波浪发电技术简介

机械式能量转换装置
机械式能量转换装置要求在波浪能的转换过程中，某 一个环节是通过刚体传递能量的。此种能量转换装置 将机械能通过齿轮、杠杆等实现传动和加速。早期的 设计，往往结构比较笨重，不过近些年来涌现出一些 比较成熟的机械设计技术，如日本提出的传动比大、 效率高的滚珠丝杆。
最终转换装置
一般的最终转换是将机械能转化为电能，采用常规的 有适当调节机构的发电机，但由于在海洋环境下，工 况有较大幅度的变化，效率会因此受到影响。
欧洲议会联盟已计划在 2050 年前完成 “阳光能源改革 计划”。这项计划可以概括为减少能源需求量，增加能 源供给的方式，缩减能源供给量，尤其是高碳排放的能 源供给模式，包括：“50 年内减少能源需求量 50%，利 用太阳能提供 40%的能源，利用生物能提供 30%的能源， 利用风力能提供 15%的能源，利用水力能提供 10%的能 源，以及利用石油能提供 5%的能源。”
而能源在使用的过程中伴随产生的温室效应和其他污染 问题也将逐渐影响到我们的生存环境。如此恶劣的能源 环境，使得能源学家不得不重新审视可再生能源，如风 力能、太阳能、水能、地热能与海洋能等的定位，这些 可再生能源的使用量目前仅占世界能源总使用量的 3%， 利用率相对传统能源而言是非常低的。
世界能源格局
中间转换按传动实体的不同可分三种类型：气动式、 水力式、机械式。以下就各类中间转换装置进行分类 分析。
气动式能量转换装置
气动式能量转换装置要求在波浪能的转换过程中，某一 个环节是通过气体传递能量的。日本航标波力装置是典 型的气动式中间转动。转换过程是：空气泵室（即空腔， 将机械能转换为空气能）→整流气阀和气道→气轮机 （将空气能转换为机械能）。
海洋波浪发电研究意义
波浪能比较其他能源有如下优点：
分布最广； 可再生，太阳照射便能产生风能，从而会不断地产生波浪能； 波能流密度最大，最高在某些地方可达到 100kW/m，可利用程
度非常高； 洁净无污染； 有按周期性变化的规律可循，便于实现标准化利用； 以机械能形式出现，是海洋能中品位最高的能量。
受能体为空气，能量转换方式为波能转化为空气能，如振荡 水柱式。
配合受能体完成波能转换另一不可缺少的定体目前这 主要应用的有如下几种类型：（1）锚泊结构；（2） 动力定位；（3）固定结构；（4）深水体；（5）其他 稳定体。
“点头鸭”式波能转换装置
点头鸭式波能转换装置是在 1974 年由 Salter 提出的， 转换效率可接近 90%左右，其名字的由来是因为该装 置的形状和运动特性都类似于鸭的运动。受能体的运 动主要来自于入射波运动产生的动压力和流体静压力， 动压力推动鸭身绕轴线旋转，静压力推动鸭嘴做起伏 运动。因为两种形式的运动是同相位的，因此可将产 生的能量同时传递出去，从而再转换为电能使用。
收缩波道式波能转换装置
优点：装置简单，体积较大，因而可靠性好，功率稳 定且效率高，转换效率在65%～75％之间；
缺点：装置建设对地形要求极高。
振荡水柱式波能转换装置
振荡水柱式波能转换装置是目前世界上最流行的波能 转换装置，该装置受到重视的原因在于可以依靠共振 来加强水柱的运动。共振时入射波与辐射波的联合作 用可以进入水柱内的波浪波高增加，就提高了波能转 换效率。
大部分波浪发电装置都采用透平机、水轮机、永磁直 线电机，也有些装置采用磁流体发电机。随着技术的 不断创新，新型的发电装置也在不断涌现，如利用压 电聚合物实现波能转换电能。
永磁直线电机原理与结构
永磁直线电机
永磁电机的发展是和永磁材料的发展密切相关的。20 世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁相继 问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线 性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而 使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。
波浪能
洋流能
海洋 盐度差能
海洋能及其开发意义
海洋能具备非常好的品性，即可再生性和清洁性，是现 阶段亟待开发利用并十分具有战略意义的新能源。
我国有18000公里的海岸线、300多万平方公里的管辖海 域，海洋能源十分丰富，其中，近海域波浪能的蕴藏量 约为1.5亿千瓦，可开发利用量约3000～3500万千瓦， 海洋风能约有7亿千瓦左右。因此，大力发展海洋新能 源，对于优化我国能源消费结构，支撑经济社会可持续 发展意义重大。
而据统计，占全球 70%的海洋所蕴藏的再生能源总量， 可能远远超过目前全球能源的总消耗量。
海洋能及其开发意义
海洋能指蕴藏于海水中的可再生能源，主要包括海洋 机械能、海洋热能、海洋生物能和海洋盐度差能等， 凡是在与海洋交界的国家均可在领海开发利用海洋能 源。
海洋能
海洋热能
海洋机械能
海洋生物能
潮汐能
振荡水柱式波能转换装置
优点：机组只与空气接触，不与波浪接触，因此波浪 的腐蚀与冲击比起与波浪直接接触的波能装置要小很 多，因此稳定性强，故障率低。
缺点：成本高，不仅材料成本较为昂贵，而且施工也 较为复杂，所需要的机械、人工费用均较高；转换效 率较低，仅为 10%—30%左右
摆式波能转换装置
摆式波能转换装置的原理较为简单，即在波浪推动下， 摆板上下运动产生机械能，然后再经由中间装置传输 到最终转换，转化为电能。
优点：成本较低。
缺点：转换效率不稳定， 在恶劣的海洋环境下，可 靠性较差，易损坏。
整流器式波能转换装置
整流器式波能转换装置，又名Ressell整流器，是由英 国牛津水力研究所研制成功的。通过一组单向阀门， 在波浪涌来时候允许水流进入蓄水池，水流的压力可 维持水轮机装置内部的水轮机运转；当波浪不断涌入， 当内部流体静压力超过波浪产生的压力时，进水阀门 关闭；当内部流体静压力超过外界压力时，排水阀门 打开，集水池内的水会部分排出。如此往复循环，保 持水轮机的运转，不断将波浪能转换为机械能。
波浪发电技术
内容提要
研究背景与意义 波能转换装置简介 永磁直线电机原理与结构 波浪发电系统构建及其仿真
研究背景与意义
世界能源格局
人类对于传统能源的开发，面临着严峻的挑战。现代人 的能源需求大约是以前农业社会的 10 倍，相当于每人 每天 20 公升的石油。现在传统能源的开发费用已经随 着资源的日渐稀少而变得更加昂贵，并且随着人类的不 断消耗，世界主要能源开发期已经屈指可数：石油大约 为 31 年，天然气为 40 年，铀为 48 年，煤为 218 年。
整流器式波能转换装置
优点：装置可靠性高。
缺点：转换效率较低，投资费用过高。因此对于波能 密度较为挑剔，需要比较高的波能密度才能将弥补其 高昂的装置成本。因此，该装置在波能密度高的区域， 如欧洲，可以得到广泛采用，在波能密度低的国家应 用就不太理想。
振荡浮子式波能转换装置
振荡浮子式波能转换装置是一种较为新型的波能转换 装置，是在振荡水柱式装置的基础上发展起来的。振 荡浮子式装置由浮子、连杆、液压传动机构、发电机 和保护装置等几部分组成，通过浮子吸收波浪能，产 生起伏运动，再通过中间装置传输能量，最终驱动电 机进行发电。振荡浮子式波能转换装置的受能体与定 体都非常典型，都是利用二者的相对运动来进行波浪 能的采集的。
波浪能的这些优点意味着：波浪能相对其他海洋能源， 利用更加方便，装置可以更加小巧廉价，可以为沿海地 区、海洋平台和远海领域的提供能源。
波能转换装置简介
波能转换装置有多种形式，但总体可以分为三级环节来 分别进行分析，如下图所示。第一级转换是与波浪能直 接接触的，其作用是将波浪能转换为实体所持有的能量， 通常表现为随波浪进行起伏运动的机械能。第三级转换 即最终转换，是将传递来的机械能转换为电能的装置， 通常为发电机，比较新型的技术还有压电发电装置等， 传递出去的电能经过一定转换可以直接进入电网，供最 终用户使用。
海洋波浪发电研究意义
因为太阳辐射的不均匀加热与地壳冷却及地球自转造成 风，风吹过海面又形成波浪，因此海洋波浪是由太阳能 源转换而成的，波浪所产生的能量与风速成一定的比例。 波浪能是近期在海洋能源利用中研究最多的能源形式， 因为其是海洋能蕴藏最为丰富的能源之一，随着人类不 断的研究与试验，波浪能的利用也慢慢走向了商业化的 道路。
世界波浪能储备情况
波浪能，作为海洋能源的重要组成之一，在海洋中的分 布非常不均匀。因为波浪是由海面上风的作用引起的， 因此在暴风巨浪中，波浪能达到 1000kW/m；而在平静 海面，只有 0.001kW/m。
一般认为北大西洋的波浪功率较高，可达80~90kW/m， 而封闭的海域，如地中海只有 3kW/m。太平洋西岸，如 日本海域有 50kW/m。
世界波浪能储备情况
我国地处亚欧大陆与太平洋相临的地带，领海多属于封 闭、半封闭的边缘海。海域相对封闭，风力较小，因此 波浪能蕴藏量不大，且带有显著的季节变化及突然变化 的特点。沿岸波浪能密度以渤海海峡、福建海坛岛以北、 浙江中部、台湾为高。这些海区平均波高大于 1m，周 期一般大于 5s，是我国可利用波浪能资源较为丰富的海 域。
振荡浮子式波能转换装置的优点是：一、容易建造， 它几乎没有水下混凝土，大大降低了建造难度、建造 成本；二、装置转化效率高；三、多是采用岸式装置， 避免了能量输送以及装置系泊的问题，从而节约成本 提高效率。正是基于以上优点，使振荡浮子式波能转 换装置有望发展成为实用化的波能装置。
中间转换装置
中间转换在波浪发电系统中是必不可少的，它主要起 到了稳向、增速和稳速的作用。另外在一些系统中第 一级转换装置和最终转换装置之间是有一定距离的， 因此就要求中间转换装置起到能量传输的作用。
对原理图的描述，可以通 过引入能量转换装置
第一级转换装置
第一级转换装置，受能体的不同类型使得能量转换的 方式也不同，可以分为如下三类：
受能体为刚体，能量转换方式为波能转化为机械能，如振荡 浮子式、摆式、点头鸭式以及波面筏式；
受能体为水体，能量转换方式为波能转化为动能跟势能，如 收缩波道式（即聚波水库）；
气动式能量转换装置的优点是：发电部分不与海水直接 接触，因此波浪的腐蚀与冲击比起与波浪直接接触的波 能装置要小很多，装置的抗冲击性与搞腐蚀性较好。
缺点是：因为气流在一个周期内需要两次转向，经历两 个速度为零的点，而空气透平在这种变工况状态下转换 效率会偏低，该装置的能量转换效率通常只有 10%‐30%。
水力式能量转换装置Hale Waihona Puke Baidu
水力式能量转换装置要求在波浪能的转换过程中，某 一个环节是通过液体传递能量的，浮子吸收的波浪能 通过液压装置转换为液压能，最后转换为可应用的电 能等。水力式能量转换装置的主要作用就是利用液压 系统将机械运动增速、传动和调节。点头鸭式和波面 筏式波能转换装置的中间转换，都采用水力式中间转 换。它的一般转换程序是：泵（将机械能转换为水能） →传输管道→水轮机或液压马达（将水能转换为机械 能）。
“点头鸭”式波能转换装置
优点：转换效率较高，调 节鸭身质心可以使其自有 频率与波浪运动频率相同 或者接近从而形成共振， 可以达到最大的转换效率；
缺点：装备复杂从而造成 可靠性较差，尤其在恶劣 的海洋环境下，装置极易 损坏。
收缩波道式波能转换装置
收缩波道式波能转换装置最早由挪威特隆赫姆大学的 Falnes和Budal提出，是根据聚波理论提出的一种波能 转换装置。收缩波道式波能装置是由高位水库和一个 渐收的波道组成的。收缩坡道的聚波作用，是由其坡 道两侧的对数螺旋正交曲面形成的，两侧坡道在高位 水库内相接，聚波作用使得进入收缩波道的波浪波高 增大，从而越过混凝土墙进入高位水库，再运用位能 通过水轮发电机组发电。
右图中的物体1与物体2，分别称为 受能体和定体。受能体直接接受从 波浪中传递来的能量；定体相对固 定，通过与受能体形成相对运动或 位差而产生能量。受能体和定体是 波能转换装置必不可少的两部分， 它们的组合实现波能的转换。受能 体和定体还可以根据装置的不同有 各种各样的形式。
除了第一级转换与最终转换，中间转换并不是必不可少的， 它在波浪转换装置中主要起稳向、增速和稳速的作用。另 外有时第一级转换和最终转换装置是有一定距离的，因此 就要求中间转换装置起到传输能量的作用。是否与后面重 复