做了進一步研究，提出了計算該裝置波能吸收的動力學計算公式，與試驗結果的對比較為符合。三目前， 世界各國對能源的需求不斷增加，而能源儲量卻日益減少，同時大量化石能源的使用又引發(fā)了嚴重的環(huán)境污染問題，這些問題己經(jīng)成為阻礙人類社會向前發(fā)展的重大障礙。為有效地解決上述問題，需要增加開發(fā)可再生能源的力度。波浪能作為一種清潔、無污染能源，它具有能量品質(zhì)好、能流密度大、成本低廉、分布廣泛等優(yōu)點?，F(xiàn)今，許多沿海國家都在積極開發(fā)波浪能，并結合當?shù)貙嶋H情況、基于不同理念，設計了大量形式、功能各異的波浪發(fā)電裝置。波浪屬于一種隨機波，其空間分布

14、復雜、傳播速度慢、且存在往復運動，大多數(shù)波浪發(fā)電裝置的轉換效率通常較低，為提高波浪發(fā)電裝置的轉換效率，裝置的結構設計往往過于復雜，這又容易出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定、系統(tǒng)故障率升高等的問題，而且也大大增加了裝置的建造成本。批量制造波浪能發(fā)電裝置是降低成本最有力的手段，然而這一切必須建立在裝置的低成本和高效率基礎之上?？傊?，若要實現(xiàn)波浪能發(fā)電裝置的產(chǎn)業(yè)化就必須在提高波浪能轉換效率的同時盡量簡化裝置的結構，從而達到降低發(fā)電成本的目的。(2) 點吸收技術點吸收技術(Point Absorber) 或稱為振蕩浮子式波浪能發(fā)電技術5 ，早期由歐美及日本等國研發(fā)，日本最先制作出了樣機，隨后美國進行了改進并投入使用。我

15、國學者也曾設計過一種點吸收式波浪發(fā)電裝置，中科院廣州能源所依照設計方案成功制作出了實驗樣機，并對其進行了大量的實驗分析。振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置依靠浮子隨波浪的上下浮動吸收波浪能，由于單個浮子較小，通常 將若干浮子按一定順序布置， 以增加吸收的波能量， 浮子通過繩索直接與直線發(fā)電機相連，直線電機動子隨浮子上下運動，同時驅動發(fā)電機發(fā)電 G 。 振蕩浮子式發(fā)電裝置同效率不高、水下施工異常困難的振蕩水柱發(fā)電裝置相比，它的優(yōu)點在于其最大轉換效率可達40.7% ，而且還可以減少水下施工，使建造費用大大降低 f8l ，它在最近幾十年發(fā)展尤為迅速，美國、英國、加拿大、荷蘭均先后建造出成型的發(fā)電裝置并投入使用f

16、l ，我國在該項技術上也擁有許多專利。四能源是人類社會發(fā)展的重要基礎資源，沒有能源就沒有人類文明。隨著人類社會的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)及生活對能源的需求迅速增長，世界能源需求量持續(xù)增大。目前世界主要能源是石油、化石燃料，天然氣、煤等化石燃料，這些燃料都是經(jīng)過長期的地質(zhì)年代形成的，被稱為是不可再生的?？碧奖砻?，地球上的化石燃料已日趨枯竭。根據(jù)BP能源統(tǒng)計2006)的數(shù)據(jù)，氣和煤炭則可分別可以供應以目前開采速度計算，全球石油儲量可供生產(chǎn)40 年，世界天然65 年和 162 年?，F(xiàn)在世界常規(guī)油氣資源發(fā)現(xiàn)的高峰期已過，在2010 年后可能出現(xiàn)供不應求局面。 雖然經(jīng)過20 世紀 70 年代兩次石油危機以后，西方國家

17、越來越注重對替代能源的尋找，使得能源危機問題有所緩解，但是目前世界上主要供能方式仍是化石燃料?；剂峡傆幸惶鞎缓谋M，人類不能不未雨綢繆。近年來，由于我國經(jīng)濟增長速度較快，能源需求增長強勁，能源缺口越來越大，我國常規(guī)能源供給的制約愈益嚴重。據(jù)專家估算，我國2010 年能源消費總量將為23 億噸標準煤，2020 年能源消費總量約為40 億噸標準煤f21 。我國石油天然氣資源不足，陸地、海洋油氣田地質(zhì)結構復雜，開采困難，從 1995 年起已經(jīng)成為石油天然氣的凈進口國。2008 年我國原油進口達1.79 億噸。預計2015 年原油進口將進一步升至 2.78 億噸，依存度達到59%。當今國際形勢千變

18、萬化，一味依靠進口原油來滿足國內(nèi)的能源需求將使我國經(jīng)濟發(fā)展受到極大制約。因此， 從國家經(jīng)濟與社會發(fā)展的角度看，尋找可再生能源替代化石燃料，是函需解決的關鍵問題。海洋能源是海洋中所蘊藏的可再生的自然能源，主要表現(xiàn)為潮汐能、海流能、波浪能、海水溫差能和海水鹽差能等。究其原因，除潮汐能及潮流能是由月球與太陽引潮力的作用產(chǎn)生以外，其他均產(chǎn)生于太陽輻射。潮汐能及潮流能: 在月亮和太陽等天體引力作用下產(chǎn)生的地球表面海水周期性的漲落潮運動，一般統(tǒng)稱潮汐。潮汐能的能量與潮水量和潮差成正比，或者說與潮差的平方和蓄水面積成正比; 潮流能的能量于流速的平方和流量成正比，或者說與流速的立方成正比。波浪能 : 波浪是海

19、洋表層海水在風力的作用下產(chǎn)生的波動，波浪中所儲存的能量稱為波浪能。其能量和波高的平方和波動水面的面積成正比。海流能 : 海流是海洋中由于海水溫度、鹽度的分布不均而形成的密度和壓力梯度，或海面上風的作用等原因產(chǎn)生的海水定向流動。海流中所儲存的動能，稱為海流能。其能量和流速的平方和流量成正比，或者說與流速的立方成正比。波浪能的定義及特點波浪能是一種在風的作用下產(chǎn)生的，并以位能和動能的形式周期型儲存的機械能。一般來說，太陽給予波浪能量的比率大概是0.01 到 0.1 Wlm2 ，對于太陽能平均350 Wlm2的輸出來說只是很小的一部分，但是波浪在長距離傳輸過程中不斷吸收大氣能量，能夠 TOC o 1

20、-5 h z 達到 100 W/m2 以上。據(jù)眾多學者研究估算，全世界海洋波浪能可利用的功率約為1X10121 X 1013 Wo 根據(jù)國際能源組織(IEA) 1994 公布的報告預測: 波浪能如果充分開發(fā)，最終可提供目前全球電力需要的10%左右60通常用波浪能量、波能功率、波能密度和波能功率密度等特征量來代表波浪能。波浪能量: 波浪運動攜帶的能量，包括波動中水質(zhì)點的動能極其因離開平衡位置而具有的勢能，記為E,單位：Jo與其他的海洋能資源相比，波浪能具有如下優(yōu)點X101.、由于波浪的特性，可以通過共振、折射、反射、隨時間積集及收縮聚合等方法 TOC o 1-5 h z 實現(xiàn)能量的密集;、波浪能

21、以機械能形式出現(xiàn)，是海洋能源中品質(zhì)較好的能源;、波浪能是海洋中分布最廣的可再生能源，適用于邊遠海域的島嶼、國防、海洋開發(fā)等活動;、波能轉換裝置結構比較簡單，建造和維護方便，便于進行群體化、密集型開發(fā)。一、開發(fā)海洋波浪能是可持續(xù)發(fā)展的需要我國正處于大量消耗資源的工業(yè)化中期階段，隨著工業(yè)化和城市化的進程不斷加快，特別是重化工業(yè)和運輸業(yè)的快速發(fā)展，能源需求大幅上升。近年來，我國已成為世界第一大煤炭生產(chǎn)國、第二大能源生產(chǎn)與消費國、第二大石油消費國，及DECD：外最大的石油進口國。2008 年，中國能源消費總量為28.5 億噸標準煤，其中煤炭消費量達27.4 億噸，原油消費量為3.6 億噸，天然氣消費量

22、807 億平方米。2008 年中國原煤產(chǎn)量為 27.93 億噸，原油產(chǎn)量為1.9 億噸，天然氣產(chǎn)量為760.8 億平方米。在上述化石燃料中，煤炭資源雖最為豐富，也即將面臨供需不足的問題，石油的依存度更是將近50%，在未來還將不斷增長，由于石油對外依賴性持續(xù)升高，能源安全己成為不可忽視的問題。為了建設節(jié)約型社會，保證社會的可持續(xù)發(fā)展，有必要將能源建立在更穩(wěn)定的基礎上，調(diào)整能源結構，需找替代的可再生能源，節(jié)省化石燃料。我國波浪能相當豐富，蘊藏在需要大量能源的沿海地區(qū)，是具有巨大開發(fā)潛力的可再生能源。實行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需要開發(fā)海洋波浪能。二、開發(fā)海洋波浪能是環(huán)境保護的需要我國環(huán)境壓力日益增大?；?/p>

23、源的消耗（ 特別是煤炭的使用） 產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和煙塵的排放，是造成大氣環(huán)境污染的主要來源。大氣中二氧化碳含量升高將加劇溫室效應，使大氣溫度升高，兩級冰蓋融化，冰海低地和海洋中的珊瑚島礁難免滅頂之災。溫度升高還引起氣候異常，水旱災頻發(fā)。2003 年，我國極地科考隊發(fā)現(xiàn)南北極冰的融化加劇，珠穆朗瑪峰登山隊發(fā)現(xiàn)冰川后退。我國華中、華南和歐洲發(fā)生歷史上從未有過的長時期酷熱和干旱。2008 年，我國南方出現(xiàn)罕見的雨雪、冰凍天氣，具有范圍廣、強度大、持續(xù)久等特點，造成了嚴重的災害。我國82%的城市、國土30%的面積出現(xiàn)過酸雨，使樹木、農(nóng)作物、牧草死亡，37%的城市顆粒物超過國家限制值。

24、這些數(shù)字不能不予以重視。我國在減少二氧化碳排放方面受到較大的國際壓力。雖然我國人均二氧化碳排放量低，接近世界水平，但仍是排放大國，總排放量居發(fā)展中國家之首。開發(fā)波浪能源不進行燃燒，不排放三廢，基本上也不會破壞生態(tài)環(huán)境，因此，開發(fā)海洋波浪能是環(huán)境保護的需要。三、開發(fā)海洋波浪能是沿海城市與海島經(jīng)濟發(fā)展的需要我國海岸線（包括島嶼）長32000km,其中大陸海岸線長18000km。一方面沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，雖僅占全國面積的14%，卻聚集了全國人口的40%，國內(nèi)生產(chǎn)總值占全國60%以上，沿海地區(qū)缺乏常規(guī)能源資源，需要從遙遠的中西部地區(qū)運輸煤炭、石油、天然氣，或建遠距離電網(wǎng)，西電東送，若能從海洋取得一部分能

25、源，則可以節(jié)約相當大的運輸能力和電能消耗；另一方面我國有大小島嶼6500多個，面積80000km2,人口 3000余萬。大多數(shù)較小島嶼尚未解決供電問題，如從附近大陸鋪設海底電纜輸電則投資巨大，每千米達數(shù)百萬元。無電則海島無法開發(fā)，島上居民無從脫貧致富，生活質(zhì)量也無法提高。如果在海島附近建立獨立波能發(fā)電站，可緩解海島經(jīng)濟不能發(fā)展的問題?？傮w而言，充分發(fā)揮海洋波浪能的作用，可逐步改善以煤炭為主的能源結構和電力供應結構，使我國能源、經(jīng)濟與環(huán)境的發(fā)展相互協(xié)調(diào)。同時，開發(fā)利用波力發(fā)電除能增加和改善能源供應外，還對解決沿海地區(qū)和海島農(nóng)村的用電用能問題、改善我國沿海農(nóng)村及城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活用能條件、實現(xiàn)農(nóng)村電氣化

26、目標起到重要的填補作用。Wavebob43 WaveBob波能發(fā)電裝置 是由 WaveBo吩司研發(fā)的，如圖 1-7所示。這種裝置是一種軸對稱自適應的單點吸收裝置，它在不改變浮體設計方案的情況下，用一個特有的系統(tǒng)改變裝置的共振頻率，從而實現(xiàn)與入射波特性的最佳匹配（ 慣性聚波） 。此外，數(shù)字控制的能量輸出允許裝置動態(tài)地改變阻尼，這樣可以進一步適時地匹配系統(tǒng)。IPS 浮子 IPS 浮子是由瑞典IPS 公司根據(jù)Norm S. A. aa 發(fā)明的雙體點吸收裝置而開發(fā)的一種波能轉換裝置，如圖 1-8 所示。此裝置包括一個豎直沉降的浮子與淹沒在水中且兩端開口的豎管。浮子與豎管相互連接，同時連接著水錘泵的活塞

27、在豎管里，并可沿著軸線上下運動。其工作的基本原理是: 利用波浪推動浮子與豎管上下運動，由于活AquaBuOY裝置AquaBuOYg置是基于IPS浮子的理念發(fā)展而來，同時使用一對軟管泵來形成高壓水流驅動沖擊式水輪機轉動as ，圖 1-9 是裝置的工作原理。AquaBuOY勺樣機已于2007年在太平洋的俄勒岡州附近海域進行了試驗。五我國海域面積廣闊，相關海洋能資源領域研究處于起步階段，進一步開發(fā)利用海洋能資源對目前提倡的節(jié)種，它分布廣泛、能能環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展型社會具有重要意義。海洋波浪能屬于海洋能的一流密度大，具有很大的發(fā)展空間。傳統(tǒng)的化石能源使現(xiàn)代機械工業(yè)得以大規(guī)模發(fā)展，使人類從農(nóng)耕社會進入了繁榮

28、的工業(yè)社會，它為整個工業(yè)文明提供了源源不斷的動力，是近代人類發(fā)展不可或缺的組成部分。截至目前化石能源仍是人類社會消耗的最主要能源，全球消耗的能源中化石能源占比高達80%以上， 與此同時化石能源屬于耗竭性能源，是地球演化過程中數(shù)百萬年生成的產(chǎn)物，而它們現(xiàn)在的消耗速度遠遠超過生成速度。一方面，伴隨著科技發(fā)展，人類社會能源需求量也口益加大， 按照這種速度，不久的將來化石能源將逐漸消耗殆盡，這是人類發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)。另一方面，化石能源的使用總是伴隨著溫室氣體的排放和一些環(huán)境污染問題的產(chǎn)生，這些危害到整個人類的生存環(huán)境，不符合社會健康長久發(fā)展的基本要求。極積尋找傳統(tǒng)化石能源的替代品，開發(fā)利用新型清潔可

29、再生能源、減少環(huán)境污染已成為世界各國的共識。地球上海洋面積達到3.61億km2,占地球總表面積的71%廣闊的海洋是蘊藏著豐富的資源，這些資源既包括海洋礦物能源也包括以潮汐、波浪、溫差、鹽差、海流等形式出現(xiàn)的“海洋能”。 海水受到風力和陽光等的作用，造成不同區(qū)域溫度、鹽度的不同，受月球等的引力作用產(chǎn)生區(qū)域海面的起伏，這些差異導致海洋中各種各樣的能量，海洋能量清潔并且可以再生。開發(fā)和利用這些清潔可再生能源對未來人類的發(fā)展具有重要的意義，也是人類維持自身生存發(fā)展、拓展生存空間的最切實可行的途徑之一。21 世紀以來，眾多國家已針對各種海洋資源展開競爭，海洋科技強國已成為諸海洋國家的新目標。我國處在社會

30、主義發(fā)展階段，科學技術相對滯后于發(fā)達國家。通過不斷的開拓進取，中國在各個科技領域實力已不斷加強，取得了長遠的進步，但改革開放后我國偏重于工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟增長、忽略了環(huán)境治理和保護。伴隨這種粗放型工業(yè)發(fā)展路線的是大量的自然資源浪費和包括霧霆、全球氣溫升高、地下水污染等嚴重的環(huán)境問題，針對這些函需解決的問題，我國政府加大力度倡導節(jié)能減排和環(huán)境友好型社會的發(fā)展形態(tài)，并著重支持對新型清潔可再生能源的開發(fā)利用，確立了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略路線。我國海域廣闊、海島眾多，擁有490 萬平方公里的海域面積海域和6000 余個海島，這些地區(qū)蘊含的豐富海洋能資源將是一筆寶貴的財富，合理的加以開發(fā)利用是解決我國能源及環(huán)境問

31、題的有效途徑之一。海洋能利用技術一般是指將海洋能轉化為人們生產(chǎn)生活可以使用的電能的技術，通過各種裝置將海洋中以動能、位能、熱能、化學能等形式出現(xiàn)的能量轉化為電能。世界各國海洋能利用技術目前多處于發(fā)展的初始階段，所以海洋能屬于有待開發(fā)的新領域，據(jù)調(diào)查，這些巨量的海洋能資源中潮汐能利用技術已趨于成熟，需要進一步商業(yè)化、規(guī)?；校ɡ四芾眉夹g還處于試驗階段，有待更深的研究探索，溫差、鹽差能等利用技術處于原理海洋波浪能是一種動能形態(tài)的海洋能，它與其他海洋能相比具有分布廣泛、能流密度大的特點。據(jù)調(diào)查，全球波浪能的總儲量約為25億k皿開發(fā)前景巨大。如圖 1.1所示，為全球波浪能能流密度區(qū)域分布圖，圖中可

32、以看出世界上波浪能密度較大的區(qū)域集中于印度洋和太平洋的南部、大西洋北部，太平洋北部等地區(qū)。一般波浪能流密度達到2kW/m時被認為可以加以利用，圖中可知全球大部分海洋區(qū)域的屬于可利用的范圍5點吸收式波浪能發(fā)電裝置也稱為振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置，原理是通過海面漂浮的振蕩浮子來吸收海洋波浪的能量，并通過一定的轉換方式來將這些能量轉化為電能，點吸收式波浪能發(fā)電技術采集波浪能的效率較高，制造也相對容易，成本也較低，適合波浪能能流密度較低的國家，上一節(jié)中提及我國波浪能量密度普遍偏小，所以點吸收式波浪能發(fā)電裝置適合在我國進行研究和推廣。由于點吸收式波浪能發(fā)電技術具有轉換效率高、結構尺寸可變性大的優(yōu)勢，目前相

33、關裝置目前理論研究和設計研發(fā)發(fā)展很快，研究主要集中于裝置的波浪水動力性能分析、裝置控制策略如相位控制、反饋調(diào)節(jié)控制等，通過改變設計參數(shù)優(yōu)化裝置發(fā)電效率、提高裝置安全性能，應用新型壓電材料的發(fā)電也已成為重要方向，本文主要涉及裝置的水動力學分析，所以側重介紹這方面的研究狀況。近年來，點吸收式波浪能發(fā)電技術發(fā)展較快，有很多點吸收式波浪能發(fā)電裝置已進行模型樣機的水槽實驗，部分已投入實海況試驗和小規(guī)模運行。如圖1.6 所示為英國AWSOcean Energy 公司研發(fā)Archimedes Wave Swing 裝置在 2010 年于蘇格蘭附近海域建立的試驗實物和原理示意圖，它的原理是通過圓柱形浮筒，浮筒

34、由于波浪的作用而起伏運動時，浮筒內(nèi)通過纜繩錨系直線電機的機芯部分并不隨浮筒一起運動，從而通過直線電機的機芯往復運動發(fā)電。圖 1.6 英國 Archimedes Wave Swing 裝置實物與示意圖我國波浪能利用技術具有起步晚、發(fā)展速度快、開發(fā)規(guī)模較小的特點，相關圖 1.7 為中國科學院廣州能源研究所研制的點吸收式直線發(fā)電試驗裝置2011 年底在廣州大萬山島海域運行時的情況及其原理示意圖，它的裝機容量是1 OKW/波浪作用下，與水下阻尼板固定連接的直線電機動子和與振蕩浮子固定連接的直線電機定子產(chǎn)生相對運動而發(fā)電。(1 振蕩浮子在波浪中的運動特性決定了振蕩浮子的波浪能轉換效率，振蕩浮子所受的波浪

35、力、振蕩浮子的運動響應特點與波浪參數(shù)及自身物理參數(shù)的關系，是點吸收式波浪能發(fā)電裝置重要的研究課題，早期的點吸收式波浪能發(fā)電技術只是涉及的是專利申請和理論研究，裝置樣機在實際海洋環(huán)境中運行的較少。目前，越來越多的裝置的樣機和實物已投入實際海況中運行，通過實海況研究裝置的結構性能、發(fā)電效率、安全性等問題。由于涉及到復雜的海洋波浪和結構物間的作用，所以通過理論和仿真設計裝置結構和分析裝置性能，并在此基礎上進行試驗測試，這種理論計算結合模型試驗和實海況測試的研究方法已經(jīng)成為一種趨勢。裝置發(fā)出電能的穩(wěn)定性，是波浪能發(fā)電能夠并網(wǎng)利用的條件，海洋波浪的特點是不規(guī)則，通過工程技術讓裝置發(fā)電趨于規(guī)則和穩(wěn)定，也是

36、研究的重要方向。只有向大規(guī)?；c綜合化發(fā)展，波浪能利用技術才能實現(xiàn)更好的商業(yè)化利用。上世紀大多數(shù)波浪能發(fā)電裝置功率為千瓦級以內(nèi)，多為小規(guī)模單一裝置的獨立發(fā)電，現(xiàn)在波浪能資源豐富的地區(qū)波浪能發(fā)電裝置可以達到百萬瓦級，并且發(fā)展為綜合幾種采集波浪能原理的裝置或者太陽能、風能的裝置，未來將會有更多相關裝置的規(guī)模化并網(wǎng)利用24裝置在極端天氣環(huán)境下的可靠性，包括裝置的避險機制、結構強度等，現(xiàn)有海洋工程結構物建造技術的應用，與已有工程技術的結合，使裝置從設想向實際試驗與應用的重綜上所述，國內(nèi)外通過研究海洋波浪能的特點，已提出了多種不同的波浪能發(fā)電裝置，這些裝置機械結構和原理各異，轉換效率高低不一，大部分處于

37、理論或者初步設計階段。由于海洋波浪能利用技術較新，針對相關裝置的優(yōu)化設計還比較少，進行相關研究工作對裝置的優(yōu)化設計具有指導意義。在點吸收式波浪能發(fā)電技術方面: 以往多采用單振蕩浮子采集波浪能的方式，或者多個點吸收式裝置在二次轉換以后再進行電力調(diào)配和并網(wǎng)，對多點陣列的點吸收式波浪能發(fā)電裝置的研究較少，相關振蕩浮子陣列中振蕩浮子間運動的相互影響也較少。六海洋能是儲藏于海水中的可再生能源，它所含資源豐富，具備大規(guī)模開采的資源條件和技術潛力，能夠為將來社會和經(jīng)濟的發(fā)展供應充足的資源。(1) 能源危機日益嚴峻目前，全球能源需求持續(xù)增加，傳統(tǒng)能源日益枯竭，同時大量化石能源的使用又引發(fā)了嚴重的環(huán)境污染和氣候

38、問題，這些已成為全球普遍關注的焦點。據(jù)美國能源信息署(EIA)預測m,世界能源需求量 2020年將達到128.89億噸油當量，2025年將達到136.50 億噸油當量，能源需求年均增長 1.2%左右。KBP世界能源統(tǒng)計2006的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明f21 以目前的開采速度，全球石油、天然氣和煤炭儲量分別可以供應40 年、 65 年和 162 年。因化石能源使用而引發(fā)的氣候異常現(xiàn)象和酸雨等環(huán)境問題也呈逐年增多之勢。為有效地解決上述問題，大力開發(fā)可再生能源勢在必行，也是人類社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要條件。如今，我國已成為全球第二大能源生產(chǎn)及消費國，但我國人均能源擁有量仍處于較低水平，例如，煤炭、水利資源約為

39、世界人均擁有量平均水平的一半，而天然氣、石油資源僅約占世界人均擁有量平均水平的1/15 4 。同時，我國還面臨著能源資源分布不均、能源結構不合理、能源技術裝備水平低等諸多問題。可再生能源正在成為我國優(yōu)先發(fā)展的能源方向，它在增加能源供應、減少環(huán)境污染、改善能源結構、確保能源安全等方面具有重要作用。2006 年 1 月 1 日，我國頒布實施了可再生能源法，制定了鼓勵可再生七資源短缺和環(huán)境污染是人類長期面臨的兩大難題，目前世界各國紛紛加大對可再生能源的投入，并出臺相應政策予以支持。由表 1-1 可以看出，世界三大能源: 石油、煤炭、天然氣可開采時間最長也只有119 年，而我國的情況更為嚴峻一一均不足

40、40 年，表中儲量產(chǎn)出比 ( 可開采年限) 以 2009 年開采速度計算。雖然三大能源已探明儲量逐年增加，但據(jù) International Energy Outlook 2010) 預測，未來30 年三大能源的開采速度和消費速度也逐年增加，且探明儲量增速遠不及開采速度的增加。各機構統(tǒng)計依據(jù)不同及信息不對稱， 造成各單位的統(tǒng)計結果不完全相同，但總體趨勢相同，探明儲量及可開采年限相差不多。1.2.4 波浪能 波浪能是指波浪所具有的動能和勢能。所有可再生能源中，波浪能的能量密度最高且易于采集，因此得到了世界各國的重視。世界波浪能密度較高的地區(qū)為大洋東岸，如，太平洋東岸的美洲，大西洋東岸的北歐，印度洋

41、東岸的澳洲西部等，這些地區(qū)波能密度均較大最大可達 loo 千瓦 / 米。波浪發(fā)電技術先進的國家也大多聚集在這些地區(qū)，如，挪威、西班牙、英國、 葡萄牙、美國等。雖然日本島海域波能密度較小，但其對波浪發(fā)電的研究具有較高的水平。 波浪能隨季節(jié)變化很大，冬季波浪能比夏季高出近六倍，圖 1-6 中標注的數(shù)值為波浪能密度年平均值。據(jù)估計，全球波浪能的儲量可達到2530 億千瓦，而我國沿岸波浪能資源理論平均功率約為 1300 萬千瓦，但分布很不均勻，臺灣省沿岸最多達429 萬千瓦，其次是浙江、廣東、福建和山東沿岸，在160205 萬千瓦之間，其它地方則很少。我國擁有大小島嶼5500 多個，這些島嶼的供電問題

42、大都難以解決。如果能將波浪發(fā)電推向實用階段，將在很大程度上解決島嶼供電問題。隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展、人口的激增、社會的進步，能源危機和環(huán)境污染成為當今社會最重要的兩個發(fā)展問題，這也促進了海洋能的研究和發(fā)展。海洋能是指海洋中所蘊藏的可再生的自然能源，包括波浪能、潮汐能、海流能、溫差能和鹽差能等。其中，波浪能由于開發(fā)過程中對環(huán)境影響最小且以機械能的形式存在，是品位最高的海洋能之一。據(jù)估算波浪能全世界波浪能的理論值約為109kW量級，是現(xiàn)在世界發(fā)電量的數(shù)百倍，因此，有著廣闊的商用前景。中國擁有473萬平方公里的海洋國土、綿延 1.8萬km的海岸線，可以說有著富饒的海洋能 資源。據(jù)現(xiàn)有觀測資料統(tǒng)計，全國沿

43、岸波浪能資源平均理論功率大約為1000余萬kW其中臺灣省沿岸最多，為 429萬kW/占全國總量的1 /3;其次是浙江、廣東、福建和山東等沿岸 較多，在161萬一 20_5萬kW間，合計為706萬kW 占全國總量的_5 _5 070;其他省市沿 岸則較少，在14.4萬一 _56.3萬kW之間3。全國沿岸波浪能流密度分布，以浙江中部、 臺灣、福建省海壇島以北、渤海海峽為最高，達 5.11人-7.73 kW/m;其次是西沙、廣東東部、 浙江北部和南部，達 3.63 -4.05 kW/m; 再次為福建南部和山東半島南岸，達 2.2_5人-2.82 kW/m4,可見我國可將極為豐富的波浪能作為一種儲量巨

44、大的清潔可再生能源。鑒于波浪能利用在成本和技術方面都難以和常規(guī)能源相競爭，波浪能轉換裝置在當前還難以得到廣泛推廣和應用。但在常規(guī)能源缺乏的海島和海上設施的能源供應上，波浪能就顯示了其特有的優(yōu)越性和生命力2 。如今能源缺乏己嚴重制約我國諸多島嶼的經(jīng)濟發(fā)展和國防建設，因此，波浪能的廣泛應用對這些地區(qū)的資源開發(fā)有重要的現(xiàn)實意義。綜上所述，隨著海洋開發(fā)不斷向縱深發(fā)展，波浪能可為將來的海上工程作業(yè)提供便利的電能，解決離岸離島的用電問題。2011 年，中國超越日本成為世界第二大經(jīng)濟體，對能源需求進一步增大。作為不可再生資源的化石燃料己經(jīng)難以滿足我們對能源的進一步需求，且化石燃料在大規(guī)模使用的同時不僅會加重

45、環(huán)境污染，也會加速全球變暖。由 此可見，人類勢必會增強對波浪能等可再生清潔能源的需求量，從長遠來看，波浪能的 利用具潛力巨大，加快波浪能的研究和開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。隨著波浪能利用中某 些關鍵技術的逐步解決，波浪能必將在能源結構中占據(jù)重要位置。因此，波浪能具有非 常好的開發(fā)前景和意義，如果開發(fā)得當，將成為一種可以提供人類生活生產(chǎn)需要的綠色 能源。此外，我國的波浪能資源豐富，天然條件得天獨厚，使我國研究波浪能發(fā)電技術具有重要的意義，既可緩解能源危機的壓力，也具有現(xiàn)實的經(jīng)濟效益和長遠的戰(zhàn)略意義。這種用 船作載體的浮子式波能轉換裝置是海浪發(fā)電中的一種新型結構形式，與常見的幾種發(fā)電裝置相比，具有眾多

46、的優(yōu)點，具體的如表1.4 所示 :八能量消耗水平是衡量社會進步與公共福利最直接的方法之一。據(jù)估計，2040 年的能量消耗水平會比目前高出30%左右。到 2040年，電能消耗將占到全球能量消耗總水平的40%以上 ?？紤]到傳統(tǒng)能源的有限性和不可再生性，未來人們對于能量的需求僅僅依靠傳統(tǒng)能源將難以得到滿足。因此，尋求高效可靠的新能源成為解決人們能源需求的一個重要的途徑。在過去三十年，人們投入大量的精力來研究太陽能和風能，很大地促進了這些新能源的發(fā)展。但是除了太陽能和風能，還有一種具有很大潛在可利用能量的新型能源，即波浪能，己經(jīng)吸引越來越多的研究人員投入其中，以尋求一種有效安全的波浪能利用方式。根據(jù)

47、International Energy Agency-Ocean Energy Systems 在 2006 年發(fā)行的能源政策報告估計f2l ,理論上波浪能能源利用總量為8000-80000TWh/year（1TW=1O12W 然而，面對如此大的可利用的潛在能量，由于技術上不成熟和利用成本比較高，波浪能目前的利用效率偏低。因此，設計高效安全的波浪能發(fā)電裝置成為提高波浪能利用效率的關鍵環(huán)節(jié)。1.2.1 波浪能資源的優(yōu)勢波浪能資源的儲量巨大，而且比其他新能源如風能和太陽能更可靠。波浪能的能量密度為2-3kW/m2,而風能和太陽能的能量密度分別為0.4-0.6kW/m2和0.1-0.2kW/m2

48、。另外波浪能還具有以下的優(yōu)勢:. 相比與風能或者太陽能，波浪能夠在能量損失較小的情況下傳播較遠的距離，例如從大西洋的西岸起源的風暴傳播到東岸，其能量損失很小3,4. 波浪能發(fā)電裝置可以利用波浪時歷90%的比例（ 風能和太陽能只能利用20-300/ 的時間 ）4,5. 波浪能可預測的能量儲量遠遠大于風能4,6. 波浪能的分布特點使得能源產(chǎn)地與客戶需求能夠更好的聯(lián)系起來。因為世界上37%的人口居住在距離海岸 90km以內(nèi)的范圍0. 波浪能是一種分布很廣泛的能源，其利用范圍可以從海岸邊到深海區(qū)域，例如 Mutriku OWCplants 坐落在海岸旁邊的放浪堤上;Wave Hubg測試地址在離海岸1_Skm的地方。到目前為止， 還沒有在深海布置的波浪能發(fā)電裝置，但是己經(jīng)有幾種正在研究的裝置是針對離岸區(qū)域的，如 Wave Dragon9, Pelamislo 和 OEBuoy川等。波浪能的利用對于環(huán)境的干擾較小，另外波浪能發(fā)電裝置還可以在海港或者易被海水沖刷的地方用做防浪堤3,4,62.3 波浪能資源的分布情況對于波浪能技術的發(fā)展和波浪能發(fā)電場場址的選擇而言，我們有必要了解相應的海況以及波浪能資源的分布狀況。在這方面己經(jīng)有很多文章來研究世界范圍內(nèi)波浪能資源的分布情況13 一 17 。從這些研究中，我們可以