点吸式波浪能装置的功率特性研究

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一种小型海浪发电装置的研究实践

文章编号：2095-6835（2022）18-0009-04一种小型海浪发电装置的研究实践＊詹映柔1，2，潘永馨1，王英如1，刘朕廷1，马颖1（1.广州大学物理与材料科学学院，广东广州510006；2.中国科学院大学国家天文台，北京100101）摘要：在对国内外现有的海浪发电装置进行分析研究基础上，结合海浪特点提出了一种新型的海浪发电装置设计方案。

论证了工作原理，完成了装置制作。

该海浪发电装置体积小巧，能量转换环节少，发电效率高，通过试验，在模拟浪高6.5cm的情况下，可达到119mA的电流峰值。

这种小型海浪发电装置可满足日常照明等生活用电需求，具有较好应用前景。

关键词：小型海浪发电装置；直驱式；海浪能；能源转化中图分类号：TM612；P743文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2022.18.003海浪是一种凌乱的波动现象，浪高和波形都会发生变化且同调性很差[1]。

因为海浪具有凌乱、反复无常的特性，将其转化为机械能再用于发电具有较大困难，所以至今为止，仍然没有任何一项海浪发电装置能够实现真正的商业运转。

1现有海浪发电装置分析目前国内外已有的海浪发电装置主要可分为衰减式、点吸收式、摆荡式、越顶式、水柱振荡式、沉潜压差式六大类型，外加不易归纳的其他类型。

1.1衰减式“海蛇号”为此类装置的代表。

工作时装置沿海浪传播方向漂浮于水面上。

取能浮体在海浪作用下做上下起伏运动带动各节铰接处相对转动，从而推动内部的液压缸往复运动将流体压入储能器中，液压马达在高压流体作用下旋转带动电机以输出电能。

但是该类装置取能浮体质量较大难以适应海浪的快速变化。

装置较为精密难以维修且只能拦截有限范围内的海浪[2]。

1.2点吸收式该类装置的取能浮体漂浮海面，在海浪作用下带动水下管内部的活塞上下运动，一般也取用活塞推动液压缸压缩流体使液压马达旋转的方式带动电机工作。

但此类装置只能利用海水上下运动的动能，且装置的成本较高。

波浪能的研究现状与开发利用

波浪能的研究现状与开发运用随着世界经济的发展，人口的激增，社会的进步，人们对能源的需求日益增长。

占地球表面70%的广阔海洋，集中了97%的水量，蕴藏着大量的能源，即海洋能。

近20数年来，受化石燃料能源危机和环境变化压力的驱动，作为重要可再生能源之一的海洋能事业取得了很大发展，在相关高技术后援的支持下，海洋能应用技术日趋成熟，为人类在下个世纪充足运用海洋能展示了美好的前景。

海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，重要为潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水温差能和海水盐差能。

更广义的海洋能源还涉及海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。

究其成因，潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化，其他基本上源于太阳辐射。

海洋能源按储存形式又可分为机械能、热能和化学能。

其中，潮汐能、海流能和波浪能为机械能，海水温差能为热能，海水盐差能为化学能。

其中波浪由于开发过程中对环境影响最小且以机械能的形式存在，是品位最高的海洋能。

据估算，全世界波浪能的理论值约为109Kw量级。

是现在世界发电量的数百倍，有着广阔的商用前景，因而也是各国海洋研究的重点。

自20世纪70年代世界石油危机以来，各国不断投入大量资金人力开展波浪能开发运用的研究，并取得较大的成果。

日，英，美，澳的国家都研制出应用波浪发电的装置，并应用于波浪发电中。

我国对波浪能的研究，运用起步较晚，目前我国东南沿海福建。

广东等地区已在实验一些波浪发电装置波浪能简介：波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。

波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。

波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。

波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的，它实质上是吸取了风能而形成的。

能量传递速率和风速有关，也和风与水互相作用的距离有关。

波浪可以用波高、波长和波周期等特性来描述目前波浪能的重要的重要运用方式是波浪能发电，此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。

点吸式波浪能装置的功率特性研究

点吸式波浪能装置的功率特性研究杨雨浓;谢鹏;郑雄波【摘要】基于线性规则波理论针对固定式点吸收波浪能发电装置进行研究，通过数值计算，分析了锥形浮子与圆柱形浮子在无阻尼和有阻尼条件下在波浪作用下的运动规律，探索浮子的运动响应和装置的能量转换效率与浮子形状、波浪频率或周期以及PTO系统阻尼之间的内在关系，寻求进行固定式点吸收波能装置最优化设计的方法。

通过计算和分析，提出了浮子结构和PTO系统阻尼特性对装置能量转换特性的影响规律，该结论可为点吸式波浪能转换装置的理论研究和工程应用提供参考和借鉴。

%The paper deals with a fix-pointed wave energy absorber and converter (WEC), based on the linear wave theory.The motion of conical and cylindrical configuration was analyzed under the damped and undamped wave conditions.The interaction of motion response and energy conversion efficiency with geometry of the device , wave frequency and PTO systematic damping is investigated to clarify the optimization method of WEC design .The study carried out the conclusion that how configuration of a proposed PTO system influences its energy conversion efficien -cy.The findings could provide a reference for future research and engineering application of pointed WEC .【期刊名称】《应用科技》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】5页(P75-78,82)【关键词】点吸式;波浪能装置;海洋能;系统阻尼特性;能量转换效率【作者】杨雨浓;谢鹏;郑雄波【作者单位】哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学理学院，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学理学院，黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TK89;U661.32为了保证人类所需要的能源能够得到稳定并且持久的发展，世界各国均在努力地使能源结构从单一的常规能源向多种新能源过度。

波浪能最大输出功率设计

波浪能最大输出功率设计
波浪能最大输出功率的设计需要考虑以下几个因素：
1. 波浪资源的特性：需要了解波浪资源的频率、振幅和能量密度等特性。

这些信息可以通过历史数据或者实地测量得到。

2. 设备的选择：需要选择合适的波浪能转换设备，例如波浪能发电机、浮标、锚链等。

这些设备的选择要考虑到波浪特性以及预期的输出功率要求。

3. 系统的布局与配置：波浪能转换设备的布局和配置对于最大功率输出至关重要。

需要考虑设备之间的互相影响以及与海洋环境的适应性。

4. 控制和优化策略：通过合理的控制和优化策略，可以最大限度地提高功率输出效率。

例如，通过采用最佳匹配控制策略来优化波浪发电机与电网之间的耦合效果。

5. 维护与运营：建立合理的维护与运营机制，及时检修和维护设备，确保系统的正常运行，最大程度地提高功率输出。

总而言之，波浪能最大输出功率的设计需要综合考虑波浪资源特性、设备选择、系统布局与配置、控制和优化策略，以及维护与运营等因素，以实现系统的高效运行和最大的功率输出。

中国波浪能开发现状与未来趋势分析

中国波浪能开发现状与未来趋势分析一、波浪能发电装机分类波浪能发电原理是通过波浪能捕捉装置吸收波浪能，吸收的波浪能通过传动机构转换为机械能，最后将机械能转化成电能。

现有波浪能捕捉装置包括振荡水柱式、摆式、越浪式、鸭式、筏式、点吸式等。

依据其作用原理，可分为压力差式、越浪式、浮体式和摆式四类：波浪能发电装机分类资料来源：CNKI，产业研究院整理相关报告：产业研究院发布的《2024-2030年中国波浪能行业市场全景监测及投资前景展望报告》二、波浪能行业发展现状分析1、全球海洋能累计装机容量海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐能、波浪能、温差能、盐差能、海流能等形式存在于海洋之中。

作为可再生、清洁能源，海洋能的开发和利用对于服务海洋资源开发缓解能源紧缺，以及应对全球气候变化等具有重要的战略意义。

据统计，2022年全球海洋能累计装机容量为524MW。

2013-2022年全球海洋能累计装机容量资料来源：IRENA，产业研究院整理2、全球波浪能新增装机容量全球有多个国家在进行波浪能发电研究，英国、美国、澳大利亚、丹麦和西班牙等国的波浪能开发技术和应用规模居世界领先地位。

尽管全球有不少波浪能发电装置进行了长期海试，但恶劣环境下装置的生存能力、长期工作可靠性、高效能量转换等关键技术问题仍然有待突破。

据统计，2021年全球波浪能新增装机容量为1385千瓦,2022年降为165千瓦。

2013-2022年全球波浪能新增装机容量资料来源：EMEC，产业研究院整理3、中国波浪能装机容量我国自20世纪60年代起已经开始波浪能发电研究相关工作，经过一定年限的技术积累和科研单位队伍的不断发展壮大，波浪能发电技术取得一定的技术攻破与发电效率的稳步提高。

据统计，2015年我国波浪能装机容量为0.2MW，截至2022年达到1.52MW。

2015-2022年我国波浪能装机容量情况资料来源：公开资料，产业研究院整理4、中国波浪能主要装机项目目前开发的波浪能装置约40个装机容量范围在10W到500kW之间。

国外海浪发电装置的研究现状

国外海浪发电装置的研究现状作者：赵裕明李岩王志岩来源：《农机使用与维修》2018年第01期摘要：海洋波浪能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，具有资源分布广泛、能流密度大等优点。

利用海洋波浪能发电能够改善能源结构和环境，有利于海洋资源开发。

通过对海浪发电装置的技术原理、特点和技术现状做综述，分析了海浪发电利用的意义和前景。

关键词：海浪发电；海洋波浪能；发电装置中图分类号：TM31文献标识码：Adoi：10.14031/ki.njwx.2018.01.0090引言海洋波浪能是清洁的可再生能源，开发和利用海洋波浪能对缓解能源危机和环境污染问题具有重要的意义。

海洋波浪能发电系统的运行环境恶劣，与其他可再生能源发电系统相比发展相对滞后。

但是随着海浪发电技术的发展，近年来，海洋波浪能发电技术取得了长足的进步，已有试验电站开始商业化运行。

随着海洋波浪能发电技术日益成熟，将会有越来越多的海洋波浪能发电站并入电网运行。

1国外的海洋波浪能发电技术1.1Pelamis波能发电装置Pelamis波能发电装置飘浮在水面上工作，如图1所示。

不同型号的“海蛇”长15～180 m 不等，直径约3.5～4 m，15 m长的“海蛇”发电装置能够产生750 kW的电能[1，2]。

该装置每两个相邻漂浮装置之间用两个自由度铰链连接，装置的长度方向与海浪的传播方向一致，浮筒随波浪上下起伏，关节之间便有相对转动，从而推动圆筒内的液压缸作往复运动，液压缸将流体压入储能器中作短期储存，液压马达在高压流体作用下旋转带动电机做功产生电能。

1.2Oyster波能转换装置牡蛎（Oyster）是由英国Aquamarine Power公司和Belfast Queen's University联合在英国研发的一种浮力摆波能转换装置，如图2所示。

Oyster装置由固定在海床底的振荡浮力摆和液压缸组成[3，4]。

Oyster工作水深10～15 m，离海岸约500 m，浮力摆铰接于水下12 m深的海床上，顶部稍高于海平面。

波浪能发电装置

课程设计说明书题目名称波浪能发电装置的设计课程名称机械产品技术创新学生姓名郭钊群学号**********专业制冷与空调指导教师姜宏阳机械与能源工程系2015年12 月17 日波浪能发电装置的设计班级：制冷与空调姓名：郭钊群学号：1341102053摘要：海洋波浪能作为一种清洁环保并且可再生的新型能源已经吸引了世界各国科学人员的目光，并已取得一定的研究成果。

介绍了海洋波浪能发电装置的原理，对海洋波浪能发电装置进行了分类，总结了几种典型海洋波浪能发电装置的优缺点，并针对现阶段国内外研究现状指出目前存在的问题和今后海洋波浪能发电装置的发展前景。

关键字：新型能源；海洋波浪能；发电装置；发展前景前言：随着世界经济不断地高速发展，世界各国对能源的需求量急剧增长。

当前出现的全球石油危机，使人们更加清醒地认识到能源在国民经济和社会发展中所起到的重要作用。

为了解决能源供应在社会发展中所遇到的瓶颈问题，寻找可替代、可再生、清洁的新型能源已经成为全球各个国家的共识。

海洋作为占地球面积70％的主体，不仅拥有丰富的水产、石油等资源，更蕴藏着巨大的能源，海洋能源主要是以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在［1］。

其中海洋波浪能在海洋中无处不在，而且受时间限制相对较小，同时波浪能的能流密度最大，可通过较小的装置提供可观的廉价能源（主要以电能为主），并且也可以为边远海域的国防、海洋开发、农业用电等活动提供帮助。

因此，世界上各个国家都十分重视并且花大力气开发与研究海洋波浪能，尤其是研究和开发波浪能发电装置正文：1.波浪能发电装置的发展历史海洋波浪能开发利用的设想可以追溯到一个世纪以前，早在1911年，世界上第一台海洋波浪能发电装置就研制成功，之后许多国家都致力于研究波浪能发电。

20世纪80年代波浪能开发转向以为边远沿海和海岛供电为目的的实用性、商业化的中小型装置为目标，各国相继建成了20多个波浪能发电装置或电站。

如今，世界上主要发展和研制的波浪能发电装置有“点头鸭”式、振荡水柱式、推摆式、聚波蓄能式、振荡浮子式、阀式等装置：1.1世界波浪能发电装置的发展历程；1799年，法国的吉拉德父子，获得了利用波浪能的首项专利。

多功能型波浪能装置研究进展

多功能型波浪能装置研究进展范亚宁;彭伟;郑金海【摘要】As a clean, non-polluting energy, wave energy is expected to improve the existing energy structure. As the development of wave energy devices is constrained by the high cost of construction and maintenance, the concept of multifunctional wave energy devices has been proposed. These devices can be used to extract wave energy, at the same time, employed as the foundation for breakwaters, offshore wind turbines, tidal turbines, photovoltaics or desalination. In this paper,the technical characteristics of multifunctional wave energy devices are emphasized and the latest research progress in the efficiency of wave energy conversion, power output, dynamic response and power-take-off system are highlighted. Finally, suggestions for the development of multifunctional wave energy devices are concluded, which is of great value to the researches on multifunctional wave energy devices in the future.%波浪能具有清洁无污染的特点,可以改善现有的能源结构.由于波浪能发电装置的研发受制于建造和维护成本过高这一瓶颈,专家们提出了多功能型波浪能装置的设计方案.除了波浪能发电之外,多功能型波浪能装置还具有防波堤消浪、海上风机发电、潮汐能发电、潮流能发电、光伏发电和海水淡化等用途.文章重点阐述了多功能型波浪能装置的技术特点以及波浪能捕获效率、电力输出、装置结构的动力响应和动力摄取系统等方面的最新研究进展,并对多功能型波浪能装置的发展提出了建议,对于未来多功能型波浪能装置的研发具有参考价值.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2018(036)004【总页数】9页(P617-625)【关键词】多功能型波浪能装置;波浪能捕获效率;电力输出;动力响应;动力摄取系统【作者】范亚宁;彭伟;郑金海【作者单位】河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】TK79;P743.20 前言近些年来，以波浪能为代表的海洋可再生能源由于储量巨大和分布广泛，越来越受到人们的关注。

一种点吸式波浪能装置水动力性能优化

一种点吸式波浪能装置水动力性能优化张亮;国威;王树齐【摘要】To improve the hydrodynamic performance of point absorber, the CFD method based on viscous fluid mechanics was used to simulate the buoy motion of point absorber in three-dimensional. The influences of different buoy shape, different damping coefficients, mass and motions performance were researched, and the CFD results agreed with the experimental results better than that of the potential theory. The circular column buoy was better than the circular truncated cone buoy in natural and damping oscillation, and with the enlarging of damping coefficient, the capture width ratio increased in the best damping and then decreased. The damping coefficient corresponding to the maximum capture width ratio was the best. With the enlarging of mass, the capture width ratio increased slowly and had a slight decrease.%为改善点吸式波浪能装置的运动性能,运用基于黏性流体力学的计算流体力学( CFD)方法对一种特定的点吸式波浪能装置中的浮子进行三维时域模拟,研究不同浮子形状、阻尼系数和浮子质量对装置性能的影响规律.结果表明:运用CFD方法和实验方法得出的浮子运动曲线较为吻合,CFD值较基于势流理论的计算值更接近于实验值;在自然振荡和阻尼振荡时,圆台形浮子的运动性能都优于圆柱形浮子;圆台浮子的俘获宽度比会随着机械阻尼系数的增大呈现先增大后减小的规律,其最大值对应的阻尼值即为最佳阻尼值;俘获宽度比随着质量的增大呈现缓慢增加后略有减小的规律.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2015(047)007【总页数】5页(P117-121)【关键词】计算流体力学;点吸式波浪能装置;浮子;阻尼系数;浮子质量;水动力性能【作者】张亮;国威;王树齐【作者单位】哈尔滨工程大学船舶工程学院,150001 哈尔滨;哈尔滨工程大学船舶工程学院,150001 哈尔滨;哈尔滨工程大学船舶工程学院,150001 哈尔滨【正文语种】中文【中图分类】P741波浪能作为一种清洁的可再生能源，蕴藏量巨大，为了缓解能源危机，波浪能装置的研发引发人们的日益关注.波能装置按结构形式分为点头鸭式［1］、振荡水柱式［2-3］、推摆式［4-5］、聚波蓄能式［6］、点吸式［7-9］.点吸式波能装置有建造难度低、成本低、效率高等优点，已成为国内外学者研究的热点.平丽［10］基于线性势流理论，用边界元法研究装置的水动力性能，得出装置的俘获宽度比和最优阻尼的表达式，该方法忽略了流体的黏性效应.历福伟［11］利用ADINA软件建立了二维数值波浪水池，研究了浮子形状对振荡浮子式发电装置效率的影响.该方法的缺点是忽略了流体黏性，二维模拟仅限于形状简单的浮子，适用范围较窄.Guanche等［12］利用Simulink对一种波能装置进行了部分非线性时域数值模拟，通过改变电机的阻尼系数、装置直径、水深、轴承摩擦系数、垂向拖曳力系数、波高、周期等研究装置的水动力性能，此模型形状较为简单，没有对形状略复杂的浮子进行分析，不利于不同形状浮子水动力性能的对比.Vicente［13］对一种带有张紧锚链的点吸式波能装置的非线性水动力进行了时域和频域分析.Bhatta ［14-15］等运用势流理论对处于有限水深的圆柱体的绕射和辐射问题进行了数学推导，并得出数值解，得到了圆柱体的在规则波中的运动规律.目前对点吸式波浪能装置的理论研究多以势流理论为主，装置中浮子形状过于简单，而且忽略了流体的黏性效应，与实际情况存在差异.本文运用CFD方法，针对一种特定的点吸式波能装置进行三维数值模拟，对浮子形状及外界工作参数进行了优化分析.本方法的优势在于考虑了流体的黏性，可以对形状较为复杂的浮子进行计算，比势流理论更接近真实情况.1 理论分析1.1 浮子运动的数学模型点吸式波能装置可简化为质量-弹簧-阻尼系统，浮子在波浪中垂荡运动时，受到惯性力、阻尼力、回复力和波浪力的作用，其中阻尼力与浮子垂荡速度成正比，回复力与浮子位移成正比.建立浮子的垂向受力平衡关系式:式中:2ν为垂荡运动阻尼系数，2ν=(C+C0)/(m+λ);n为浮子垂荡固有频率，n2=(ρgs+K)/(m+λ);A为波幅;X0为波幅修正系数;ω为波浪频率;C为机械阻尼系数;C0为水的垂荡阻尼系数;m为浮子质量;K为弹性系数.浮子垂荡的固有周期由式(1)得出浮子运动幅值z与波幅A的关系如下:式中:Λ为波浪频率与浮子固有频率之比，Λ=ω/n;μ为无因次衰减系数.入射波的功率Pi为浮子直径宽度内的波浪功率，且式中:H为波高，T为波浪周期，D为浮子直径.浮子的平均吸收功率为式中:FG为电机作用在浮子上的阻尼力，v为浮子垂荡速度，t2-t1=nT，n为整数. 浮子的俘获宽度比η定义为浮子平均输出功率与浮子宽度内波浪输入功率之比，即浮子在做垂荡运动时对电机做功，通过电机的阻尼力转化为电能.1.2 CFD数学模型CFD方法基于黏性流体力学理论，采用基于有限元的有限体积法，在保证了有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有限元法的数值精确性，如式(6)和式(7)所示. 连续性方程:RANS方程组:式中:ui和 uj代表速度分量时均值，i，j=1，2，3;p为压力时均值;ρ为流体密度;ν为流体的运动黏性系数;gi为重力加速度分量为雷诺应力项.针对本文的装置模型，选取合适的边界条件，采用动网格技术模拟浮体运动，采用体积分数法标记自由面，选取k-ω湍流模型，该湍流模型具有计算准确，收敛性好的特点，如式(8)和式(9):k方程为ω方程为式中:k为湍动能，ω为湍流频率，Pk为湍流生成速率，β'=0.09，α =5/9，β=0.075.2 数值计算2.1 计算模型运用ANSYS13.0中的CFX软件对浮子运动进行模拟，计算模型采用实体尺寸，如图1(a)所示，浮子上部为圆柱，下部为圆台，中间开孔.计算域的大小为50m×20 m×50 m，采用推板造波，通过动网格模拟造波板运动，生成规则波［16］，造波板、水池池壁、底部设置为No Slip Wall，水池顶部设置为Opening，水池尾部为消波区，可以大幅减少波浪反射.计算域网格的划分如图1(b)所示，在波长方向对网格数量的控制取决于单位波长内的网格的数量，实践证明一个波长内应有120～150个网格，波高方向上30～50个网格，既保证了数值计算的精准度，又节省了计算时间.图1 浮子尺寸及计算域网格示意浮子位置距造波板15 m，浮子的运动求解采用刚体求解，约束其他自由度，使浮子仅做单自由度的垂荡运动，浮子力和运动的收敛标准取为10-4，计算时每个时间步的迭代次数在10～15次.时间步长为0.05 s，模拟10～15个波浪周期下浮子的运动.2.2 有效性验证为了验证CFD方法的有效性与准确性，分别采用商业CFD软件CFX和基于势流理论的计算软件AQWA对实验模型进行数值模拟，并与实验值对比，如图2所示. 图2 浮子的运动时历曲线实验模型的缩尺比为10，质量为14.25 kg，该实验在哈尔滨工程大学拖曳水池完成，实验波高为 0.08 m，周期为 2.2 s.从图2中可以看出，运用CFD方法对浮子垂荡位移和速度的模拟结果与实验结果吻合良好，验证了CFD方法的有效性;将CFD值与势流理论值进行对比表明，CFD值比势流理论值更接近实验值，验证了该方法的准确性.综上可知，CFD方法对浮子运动的模拟有效且准确.3 结果分析波浪能装置的性能与很多因素相关，模拟浮子在不同形状、不同电机阻尼、不同质量下的运动，并分析得出了浮子在不同外界参数下的性能.3.1 圆柱和圆台浮子的性能对比计算分析两种形状的浮子在不用波况下的水动力性能，如图3所示，分为浮子在无负载和有负载下两种工况.图3 圆台和圆柱形浮子形状示意3.1.1 自然振荡无负载时浮子在在波浪中做垂荡运动，此时浮子所受阻尼力来自于流体，装置阻尼系数仅为C0.式(2)说明了浮子的运动幅值与波幅的关系，将式(2)变形得式中:K为放大系数，修正系数X0为1.选取质量为17.528 t，直径和高度相同的圆柱和圆台进行对比，波高为0.4 m，波浪周期在2.40～5.06 s，如图 4 所示.图4 圆台和圆柱在不同波浪周期下无机械阻尼时的幅值响应从图4可以看出，随着波浪周期的增大，两者的运动幅值响应先增大后减小，原因如下:根据式(10)可知，当浮子的固有周期大于波浪周期，即Λ＞1时，浮子的运动受波浪影响很小，当波浪周期逐渐增大到Λ=1时，K出现最大值，此时浮子固有周期与波浪周期相同，发生共振，当波浪周期大于浮子固有周期即Λ＜1时，浮子随波浪漂浮，波浪周期足够大时，浮子的运动幅值与波浪幅值相同，K趋近于1.由于两种浮子的形状不同，其共振周期和K值都略有不同，圆台的共振周期为3.7s，圆柱的共振周期为3.3 s，除圆柱的共振点附近的区域外，在波浪周期2.40～5.06 s范围内，圆台的运动幅值都高于圆柱，这说明同尺度、同质量的圆柱和圆台，圆台对波浪的响应要优于圆柱.3.1.2 阻尼振荡上述分析是圆柱和圆台浮子在无负载下做垂荡运动，装置在有外界机械阻尼时，阻尼系数增大，使无因次衰减系数μ增大，根据式(10)可知，浮子运动幅值将减少.图5为圆柱和圆台在机械阻尼为10 000 Ns/m时的幅值响应曲线.图5 圆台和圆柱在不同波浪周期下有机械阻尼时的幅值响应从图5中可以看出，在相同波况下圆柱的运动幅值小于圆台，这是由于在波况相同时，圆台垂荡时作用于周围流体而产生的能量耗散小于圆柱，圆台自身剩余能量较大，其运动幅值也较大.从图中还可以得出圆柱的共振周期为3.5 s，而无阻尼时其共振周期为3.3 s，两者略有差异，这是由于浮子的共振与固有周期有关，固有周期的大小与浮子的附加质量有关，由于浮子在有阻尼和无阻尼时运动幅值不同，其周围流场存在差异，导致附加质量会有变化，从而影响其固有周期.根据上述分析可知，在自然振荡和阻尼振荡时，圆台形浮子的垂荡运动性能要优于圆柱形浮子.3.2 机械阻尼对浮子俘获宽度比的影响圆台浮子运动性能较圆柱好，对圆台浮子进行模拟，选取波高为0.4 m，圆台浮子的共振周期为3.7 s的波况，浮子的质量和尺寸不变，对浮子在机械阻尼为10 000～200 000 Ns/m进行计算，图6(a)给出了浮子在机械阻尼系数为10 000、30 000和50 000 Ns/m下的运动曲线.图6 不同阻尼系数下的浮子垂荡速度和俘获宽度比曲线从图6(a)可以看出，在给定波况下，浮子的垂荡速度曲线趋于稳定后，其运动幅值基本保持不变，机械阻尼系数越大，浮子的速度幅值越小.通过分析可知，电机的阻尼系数为零时，浮子处于自由振荡状态，所受电机阻尼力为零，理论上浮子的输出功率为零;当电机阻尼系数无限大时，相当于浮子被刚性固定，速度为零，其输出功率也为零，因此找到最佳电机阻尼是必要的.图6(b)为不同阻尼系数下浮子俘获宽度比曲线，从图中可以看出，浮子的俘获宽度比随着机械阻尼的增大先增大后减小，在阻尼系数为70 000 Ns/m时，俘获宽度比达到最大值0.8.曲线先上升后下降的原因在于:根据式(3)～(5)可知，浮子宽度内的波浪功率与波高、周期和浮子直径有关，当浮子处于给定的波况时，波浪功率为定值，浮子俘获宽度比只与电机阻尼力和速度大小有关，浮子瞬时吸收功率为由式(11)可知，浮子的瞬时吸收功率大小与阻尼系数和速度的平方成线性关系，而浮子的速度大小受电机阻尼系数的影响，浮子的运动速度随阻尼的增加而减少，阻尼越大，其克服外界阻尼力做功越多，导致其自身动能减少，速度就越小.总体表现为输出功率在某个速度上出现最大值.3.3 质量对浮子俘获宽度比的影响在对浮子形状和机械阻尼进行优化后，进一步计算圆台浮子质量对俘获宽度比的影响.选取波高为 0.4 m，周期为 4.4 s，机械阻尼系数为30 000 Ns/m，对不同质量的浮子进行计算.选取浮子质量范围为11～18 t，计算得出浮子质量-俘获宽度比曲线，如图7所示.图7 浮子的质量-俘获宽度比曲线图7中不同浮子质量对应不同的吃水，随着浮子质量的增加，其俘获宽度比先增大后缓慢减小，这是由于浮子质量增加后其吃水增加，使浮子所受波浪力对浮子做功增加，但随着吃水的继续增大会使浮子的惯性也相应增大，浮子对波浪的响应度降低，导致俘获宽度比略有下降.但在不同浮子质量的情况下，该波能装置的俘获宽度比浮动不超过2%.由此可见，在远离浮子共振周期时，浮子质量的改变对装置的性能影响很小.在满足性能要求的基础上可适当减少浮子质量.4 结论1)相同尺度和质量的圆柱和圆台浮子的共振周期略有不同，自然振荡下的浮子的运动幅值要高于阻尼振荡时的运动;在两种振荡条件下，圆台浮子的运动性能优于圆柱浮子.2)随着机械阻尼的增大，装置的俘获宽度比先增大后减小，表明装置存在最佳的机械阻尼，机械阻尼过大或过小都不利于浮子对能量的吸收.3)质量的变化对俘获宽度比的影响不明显，考虑制造成本，可适当调节浮子质量.4)基于CFD方法对浮子运动进行三维数值模拟，并对浮子在不同参数下的性能进行分析，得出最佳工况，实现了对该特定点吸式波能装置性能的优化.参考文献［1］余志.海洋波浪能发电技术进展［J］.海洋工程，1993，11(1):86-93. ［2］韩冰峰，褚金奎，熊叶胜，等.海洋波浪能研究进展［J］.电网与清洁能源，2012，28(2):61-66.［3］CLÉMENT A，MCCULLEN P，FALCO A.Wave energy inEurope:currentstatus and perpectives ［J］.Renewable＆ Sustainable Energy Reviews，2002(6):405-431.［4］李允武.海洋能源开发［M］.北京:海洋出版社，2008.［5］CAMERON L，DOHERTY R，HENRY A，et al.Design of the next generation of the Oysterwave energy converter［C］//3rd International Conference on Ocean Energy.Bilbao:Amanda W，2010:22-39.［6］任建莉，钟英杰，张雪梅，等.海洋波能发电的现状与前景［J］.浙江工业大学学报，2006，34(1):69-73.［7］ZURKINDEN A S，FERRI F，BEATTY S，et al.Nonlinear numerical modeling and experimental testing of a pointabsorberwave energy converter［J］.Ocean Engineering，2014，78(1):11-21.［8］SOREN R K，BISWAJIT B，MAHDI T，et al.Optimal control of an array of 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浅析波浪能发电的现状与发展

浅析波浪能发电的现状与发展李学民浙江浙能镇海联合发电有限公司摘要：就国内外近年来在波浪能发电方面的研究情况进行一个初步的分析，提出未来发展建议，为助推波浪能发电向商业化发展提供动力。

虽然各国波浪能发电示范研究都有了一些进展，取得了具有较高科学价值的相关数据，但从目前技术发展来看，波浪能发电装置的研发仍处在技术攻关和产业化前夕阶段，还有诸多问题需要解决。

如果能研发出一种高效可靠的波浪能发电装置，将是一种可持续提供清洁能源的途径，为海洋强国提供可靠的能源保障。

关键词：波浪能发电；现状与问题；发展建议DOI:10.13770/ki.issn2095-705x.2021.01.007Study on Current Situation and Devel-opment of Wave Energy Power Genera-tionLI XueminZhejiang Province Zheneng Zhenhai United Power Genera-tion Co.,Ltd.Abstract:The author analyzes wave energy power generation in do-mestic and overseas market and puts forward suggestions for future de-velopment,which supports wave energy power generation into commer-cial development.Through there is some progress in wave energy power generation demonstration research and relative data with higher scientific value is achieved,wave energy power generation facilities research isSHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018年第08期上海节能202101 期0引言海洋是孕育人类的摇篮，也蕴藏着巨大的能量，海洋覆盖了地球70%的表面，全球约44%的人口都居住在距海岸线150km 的范围内，人类向大海索取资源或将成为必然的趋势。

波浪检测与特性参数分析试验研究

收穰日期：００— ４— ７２１０２
基金项目：等学校博士学科点新教师基金（０９１２２０１；州航海高等专科学校科研项目（０９２０）高２００７１０４）广２０１Ｂ３
作者简介：陈爱国（９３）男，师，１７一，讲博士研究生，要从事软件与人工智能研究．主
析，进行傅立叶变换研究其功率谱密度和方向频率分布的方法，并对之进行了试验研究．该研究对
船舶耐波性的研究、洋工程的规划设计和海洋气侯预报具有重要意义．海关键词：波浪；立叶变换；率谱密度傅功中图分类号：６６１Ｕ６．文献标识码：Ａ文章编号：１００９—８２（０００５６２１）３—０１０５—０４
（）５
Ｗ＝１．
向等信息，采用搭载有罗盘和加速度计的数据浮可标，由加速度时间序列经过二次积分，籍可得到垂直方向、向和西向的位移．北对这些位移利用傅立叶变换求得波浪竖直位移的傅立叶频谱，即得到功率频
当前地球气侯变得越来越恶劣，海啸、台风等自
取为２６个抽样序列ｈ５）ｈ：ｋ，０（Ｄ）ｋ＝ …Ｎ一１．（）２
然灾害频频繁发生，海上波浪的特性参数进行检对测与分析是气侯预报的重要内容．此外，作为海面上

可再生能源概论第3版课件第8章

起因：风吹过海面，风与海面相互作用，一部分风的能量传给海水，变成波浪的动能和势能。
波浪发生的三种主要过程：空气吹过海水表面，由于粘性作用，对海水施加一个切向力。而水的表面张力提供一个类似弹簧的恢复力，使水面上产生一层微小的涟漪，它是波浪形成的前奏。此时的波称为表面张力波。靠近水表面的湍动的空气流引起剪切力和压强的波动。当这些波动与已有的波浪同相位时，波浪进一步加强。波浪继续受风的剪切力作用，与风共振，从风中吸取能量。波高逐渐加高，波长逐渐加长，最后到达波澜壮阔的情况。此时迫使水面复原的恢复力为重力，故称为重力波。
➢ 离岸式：波能装置位于远离海岸的深水区（40米以上），建在系泊在海床上的浮动式或淹没式结构物中。 ➢ 离岸式的优点是可利用远海的巨大波能。但由于远海的波浪险峻，其结构必须承受很高的载荷，装置的可靠性和生存性较弱。还需要很长而昂贵的海缆把电能输送到岸上的电网。
➢ 近岸式：波能装置安装在距离海岸几百米的中等水深（10-25米）处。通常坐落在海床上（避免系泊），但必须承受波浪通过时产生的应力。它们也可能是浮动结构。近岸式的特点介于岸式和离岸式之间。
➢ 无论哪种结构,都需要有一个主梁,即一种居中、稳定的结构,系锚或固定在海床或岸边。
➢ 若干运动部件,包括挡板、浮子、空气室或楔形流道系于其上,并在波浪的作用下与主梁作相对运动。
根据主梁与波浪方向的关系，波能转换器可分为三种模式:
(a)终结性模式:波能转换器的主梁平行于与入射波前。 (b)减缓型模式:波能转换器的主梁垂直于入射波前。 (c)点吸收型模式:其主轴垂直于海面，其线形尺度远小于波浪的长度。
➢ 根据系留状态，波能装置还可分为固定式和浮动式。固定式装置又有岸边固定式（简称岸式）和海底固定式两种。由于固定式装置具有固定的主梁,容易接近与维护,显然比浮动式装置更容易建造。

海洋中的波浪现象及其特性研究(1)

船舶航行安全评估指标
波浪对船舶航行的影响
分析波浪对船舶航速、航向稳定性、操纵性等方面的影响，为船舶安全航行提供理论支持。
船舶耐波性评估
研究船舶在波浪作用下的运动响应和载荷特性，评估船舶的耐波性能，为船舶设计和建造提供依据。
航行安全预警系统
基于波浪预测模型，开发船舶航行安全预警系统，实时监测和预测航行区域的波浪状况，为船舶安全航行提供决策支持。
01
根据选定的数学模型，建立相应的控制方程，如波动方程、连
续性方程等。
初始条件与边界条件设置
02
根据实际问题需求，设置合理的初始条件和边界条件，如波高
、周期、水深等。
数值计算方法选择
03
选择合适的数值计算方法，如有限差分法、有限元法、谱方法
等，对控制方程进行离散化和求解。
模型验证结果展示
实验数据对比
03
风能输入
风通过摩擦作用将能量传递给水面，形成波浪。
波浪成长
波浪在风的作用下不断吸收能量，波高和波长逐渐增加。
波浪稳定
当波浪达到一定尺度后，风能输入与波浪能量耗散达到平衡，波浪进入稳定状态。
涌浪传播特性及影响因素
长波传播
涌浪具有较长的波长和周期，能够在海洋中远距离传播。
能量衰减
涌浪在传播过程中受到多种因素的影响，如海底地形、海水深度等，导致能量逐渐衰减。
海底地震或火山活动产生的能量，以波的形式在海水中传播，形成地震波。
波浪对海洋环境影响
能量传输
波浪是海洋中重要的能量传输方式之一，对海洋生态系统、海岸带地貌等
产生深远影响。
海岸侵蚀与保护
波浪对海岸带的侵蚀作用显著，同时也为一些生物提供了栖息地和保护。

波浪能点吸收器结构设计与数值优化

波浪能点吸收器结构设计与数值优化孙崇飞;罗自荣;朱一鸣;卢钟岳;吴国恒;尚建忠【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2018(49)9【摘要】无人海洋探测器作为开发海洋资源的重要装备,普遍缺乏高效可靠的供电方式.波浪能作为一种分布广泛的可再生海洋能,有望成为探测器的理想供电能源.波浪能的高能量密度特性有利于装置小型化,使其便于作为供电模块集成到无人海洋探测器.提出了一种基于反转自适应机理的新型波浪能点吸收器.该点吸收器可以实现叶片对水流的自适应偏转,并自动平衡装置的整体转矩.通过数值分析发现,点吸收器的功率和效率特性受吸收器叶片倾角、相对流速、转速及双层吸收器相互作用的影响很大,合理选择系统参数有助于优化装置的整体性能.试验桶及造波池试验分别验证了数值分析的准确性和工作原理的可行性.【总页数】8页(P406-413)【作者】孙崇飞;罗自荣;朱一鸣;卢钟岳;吴国恒;尚建忠【作者单位】国防科技大学智能科学学院,长沙410073;国防科技大学智能科学学院,长沙410073;曼彻斯特大学机械、航天与土木工程学院,曼彻斯特M17JR;国防科技大学智能科学学院,长沙410073;国防科技大学智能科学学院,长沙410073;国防科技大学智能科学学院,长沙410073【正文语种】中文【中图分类】TK01;TK79【相关文献】1.集装箱船型线多速度点的数值优化 [J], 陈红梅;冯毅;于海;王金宝2.ZR型阻容吸收器在中性点不接地系统中的应用 [J], 王维民3.长周期波浪作用下斜坡式引堤结构设计分析 [J], 孙丽;孙运佳4.棘轮式海洋波浪能发电装置结构设计与分析研究 [J], 席文奎;姜辛;贺齐齐;曲玉龙5.上海光源储存环光子吸收器结构设计与研制 [J], 陈丽萍因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。