波浪发电的结构,机理

波浪发电装置的基本原理
1、波浪理论及波浪能
1.1波浪理论
在海洋工程中，海浪是作用在海洋工程结构上的最主要的外力之一，对于海浪作用的研究，目前一般是从两个领域进行研究：一个领域是对液体的波动从流体力学的角度加以研究，研究液体内部各质点的运动状态，这种研究一般包括线性波浪理论和非线性波浪理论两大类;另一个领域是将海面波动看作是一个随机过程，研究其随机性，从而揭示海浪内部波动能量的分布特性，从统计意义上对液体内部各质点的运动状态进行描述，研究其对工程结构的作用，当然这后一个领域的研究，也需要应用流体力学理论对处于理想状态下的液体内部各质点的运动规律进行描述。

通过对天然海面的观测可知，海面上各点的水面变化呈现随时间和地点而变的一个随机过程，对于一个固定点的水面波动来说，它是由许多从不同方向以不同波速传播而来的并且波长和振幅经常在变的波浪互相组合彼此影响而形成的，它是一个非常复杂的过程。

目前尚无一种数学理论能精确的描述水波的性能，各种波浪理论只是在一定程度上对实际现象的简单近似，在实际工程中多应用线性波浪理论作为其理论基础。

线性波浪理论在一般工程实践中通常采用微幅波理论(Airy 波理论）
1.2波浪能简介
波浪中的波动是海水的重要运动形式之一。

从海面到海洋内部处处都可能出现波动。

波动的基本特点是，在外力的作用下，水质点离开其平衡位置作周期性或准周期的运动。

由于流体的连续性，必然带动其邻近质点，导致其运动状态空间的传播，因此运动随时间与空间的周期性变化为波动的主要特征。

实际海洋中的波动是一种复杂的现象，严格说，他们都不是真正的周期性变化。

但是，作为最低近似可以把实际的海洋波动看作是简谐波动(正弦波)或简谐波动的叠加。

一个简谐波动的剖面可用一条正弦曲线加以描述。

如图1.1所示，曲线的最高点称波峰，曲线的最低点称为波谷，相邻两波峰(或波谷)之间的水平距离称为波长(λ)，相邻两波峰(或者波谷)通过某固定点所经历的时间称为周期(T)。

显然，波形传播的速度T C λ=。

从波峰到波谷之间的垂直距离成为波高(H)，波高的一半∂=H/2称为振幅，是指水质点离开其平衡位置的向上(或向下)的最大垂直位移。

波高与波长之比称为波陡，以)(λδH =表示。

在直角坐标系中取海面为x 一y 平面，设波动沿x 方向传播，波峰在y 方向将形成一条线，该线称为波峰线，与波峰垂直指向波浪传播方向的线称为波向线。

图 1.1波浪要素
由风引起的周期从1~30s 的波浪所占能量最大。

取右手直角坐标系，z 轴问上为正，
将x 一v 平面放在海面上，设波动是二维的，只在x 方向上传播，则波剖面方程可用下列正弦曲线表示，即
)s i n (t kx σαζ-=
式中：α为波动的振幅，ζ为波面相对平均水面的垂直位移。

显然它是地点x 与时间t 的
函数，并有
T π
σλπ
2,2k ==
分别称为波数和频率。

当水深为h 时，可证明它们的关系为:
)2tanh(kg )tan(kg λ
πσh kh == 称为频散关系。

式中g 为重力加速度
波形向前传播完全是由水质点的运动产生的，水质点的运动轨迹为圆，半径为aexp(k z 0)，轨迹半径随深度的增大(z<O)迅速减少。

风浪是指当地风产生，且一直处在风的作用之下的海面波动状态;涌浪则指海面上由其他海区传来的或者当地风力迅速减小、平息，或者风向改变后海面上遗留下来的波动。

为便于对风浪成长的讨论，引进风时和风区两个概念。

所谓风时，系指状态相同的风持续作用在海面上的时间;所谓风区，是指状态相同的风作用海域的范围。

习惯上把风区的上沿，沿风吹方向到某一点的距离称为风区长度，简称为风区。

风浪的成长还与其他因子有关，例如海洋水深、地形、岸线形状等。

如图1.2所示，假定风速一定的风沿0x 方向吹，O 点为风区上沿，0A 为风区内
某点A的风区长度。

观察A点风浪成长以及其他各处风浪成长的过程。

图 1.2 风浪随风区长度的分布
波浪在成长过程到达一定尺度后，由于内摩擦等原因所消耗的能量比它摄取的能量增加得快，当摄取与消耗的能量达到平衡时，波浪尺寸便不再增大。

此时的风浪称为充分成长状态，达到成长状态所对应的风时与风区，称为充分成长的风时与风区。

图1.3为风速15m/s，波浪成长与风时、风区的关系。

图1.3 波浪成长与风时、风区的关系
涌浪在传播过程中的显著特点是波高逐渐降低，波长、周期逐渐变大，从而波速变快。

一方面由于内摩擦作用使其能量不断消耗所致，另一方面是由于在传播过程中发生弥散和角散所致。

实际的海浪可视为是由许多不同波长、不同周期和振幅的分波组成的。

当波浪传至浅水及近岸时，由于水深及地形、岸形的变化，无论其波高、波长、波速及传播方向等都会产生一系列的变化。

诸如波向的折射、波高增大而能量集中，波形卷倒、破碎和反射、绕射等。

2、国内外波能转换装置原理及转化技术
2.1波浪能开发原理
波浪能利用的早期想法产生于人们对波浪运动的观察。

这种观察告诉人们，波浪是往复运动的，因此，设计波浪能装置也应该是往复运动的，让波浪在波能装置运动的过程中做正功，才能将波浪能有效地转换成有用的能量。

根据这种想法，人们构思了许多波浪能装置，图2.1是波浪能装置的原理示意。

这些装置的工作原理具有如下共同点。

图2.1 波浪能装置工作原理图
(1)具有一个在波浪中运动的物体1。

(2)具有一个与物体1相对运动的物体2。

(3)具有一个能量转换器，将物体1与物体2之间相对运动的机械能转换成所而的能量。

2.2波浪能装置的分类及优缺点
波浪能装置的结构形式、工作原理是多种多样的。

每一种波浪能装置都有其优缺点。

设计者应根据实际情况的需要设计合理的波浪能装置。

因而，对波浪能装置作适当的划分，说明每一种波浪能装置适宜于体积波况及固定模式，对设计者有很好的参考价值。

(1)按固定方式划分
从固定方式划分，波浪能装置可以分成固定式(floating)的和漂浮式(fixed)。

固定式装置主要结构被固定，不随波浪而运动。

漂浮式波浪能装置则漂浮在水面上，随波浪运动而运动。

装置一般通过锚或重块与海底连接，如图2.2所示。

固定式还可以根据投放地点划分成岸式(on一Shore或者Shoreline)和离岸式(off 一shore)。

岸式波浪能装置固定于岸边(见图2.3(a))，其优点是便于管理、维护及进一步研究，便于电力输送，当选址及装置设计得当的，其效率一般较高:缺点
是岸边的波浪能能流密度往往偏小。

离岸式波浪能装置固定在海底(见图2.3(b))，其优点是周围的波浪能流较大，但有一部分绕射到装置背后。

缺点是转换效率较低、管理、输电成本较大及不利于研究。

固定式波浪能装置的建造成本受其周边环境因素(如水深、地质、坡度、距岸距离等)的影响很大。

漂浮式的波浪能装置通常可以在船厂建造、下水，然而安放到合适的地方。

因此，漂浮式比固定式建造难度小。

其缺点是其效率一般没有固定式波浪能装置高，遇到大浪，其结构、锚泊系统及输电线往往容易被破坏，其成本与电力输送的距离以及对结构、锚泊系统的要求有关。

图2.3 波浪能装置纵剖视图
(2)按能量传递方式划分
按能量传递方式划分，可以分成气动式(pneumatic)、液压式(hydraulic)和机械式(mechanical)的波浪能装置。

气动式波浪能装置的某一个环节通过气体传递能量。

例如图2.4(a)、图2.4(b)所示的振荡水柱式波浪能装置就是通过空气，将波浪的能量传给空气透平(图中的能量转换器)。

图2.4 波浪能装置纵剖视图
液压式波浪能装置的某一个环节通过液体传递能量〕。

例如图2.3、图2.4(a)所示的浮子吸收波浪能之后通过液压装置将能量转换成液压能。

常见的液压式波浪能装置有浮子式(图2.5(a))、点头鸭式(图2.6)及摆式
图2.5 波浪能装置
图2.6 点头鸭式波浪能装置
(3)按装置的能量提取方式划分
按装置的能量提取方式划分，可以分成能量直接转换和能量间接转换两大类，依固定方式的不同和系统结构又可分成图2.7所示的11种。

(4)按波浪能装置对波浪能能流影响的结果划分
按波浪能装置对波浪能能流影响的结果划分，可以分成截止型(terminated)和消耗型(attenuate的波浪能装置。

截止型的波浪能装置将波浪能挡在其迎浪的一侧，使其背浪的一侧儿乎无波浪能。

消耗型的波浪能装置则仅吸收一部分人射波的能量，背浪一侧仍有绕射的波浪。

(5)按吸取波浪能的结构形式来划分
从吸取波浪能的结构形式来划分，可以分成振荡水柱式(oscillating water column，常缩写为OWC)、浮子式(huoy)、摆式(pendulum)点头鸭式(noddingduek)、筏式(raft)、蚌式(lam)、聚波水车式(taped channel，常缩写为TAPCHAN)等。

图2.7 波浪能装置示意图
2.3 波浪能转换技术
(1)“点头鸭”式波浪能转换装置
Salter在他1974年的论文中介绍了一种独特的波能转换方法，使二维正弦波的转换效率可接近90%左右，如图2.7中⑤所示。

由于该装置的形状和运行特性酷似鸭的运动，因而称其为“点头鸭”。

人射波的运动使得动压力可有效地推动
鸭身绕轴线旋转。

另外，除动压力外，流体静压力的改变也使接近鸭嘴的浮体部分做上升和下沉往复运动。

由于这两种压力所产生的运动是同相位的，在波浪运动的一个周期内，点头鸭将动能和位能两者同时通过液压装置转化出去然后再由液力或电力系统把动能转换为电能。

在设计点头鸭波能转换装置时，注意到如果把点头鸭质量重心的位置做成可调的，那么就可使其固有周期与波浪周期相匹配，从而最大程度地利用波浪能。

Mynett等对二维正弦波中运行的点头鸭装置特性作了分析，研究结果表明，在理想运行条件下，点头鸭效率接近90%。

Serfnan等对Myrlett的研究作了发展，对不规则波作用下的点头鸭性能进行了研究，研究结果表明，在不规则波作用下，系统效率要低许多。

Salter点头鸭虽然是一种有效的波能转换装置，但它的严重不足在于:装置可靠性差，在恶劣的海洋环境下，装置极易损坏所以Salter点头鸭没有得到广泛推广。

(2)振荡浮子式波能转换装置
振荡浮子式装置是在振荡水柱式装置的基础上发展起来的波能发电装置，它用一个放在港中的浮子作为波浪能的吸收载体，然后将浮子吸收的能量通过一个放在岸L的机械或液压装置转换出去，用来驱动电机发电。

它由浮子、连杆、液压传动机构、发电机和保护装置等几部分组成。

振荡浮子式波能装置从工作原理上看，与图2.7中的①②③④⑨相类似，都是利用浮体的相对运动来发电。

图2.8 垂荡驱动的棘轮一绳轮波能发电系统
图2.9 垂荡驱动的齿条一链轮波能转换系统
(3)我国波浪能转换装置
我国政府从“八五”到“十五”持续支持海洋波浪能研究。

“八五”期间科技部投人200万元支持3个科技攻关项目，研建ZOkW岸式振荡水柱波能装置、5脚漂浮式振荡水柱波能装置和skw摆式波能装置各一座，其中ZOkw岸式振荡水柱波能装置可以与柴油发电机并联发电;“九五’，期间共投人603万元，支持2个科技攻关项目，研建IO0kw岸式振荡水柱装置、3OkW摆式装置各一座，其中IO0kw岸式振荡水柱装置发电并入电网，3OkW摆式装置与风能装置并联发电，为岛上居民供电:“十五”期间共投入经费435万元，由中国科学院广州能源研究所研制一座波浪能独立发电系统。

该系统由一个振荡水柱装置和一个振荡浮子装置俘获波浪能，通过具有能量缓冲器的液压系统，波浪能被转换成稳定的液压能。

2005年1月，研究人员在振荡水柱装置对波浪能独立发电系统作了实海况试验，成功地实现了把不稳定的波浪能转化为稳定的电能，其发电频率可控制在(50士2%)Hz，电压控制在370一39Ov之间。

关于波浪能转换的设想极多，其装置千变万化，但通常具有两个部分:第一部分为采集系统，该系统的作用是俘获波浪能:第二部分为转换系统，该系统把俘获的波浪能转换为某种特定形式的机械能或电能。

采集系统的形式有振荡水柱式(OwC)、振荡浮子式(Buoy)、摆式(Pendulum)、鸭式(Duek)、筏式(Raft)、收缩波道式(Tapehan)、蚌式(Clam)等，提高波浪能俘获量的技术有通过波浪绕射或折射的聚波技术，以及通过系统与波浪共振的惯性聚波技术。

转换系统有空气叶轮、低水头水轮机、液压系统、机械系统以及发电机等，提高转换效率的方法有可控叶片、变阻尼、整流、定压等，提高能量质量的方法有能量缓冲和调励磁等。