可再生能源概论 教学课件 ppt 作者 左然 施明恒 第八章波浪能

第八章 波浪能,当我们在海边漫步，总会不自觉地被那奔腾而来、无休 无止的海浪所吸引。人们把波浪比喻成大海的呼吸，殊不 知在这起伏的波浪中蕴藏着巨大的能量资源。,8.1波浪的起因和定义,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。,广义的波浪的分类：,表面波或涟漪 重力波 ：风浪 、涌浪 、近岸浪。 海啸 惯性重力波 行星波,风浪与涌浪分布示意图,8.2 波浪的特征和波浪能的功率,波浪的特征包括：,波长,波高H 周期T 波峰宽度W 海水深度d,理想的波浪简谐波,波浪能密度 : 垂直于波浪方向的每米宽度所通过的能量速率（功率）,严格的表达式为 ：,理想的波浪功率为:,其中: 水的密度 kg/m3 重力加速度 g 9.8m/s2,海浪的随机性:风速、风向随时随地变化 典型的波浪状态：,每米宽波峰的平均能量为 :,kW/m,其中:显著波高,Te为零上方穿过周期,一个典型的波浪纪录。其中，显著波高Hs=3m，表面的连续向上运动用小圆圈示出。在此例中，在150 s内有15次零上方穿越，因此Te=10 s。由此，P(3 2 ×10) / 2 45 kW/m。,8.3 波浪在深水和浅水中的传播,深水波 ：水深1/2波长 ，波速仅与波长有关 。 速度 ，波长 浅水波 ：水深1/4波长，波速仅与水深有关 。 速度 中等深度波 ： 1/4波长水深1/2波长,波的性质将同时受到水深d和波周期T的影响。,波浪的运动三种类型 ：,水面下的波浪： 波浪由旋转的水粒子组成。靠近表面时，这些粒子的旋转半径与波高相等。到表面下方更深一些时，轨道尺寸将减小。水粒子的旋转半径随着水深呈指数下降。,海面下水粒子的运动：(a) 浅水波；(b)中等深度波；(c) 深水波,浅水波的运动 ： 对于世界上大多数海岸线，近岸海水较浅。由于最下方的 水粒子与海床的摩擦耦合，随着波浪向岸边运动，深水波逐 渐释放能量，最终波浪冲向了海滩。当水深小于1/4波长时， 摩擦作用变得非常显著，能量损失可达到每米几瓦。,海岸线附近波浪的折射,波浪的折射： 波前的一端将首 先到达浅滩，这部分 波的速度将变慢，波 的方向也将发生改 变 ，此效应称为波 的折射 。,8.4 波浪能资源,全世界波浪能分布的年平均功率密度kW/m（数值代表波浪能在离岸深水处的平均值）,中国沿海波浪能资源区划图,8.5 波浪能转换技术,从波浪能到用户电能的转换步骤和主要构件,波能转换器的三种模式：,(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。,波能转换装置的分类： 波能装置从波浪中吸取能量，将其变成机械运动的动能或流体的压力能，然后再将机械能转换成电能。,压缩空气型 压缩流体型 水位差型 直接转换型,根据波能装置采用的不同物理原理 ，波能装置可分为四类 ：,波能转换装置的尺寸、装置阵列和装置实施,装置尺寸 :波能转换装置的几何尺寸是决定其工作性能和输出功率大小的关键因素，波能转换装置的最佳尺寸取决于该装置预定工作的波浪和海洋的特性。 装置阵列 :欲产生大量的电力，需要很多波浪能转换装置联合工作。单排波能转换器可能是最有效的，如果装置之间的距离布置得当，那么每台装置将通过一种被成为“相干干涉”的过程比其单独布置吸收更多能量。 装置实施 :安装装置；波能拦截装置；功率转换装置；系锚装置；电能输出和控制系统；接近和维护装置；回收和取缔装置 。,波能转换装置的主要结构 ：,垂荡机构,摇摆机构,垂荡与摇摆机构,柔性气袋装置,振荡水柱装置,聚焦型装置,波浪能装置可根据系留状态分为两大类：,固定式装置 ：包括岸边固定式和海底固定式。固定式装置 具有固定的主梁，容易接近与维护，显然比浮子式装置更容易 建造。缺点是它们一般在浅水岸工作，从而获得的波能较小。*而安装这类装置的天然区域是有限的。,浮动式装置 ：包括点头鸭式、海蚌式和海蛇式 。浮动式装 置比岸边固定式可收集更多的能量，因为海洋中的波能密度比 岸边大的多，并且对安置大量上述装置阵列限制很小。,岸式装置与离岸式装置：,岸式装置对风暴浪的承受能力更强。缺点是比起位于海洋中的浮动式来得到的波能密度较低。且受地理位置的限制。离岸式比起岸式来，建造和维护都比较困难，但它们能收集更多的能量，因为波浪在深水中比近海的浅水中能量更大。,威尔士空气涡轮机,Wells空气涡轮机,目前波能转换装置最成熟的技术，就是在天然或人造水槽或容器中引入波浪，产生振荡水柱，进而造成空气的压缩和抽吸，推动威尔士空气涡轮机旋转。,威尔士涡轮机的性质： 不管气流来自何方，气机都始终朝一个方向旋转，从而特别适合于方向反复 变化的气流运动 。,Wells涡轮机的矢量图,Wells空气涡轮机叶片受力分析：(a) 气流方向和叶片方向；(b) 相对空气速度及升力和阻力；(c) 作用在转动平面上的力,8.6 波浪能装置的范例,固定式装置,TAPCHAN楔形流道示意图,固定式振荡水柱装置,“设计者引渠”的施工步骤,完工后的“设计者引渠”装置：（a）迎浪面；（b）背浪面。,（a）,（b）,摆板式装置,浮动式装置,巨鲸浮动型OWC装置,浮动式波能船(FWPV),海蚌式装置(CLAM),点头鸭式装置(DUCK),海蛇装置 (Pelamis or Sea Snake ),点吸收型波浪能转换器,8.7 世界各国的波能研发活动,日本 :尽管日本的年平均波能只有10KW/m，远逊于北大西洋地区的50 KW/m。但日本拥有许多著名的波能研究项目，分属于许多不同的研究团队。 挪威 :挪威从1978年开始官方的波浪能研究项目，在1985年建成两台岸式装置：TAPCHAN和岸基OWC。 英国 :英国拥有丰富的波浪能资源。英国的波能项目包括“设计者引渠”、“点头鸭”和“海蛇” ，布里斯托圆柱缸(Britol Cylinder)和“摇摆和垂荡青蛙”(Pitching & Surging FROG)等 。 瑞典:已经研制并试验了一种浮子装置，驱动固定在海底的管道泵。 印度 :已经建造了一座OWC沉箱式防波堤装置，拥有一台150KW的Wells透平，在马德拉斯（Madras）海岸外，进一步打算安装20个模块，以获得总的功率输出超过1MV。 葡萄牙 :计划在亚速尔海的Porto Cachorro建造一台0.3MW的示范型岸式装置 ,该装置将采用OWC和Wells透平，将建在岩石嶙峋的岸边。 中国 :1990年代初，中国科学院广州能源研究所在珠海市大万山岛建成一座岸式OWC型波力示范电站，装机容量为3 kW。这是中国第一座试验波力电站。,英国 OSPREY OWC装置,瑞典管道泵波能转换器,中科院广州能源研究所20 kW岸式振荡水柱波能发电站: (a)外观；(b)发电机组,(a),(b),8.8 波浪发电的技术进展、经济性、环境影响和未来展望,技术进展：过去20年，波能转换技术得到快速发展，建造技术趋于成熟，能量转换效率成倍增加，特别是多共振振荡水柱，对称翼透平和相位控制技术的发展以及后弯管装置和聚波水库等技术的应用起到关键作用。 经济性 ：波浪发电站一旦开始建造、组装、安装以及与必要的场地设施连接，意味着超过上千万美元的投资。 环境影响 ：可以部分地取代化石能源，该技术将减少温室气体排放和大气污染；可以吸引鱼类、海鸟、海豹和海草等 ；在发电装置上采用的防锈油漆，油压装置可能会产生漏油，岸式装置的空气涡轮机产生噪音等 ；可能会影响海岸环境 ；可能产生对船只的潜在威胁。 未来展望 ：海洋波浪能是相当可观的可再生能源，对环境的影响很小。然而波浪能利用技术仍停留在初始阶段。许多小型实验装置已经在造波槽和海上进行了试验，也有一些实用型装置正在试运行发电。这些装置或是建在岸边，或是作为防波堤，它们给出了最好的中期的应用波能技术的商业前景。,