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
34页1、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
2、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
3、 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
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