波浪能利用技术及其前景

Time (s)
系统不稳定问题
无储能环节，输出不稳定 Ps =7~10 Pa
30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 -5000 -10000 -15000 760
Output
Ps
Power (W)
Average Output
Pc Pa
765
Time (s)
770
775
用于导航标船的100 W 振荡水柱装置
用于导航浮标的10 W 振荡水柱装置
振荡水柱研究（kW级）
1
照片(1)：3 kW， (2)：5 kW， (3)：20 kW， (4)：100 kW
2
3
4
振荡水柱研究
• 实海况试验显示，虽然技术在不断进步，但振荡 水柱装置效率仍然偏低。问题出在其气动式的动 力摄取系统，在一般浪况下，其效率仅20%~30%； 在小浪时，其效率更是低于10%。
筏体
二级转换 ~60%
筏式装置
波浪
一级转换 ~20%
液压泵、马达
三级转换 60~90%
发电机
波能转换技术(筏式)
McCabe Wave Pump，仅纵摇，英国Cork大学和 女王大学
波能转换技术(筏式)
Pelamis（海蛇），750 kW，纵摇和艏摇， 苏格兰Ocean Power Deliver Company
• 在海底抛锚 • 抗14级台风 • 不受潮位影响
装置的建造、投放、运行
鸭体与水下附体
鸭体与轴组装
鸭体与水下附体组装
组装完毕的鸭式装置
起吊下水
运行 －41－
摆式研究（国家海洋技术中心）
• 八五期间：8kW悬挂摆装置 • 九五期间：30kW悬挂摆装置（科技攻关项 目） • 十一五期间：100kW浮力摆装置（科技支
一级转换60二级转换020三级转换090owcowc波浪能气流能量叶轮机械能电能英国wavegen公司limpet500kw沿岸固定2个wells叶轮2个发电机葡萄牙pico岛沿岸固定wells叶轮400kw澳大利亚energetec公司离岸固定500kw可变浆距叶轮15尺度装机容量50kw全尺度装置14mw寿命50年raft筏式装置波浪液压泵马达发电机一级转换20二级转换60三级转换6090mccabewavepump仅纵摇英国cork大学和女王大学苏格兰oceanpowerdelivercompanytapchan波浪动能水势能电能收缩波道高位水库低水头水轮机一级转换岸式40漂式30二级转换70世界首座收缩波道装置沿岸固定挪威1985350kw首座漂浮式收缩波道装置丹麦wavedragon1
失速
Stall
系统自耗问题
不平稳的高速旋转，导致自耗过大，达到13kW， 在小浪时输出负功率
the record of Mar. 18, 2001
10000 5000
0 300 -5000 350 400 450 500
原因 • 透平空气动力 损耗 • 机械损耗 • 电控用电
Power (W)
-10000 -15000
波浪能技术的分类
俘获 技术 现有技 术分类 位置 振荡水柱 (OWC) 筏式 (Raft) 收缩波道式 (Tapchan) 点吸收 (Point Absorber) 鸭式 (Duck) 正摆式 (Pendulum) 反摆式 (Frog, Oyster)… 岸式 (Onshore) 离岸式 (Offshore) 固定式 (Fixed) 漂浮式 (Floating)
波浪能技术及其前景
游亚戈 研究员
中国科学院广州能源研究所 2010年11月24日
内容
• 波浪能的生成及特性 • 波浪能利用技术分类 • 国外波浪能利用技术 • 国内波浪能利用技术
• 对波浪能利用的看法
波浪能的生成、储量
环境问题
• 波浪能的主要成因是风的扰动。而风来自于太阳导致的热不平衡。 所以波浪能归根结底来自于太阳。 • 海洋占地球表面的70%，是最大的风能吸收器。 • 波浪能在海洋中传递的效率极高。在深海中，几乎不损耗。大部 分波浪能损耗在海岸。 • 经过日积月累，海洋中的波浪能在风不断提供能量和海岸不断消 耗能量过程中达到平衡。 ——波浪能储量巨大。全球29500TWh/年。中国1000TWh/年。 ——大量利用波浪能会改变波浪能分布，降低海岸的能量消耗， 不会明显降低波浪能储量。 ——降低海岸破坏。减少了泥沙搬运量。
固定 方式
波能转换技术(OWC，振荡水柱)
OWC
波浪能 一级转换 ~60% 气流能量 二级转换 0~20%
叶轮机械能 三级转换 0~90%
电能
波能转换技术(振荡水柱)
英国Wavegen 公司 LIMPET 500kW 沿岸固定 2个Wells叶轮 2个发电机
波能转换技术(振荡水柱)
葡萄牙Pico岛 沿岸固定 Wells叶轮
日 期 ： 20060428, 平 均 功 率 4.6kW, 最 大 功 率 4.9kW，最小功率4.4kW
高效漂浮式波浪能装置研究
目的：
• 降低成本：漂浮式装置研发成本昂贵，但造价低 固定式装置造价约15万/平均kW 漂浮式装置造价约3-5万/平均kW • 环保：不破坏海岸、海底，一投即用。 • 可批量生产，易于走向标准化，技术易于走向成熟。

我国波浪能技术发展思路
• 波浪能能流密度较高且分布广泛，在现阶段发电成本 较高，主要利用方式是独立发电，为孤立岛屿、钻井 平台、海上设施提供电力；在达到商业运行阶段后可 以并网发电。
• 在降低成本方面，批量建造和投放是最有力的手段， 而这一切必须建立在单个的低成本建造、技术可靠和 高效率上。 低造价、高可靠、高效仍是目前技术研发的重点
实海况发电试验结果
Output Electricity (kW) 电功率(kW)
5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 10 20 30 40 50 Time (s) 时间(s) 60 70 80 小功率实海况试验电功率输出 Performance of oscillating buoy WEC in small wave
波浪能的特性
波浪的特性：
• 往复运动：纵荡、升沉、纵摇
• 低速：在大波下最大速度~0.8 m/s • 力量大：瞬间功率~100kW/m，则瞬间受力~120吨/m • 不稳定：平均功率约为峰值功率的1/10~1/7 技术难度：
• 将低速往复运动转换成高速单向机械运动
• 波浪时大时小：非定常，效率低下 • 环境恶劣：台风导致破坏，腐蚀导致机械问题
780
波浪能功率实测数据
~1.5MJ
岸式振荡浮子研究
因此，从2002年开始，我们决定开发更高效的动力摄 取系统，提高总转换效率和输出稳定性。到2006年， 建成了一个具有液压式动力摄取系统的50 kW岸式振荡 浮子波能装置。实海 况实验显示，其动力 摄取系统的效率约 60%，装置总效率约 50%。
振荡浮子装置的概念图
• • • • 波能俘获：振荡浮子 能量转换：液压泵+液压马达 能量处理：相变蓄能稳压系统 能量消耗：发电机、海水淡化装置
Chain Rock Wave Wall Buoy Buoy in Shadow
Pump
Energy Buffer
Generator
Desalination
振荡水柱的效率
波浪
>60%
振荡水柱
0~20%
透平
0~90%
发电机
平均总效率~10%
透平效率低的原因
空气透平的效率
负效率
效率
失速
Efficiency
0.4 0.3 0.2 0.1 0 2 -0.1 Attack angle (degree) 气流攻角 4 6 8 10 12 14 16 18 20
悬挂摆(Pendulum)
液压泵 摆板 沉箱
波浪能
~50%
摆板机械能
~80%
液压能
入射波
~75%
电能
浮力摆（Inverse Pendulum）
蛙 (Frog)
WRASPA 牡蛎(Oyster)
中国的波浪能研究进程
振荡水柱研究（kW以下级）
• 中国的波浪能研究开始于1980。 到 2001年，开发了一系列振荡水柱 (OWC)波能装置，装机容量分别为10 W、60 W、100 W。现在，大约700 台10 W振荡水柱装置用于为导航浮标 供电，其它振荡水柱装置处于实验阶 段。
波能转换技术(Tapchan，收缩波道)
收缩波道
波浪动能
一级转换 岸式~40% 漂式~30%
水势能
高位水库
二级转换 ~70%
电能
低水头水轮机
波能转换技术(收缩波道)
世界首座收 缩波道装置 沿岸固定
挪威
1985
350kW
波能转换技术(收缩波道)
首座漂浮式收缩 波道装置 丹麦 Wave Dragon
1:4.5实型 样机
20kW
WAVE DRAGON 超低水头水轮机（最小0.3米）
波能转换技术(漂浮式点吸收)
波浪
~50%
Source: Oregon State University
浮子
~60%
液压系统
~70%
~60%
发电机
波能转换技术(漂浮式点吸收)
PowerBuoy™，美国，
Ocean Power Technologies
透平效率低的原因
空气透平模拟计算： 不规则波，1000转/分
kW
150 125 100 75 50 25 2 4 6 8
Power of air flow
气流功率52.5kW
Output of Wells turbine
透平功率4kW Minus output in small waves 小波下的负效率
思路：漂浮式+鸭式技术
• 鸭式技术是世界上效率最高的波浪能技术。目前存在的 问题是施工和加工困难。只要解决施工和加工难的问题， 可以大幅降低发电成本。
国外的离岸固定 鸭式装置示意图
采用张紧的锚链固定 我国的漂浮式鸭 式装置示意图
漂浮式鸭式装置的独特之处
• 与现有鸭式装置比
• 在海底锚碇后张紧 • 抗浪能力弱 • 受潮位影响
400kW
波能转换技术(振荡水柱)
澳大利亚Energetec公司，离岸固定 500kW，可变浆距叶轮
波能转换技术(振荡水柱)
英国Sperboy • 离岸、漂浮式 • 1/5尺度装机容量50kW
全尺度装置14MW
• 易于批量制造 • 抗浪能力强 • 寿命50年
波能转换技术(Raft，筏式)
液压泵 铰
波能发电成本
• 欧洲波浪能资源丰富，能流密度高，发电成本较低。 近年来，波浪能发电的电价有了大幅度的下降，约 达到20欧分（ €c）/ kWh。由现在波浪能发电技术 进步的趋势来看，可以预计，在不久的将来，欧洲 的波浪能发电成本可以降到火力发电成本之下。 • 我国的波能能流密度较小，仅为欧洲波能能流密度 的1/10~1/5，因此，发电成本较高，约3元/kWh。这 一发电成本已经低于离大陆30海里左右的岛屿的柴 油发电成本。技术成熟后，成本还可降三分之一左 右，可靠性和效率有较大提高，波浪能发电成本可 以降低到1.5元/kWh。
波浪能利用方向
• 通常的利用：波浪能为海岛居民供电 • 特殊的利用：波浪能为军事和海上作业供能，如各 种波浪能驱动的监测仪器、水下采矿系统、水下机 器人、海上军事设施、海上平台，解决国防和海洋 开发的需要。 • 波浪能制淡水 • 波浪能养殖 • 波浪能防波堤
谢谢！
实海况试验
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撑项目）
波能技术关键制约因素和难点问题
• 波浪能的最大优点是能流密度高且分布广。 • 波浪能的缺点是不稳定，运动低速、往复，转换机 构较复杂，容易出现输出不稳定、转换效率低下、 系统故障甚至遭到波浪破坏等的问题，这些是制约 波浪能发电技术的难点问题。 • 波浪能技术正接近成熟。尽管目前发电成本还比较 昂贵，但一旦开发出高效的、可靠的、低成本的波 浪能发电技术，波浪能发电装置就会走向批量化、 商业化，发电成本就会大幅度下降。
公司，40 kW
波能转换技术(漂浮式点吸收)
加拿大Finavera公司 AquaBuOYs, 40kW
波能转换技术(淹没式点吸收)
苏格兰AWS Ocean Energy有限公司 Archimedes Wave Swing，2MW
波能转换技术(Duck, 鸭式)
波浪能
~80%
液压能
~70%
电能
Outline of Duck 鸭式轮廓 Shaft for output mechanical power to 轴，机械能转换成液压能 hydraulic pumps or electrical generators Fixed mounting 固定支架