1、第八章 波浪能 當(dāng)我們在海邊漫步，總會不自覺地被那奔騰而來、無休 無止的海浪所吸引。人們把波浪比喻成大海的呼吸，殊不 知在這起伏的波浪中蘊藏著巨大的能量資源。 8.1波浪的起因和定義 起因：起因：風(fēng)吹過海面，風(fēng)與海面相互作用，一部分風(fēng)的能量傳給海 水，變成波浪的動能和勢能。 波浪發(fā)生的三種主要過程波浪發(fā)生的三種主要過程 ： n 空氣吹過海水表面，由于粘性作用，對海水施加一個切向力。 而水的表面張力提供一個類似彈簧的恢復(fù)力，使水面上產(chǎn)生一層 微小的漣漪，它是波浪形成的前奏。此時的波稱為表面張力波。 n靠近水表面的湍動的空氣流引起剪切力和壓強的波動。當(dāng)這些 波動與已有的波浪同相位時，波浪進(jìn)一步加強

2、。 n波浪繼續(xù)受風(fēng)的剪切力作用，與風(fēng)共振，從風(fēng)中吸取能量。波 高逐漸加高，波長逐漸加長，最后到達(dá)波瀾壯闊的情況。此時迫 使水面復(fù)原的恢復(fù)力為重力，故稱為重力波。 廣義的波浪的分類： n表面波或漣漪 n重力波 ：風(fēng)浪 、涌浪 、近岸浪。 n海嘯 n慣性重力波 n行星波 風(fēng)浪與涌浪分布示意圖 8.2 波浪的特征和波浪能的功率 波浪的特征包括：波浪的特征包括： n波長 n波高H n周期T n波峰寬度W n海水深度d 理想的波浪簡諧波 波浪能密度波浪能密度 : 垂直于波浪方向的每米寬度所通過的能量速率（功率） 嚴(yán)格的表達(dá)式為 ：kW/m THP 2 mW 32 THg P 22 理想的波浪功率為: 其

3、中: 水的密度 kg/m3 重力加速度 g 9.8m/s2 海浪的隨機性:風(fēng)速、風(fēng)向隨時隨地變化 典型的波浪狀態(tài)：典型的波浪狀態(tài)： 每米寬波峰的平均能量為 : 2 TH P e 2 s kW/m 其中:顯著波高 2 s HH,Te為零上方穿過周期 一個典型的波浪紀(jì)錄。其中，顯著波高Hs=3m，表面的連續(xù)向上 運動用小圓圈示出。在此例中，在150 s內(nèi)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 波浪在深水和淺水中的傳播 n深水波 ：水深1/2波長 ，波速僅與波長有關(guān) 。 速度 ，波長 n淺水波 ：水深1/4波長，波速僅與水深有關(guān) 。 速度

4、 n中等深度波 ： 1/4波長水深1/2波長,波的性質(zhì)將 同時受到水深d和波周期T的影響。 2 V gT 2 2 gT gdV 波浪的運動三種類型波浪的運動三種類型 ： 水面下的波浪：水面下的波浪： 波浪由旋轉(zhuǎn)的水粒子組成。靠近表面時，這些粒子的 旋轉(zhuǎn)半徑與波高相等。到表面下方更深一些時，軌道尺 寸將減小。水粒子的旋轉(zhuǎn)半徑隨著水深呈指數(shù)下降。 海面下水粒子的運動：(a) 淺水波；(b)中等深度波；(c) 深水波 淺水波的運動淺水波的運動 ： 對于世界上大多數(shù)海岸線，近岸海水較淺。由于最下方的 水粒子與海床的摩擦耦合，隨著波浪向岸邊運動，深水波逐 漸釋放能量，最終波浪沖向了海灘。當(dāng)水深小于1/4

5、波長時， 摩擦作用變得非常顯著，能量損失可達(dá)到每米幾瓦。 海岸線附近波浪的折射 波浪的折射：波浪的折射： 波前的一端將首 先到達(dá)淺灘，這部分 波的速度將變慢，波 的方向也將發(fā)生改 變 ，此效應(yīng)稱為波 的折射 。 8.4 波浪能資源 全世界波浪能分布的年平均功率密度kW/m （數(shù)值代表波浪能在離岸深水處的平均值） 中國沿海波浪能資源區(qū)劃圖 8.5 波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù) 從波浪能到用戶電能的轉(zhuǎn)換步驟和主要構(gòu)件 波能轉(zhuǎn)換器的三種模式：波能轉(zhuǎn)換器的三種模式： (a)終結(jié)性模式 :波能轉(zhuǎn)換器的主梁平行于與入射波前。 (b)減緩型模式 :波能轉(zhuǎn)換器的主梁垂直于入射波前。 (c)點吸收型模式 :其主軸垂直于海面，

6、其線形尺度遠(yuǎn)小于 波浪的長度。 波能轉(zhuǎn)換裝置的分類：波能轉(zhuǎn)換裝置的分類： 波能裝置從波浪中吸取能量，將其變成機械運動的動 能或流體的壓力能，然后再將機械能轉(zhuǎn)換成電能。 n壓縮空氣型 n壓縮流體型 n水位差型 n直接轉(zhuǎn)換型 根據(jù)波能裝置采用的不同物理原理 ，波能裝置可分為 四類 ： 波能轉(zhuǎn)換裝置的尺寸、裝置陣列和裝置實施波能轉(zhuǎn)換裝置的尺寸、裝置陣列和裝置實施 n裝置尺寸裝置尺寸 : :波能轉(zhuǎn)換裝置的幾何尺寸是決定其工作性 能和輸出功率大小的關(guān)鍵因素，波能轉(zhuǎn)換裝置的最佳 尺寸取決于該裝置預(yù)定工作的波浪和海洋的特性。 n裝置陣列裝置陣列 : :欲產(chǎn)生大量的電力，需要很多波浪能轉(zhuǎn)換 裝置聯(lián)合工作。單排

7、波能轉(zhuǎn)換器可能是最有效的，如 果裝置之間的距離布置得當(dāng)，那么每臺裝置將通過一 種被成為“相干干涉”的過程比其單獨布置吸收更多 能量。 n裝置實施裝置實施 :安裝裝置；波能攔截裝置；功率轉(zhuǎn)換裝置； 系錨裝置；電能輸出和控制系統(tǒng)；接近和維護(hù)裝置； 回收和取締裝置 。 波能轉(zhuǎn)換裝置的主要結(jié)構(gòu)波能轉(zhuǎn)換裝置的主要結(jié)構(gòu) ： n垂蕩機構(gòu) n搖擺機構(gòu) n垂蕩與搖擺機構(gòu) n柔性氣袋裝置 n振蕩水柱裝置 n聚焦型裝置 波浪能裝置可根據(jù)系留狀態(tài)分為兩大類：波浪能裝置可根據(jù)系留狀態(tài)分為兩大類： n固定式裝置固定式裝置 ：包括岸邊固定式和海底固定式。固定式裝置 具有固定的主梁，容易接近與維護(hù)，顯然比浮子式裝置更容易 建

8、造。缺點是它們一般在淺水岸工作，從而獲得的波能較小。 *而安裝這類裝置的天然區(qū)域是有限的。 n浮動式裝置浮動式裝置 ：包括點頭鴨式、海蚌式和海蛇式 。浮動式裝 置比岸邊固定式可收集更多的能量，因為海洋中的波能密度比 岸邊大的多，并且對安置大量上述裝置陣列限制很小。 岸式裝置與離岸式裝置：岸式裝置與離岸式裝置： 岸式裝置對風(fēng)暴浪的承受能力更強。缺點是比起位于海洋 中的浮動式來得到的波能密度較低。且受地理位置的限制。 離岸式比起岸式來，建造和維護(hù)都比較困難，但它們能收集 更多的能量，因為波浪在深水中比近海的淺水中能量更大。 威爾士空氣渦輪機 Wells空氣渦輪機 目前波能轉(zhuǎn)換裝置最成 熟的技術(shù)，就

9、是在天然或 人造水槽或容器中引入波 浪，產(chǎn)生振蕩水柱，進(jìn)而 造成空氣的壓縮和抽吸， 推動威爾士空氣渦輪機旋 轉(zhuǎn)。 威爾士渦輪機的性質(zhì)：威爾士渦輪機的性質(zhì)： 不管氣流來自何方，氣 機都始終朝一個方向旋轉(zhuǎn)， 從而特別適合于方向反復(fù) 變化的氣流運動 。 Wells渦輪機的矢量圖 Wells空氣渦輪機葉片受力分析：(a) 氣流方向和葉片方向；(b) 相對 空氣速度及升力和阻力；(c) 作用在轉(zhuǎn)動平面上的力 8.6 波浪能裝置的范例 u固定式裝置固定式裝置 TAPCHAN楔形流道示意圖 固定式振蕩水柱裝置 “設(shè)計者引渠”的施工步 驟 完工后的“設(shè)計者引渠”裝置：（a）迎浪面；（b）背浪面。 （a）（b）

10、 擺板式裝置 u浮動式裝置浮動式裝置 巨鯨浮動型OWC裝置 浮動式波能船( (FWPV)FWPV) 海蚌式裝置( (CLAM)CLAM) 點頭鴨式裝置( (DUCK)DUCK) 海蛇裝置 ( (PelamisPelamis or Sea Snake ) or Sea Snake ) 點吸收型波浪能轉(zhuǎn)換器 8.7 世界各國的波能研發(fā)活動 日本日本 :盡管日本的年平均波能只有10KW/m，遠(yuǎn)遜于北大西洋地區(qū)的 50 KW/m。但日本擁有許多著名的波能研究項目，分屬于許多不同的 研究團(tuán)隊。 挪威挪威 :挪威從1978年開始官方的波浪能研究項目，在1985年建成兩 臺岸式裝置：TAPCHAN和岸基OW

11、C。 英國英國 :英國擁有豐富的波浪能資源。英國的波能項目包括“設(shè)計者 引渠”、“點頭鴨”和“海蛇” ，布里斯托圓柱缸(Britol Cylinder)和“搖擺和垂蕩青蛙”(Pitching & Surging FROG)等 。 瑞典瑞典: :已經(jīng)研制并試驗了一種浮子裝置，驅(qū)動固定在海底的管道泵。 印度印度 :已經(jīng)建造了一座OWC沉箱式防波堤裝置，擁有一臺150KW的 Wells透平，在馬德拉斯（Madras）海岸外，進(jìn)一步打算安裝20個模 塊，以獲得總的功率輸出超過1MV。 葡萄牙葡萄牙 :計劃在亞速爾海的Porto Cachorro建造一臺0.3MW的示范型 岸式裝置 ,該裝置將采用OWC

12、和Wells透平，將建在巖石嶙峋的岸邊。 中國中國 :1990年代初，中國科學(xué)院廣州能源研究所在珠海市大萬山島 建成一座岸式OWC型波力示范電站，裝機容量為3 kW。這是中國第一 座試驗波力電站。 英國英國 OSPREY OWC裝置瑞典瑞典管道泵波能轉(zhuǎn)換器 中科院廣州能源研究所20 kW岸式振蕩水柱波能發(fā)電站: (a)外觀；(b)發(fā)電機組 (a)(b) 8.8 波浪發(fā)電的技術(shù)進(jìn)展、經(jīng)濟性、環(huán)境影 響和未來展望 u技術(shù)進(jìn)展：技術(shù)進(jìn)展：過去20年，波能轉(zhuǎn)換技術(shù)得到快速發(fā)展，建造技術(shù)趨于成 熟，能量轉(zhuǎn)換效率成倍增加，特別是多共振振蕩水柱，對稱翼透平和 相位控制技術(shù)的發(fā)展以及后彎管裝置和聚波水庫等技術(shù)的應(yīng)用起到關(guān) 鍵作用。 u經(jīng)濟性經(jīng)濟性 ：波浪發(fā)電站一旦開始建造、組裝、安裝以及與必要的場地 設(shè)施連接，意味著超過上千萬美元的投資。 u環(huán)境影響環(huán)境影響 ：可以部分地取代化石能源，該技術(shù)將減少溫室氣體排放 和大氣污染；可以吸引魚類、海鳥、海豹和海草等 ；在發(fā)電裝置上 采用的防銹油漆，