摘要:波浪能是一种清洁无污染、蕴藏量丰富的可再生新能源。随着可再生能源开发的日益加强, 世界各国政府对波浪能的开发也越来越予以重视, 波浪能开发的各项技术已不断取得突破。介绍了波浪能发电技术的基本原理, 特别是其能量转换系统作了全面介绍, 综述了国 内外波力发电技术的现状, 分析了波力发电研究的未来发展趋势, 指出了波力发电对于我国未来的能源发展战略具有十分重要的意义。 关键词:波浪能; 波力发电; 波能装置; 现状及发展趋势
前言：
随着社会对能源需求的日益增长, 作为主要能源来源的煤炭、石油、天然气等非可再生资源渐趋枯竭, 二氧化碳排放量过高所带来的 温室效应! 和对环境的破坏所产生的负面影响日趋严重。目前, 世界各国都在积极进行着洁净可再生能源的开发与利用工作
新能源的开发与利用已成为当今社会重大研究课题。在我国, 新能源主要指太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能及其他可再生能源。海洋能是海水中蕴藏的巨大可再生自然能源的总称, 它包括潮汐能、波浪能、海流能(潮流能) 、海水温差能和海水盐差能。更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。
波浪能是海洋能的一种, 是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎浪面的宽度成正比. 它是海洋中蕴藏最为丰富的能源之一, 也是海洋能利用研究中近期研究得较多的海洋能源之一。波力发电作为波浪能利用的主要方式, 其
研究始于一百多年前, 当1955年第一台波力发电机组诞生后, 很多专家都致力于这项工作的深入研究。波力发电可以为边远海岛和海上设施等提供清洁能源。其开发利用已趋于成熟, 正在进入或接近于商业化发展阶段, 将向大规模和独立稳定发电发展方向发展。现主要针对波力发电基本原理, 特别是其能量转换系统, 国内外波力发电现状以及趋势作出全面的阐述。
1. 波力发电基本原理
经过70年代对多种波能装置进行的实验室研究和80年代进行的实海况试验及应用示范研究, 波浪发电技术已逐步接近实用化水平, 研究的重点也集中于三种被认为是有商业化价值的装置:振荡水柱式波能装置、摆式波能装置和聚波储能式能装置。前两种分别利用海面波浪的上下运动及利用波浪装置随波摆动或转动, 产生空气流或水流使涡轮机转动; 第三种则是将低压大波浪变成小体积高压水, 引入高位水池积蓄后形成水头, 冲击水轮机。以下分别介绍上述三种装置的能量转换原理及过程。
2. 振荡水柱波能装置
振荡水柱式又称为空气透平式波能装置, 世界上大多数的波能电站都是振荡水柱式的。它们具有良好的波能转换性能及防腐性能。对地形的依赖性小。且其设计方法和建造技术也发展得最为成熟。
振荡水柱式波浪发电的原理主要是将波力转换为压缩空气来驱动空气透平发电机发电。振荡水柱波能装置可分为漂浮式和固定式两种。目前已建成的振荡水柱波能装置都利用空气作为转换的介质。其一级
能量转换机构为气室, 二级能量转换机构为空气透平。气室的下部开口在水下与海水连通, 气室的上部也开口(喷嘴), 与大气连通。在波浪力的作用下, 气室下部的水柱在气室内作强迫振动, 压缩气室的空气往复通过喷嘴, 将波浪能转换成空气的压能和动能。在喷嘴安装一个空气透平并将透平转轴与发电机相连, 则可利用压缩气流驱动透平旋转并带动发电机发电。
2.1摆式波能装置
摆式波能装置也可分为漂浮式和固定式两种。摆体是摆式装置的一级能量转换机构。在波浪的作用下, 摆体作前后或上下摆动, 将波浪能转换成摆轴的动能。与摆轴相联的通常是液压装置, 它将摆的动能转换成液力泵的动能, 再带动发电机发电。摆体的运动很适合波浪大推力和低频的特性。因此, 摆式装置的转换效率较高, 但机械和液压机构的维护较为困难。摆式装置的另一优点是可以方便地与相位控制技术相结合。相位控制技术可以使波能装置吸收到装置迎波宽度以外的波浪能, 从而大大提高装置的效率。
2.21聚波储能装置
聚波储能装置利用喇叭型的收缩波道, 作为一级能量转换机构。波道与海连通的一面开口宽, 然后逐渐收缩通至贮水库。波浪在逐渐变窄的波道中, 波高不断地被放大, 直至波峰溢过边墙, 将波浪能转换成势能贮存在贮水库中。收缩波道具有聚波器和转能器的双重作用。水库与外海间的水头落差可达3~8m,利用水轮发电机组可以发电。聚波水库装置的优点是一级转换没有活动部件, 可靠性好, 维护费用低, 系
统出力稳定。不足之处是电站建造对地形有要求, 不易推广。
总之, 我国波力发电虽起步较晚, 但在国家科技攻关、 863!计划支持下, 经过近30年的研究, 取得了较快的发展和较大的进步。微型波力发电技术已经成熟, 并已商品化; 小型岸式波力发电技术已进入世界先进行列, 与国际领先水平的差距不大。在波浪能发电规模方面, 世界上已从102kW,103kW 级发展到104kW 级的应用, 而我国目前仍停留在10kW,102kW 级的水平上, 至2020年的远景目标也只是发展到102kW~103kW级的波力电站, 波浪能开发的规模远小于挪威、英国等, 因此小型波浪发电距实用大规模应用有一定距离。
3. 波力发电的发展趋势
综上所述, 在过去近30年中, 波力发电技术得到快速发展, 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, 波力发电正稳步向商业化应用发展。然而, 波力发电的关键技术包括:波力发电装置的波浪载荷及在海洋环境中的生存技术, 装置建造和施工中的海洋工程技术, 不规则波浪中的发电装置的设计与运行优化, 往复流动中的透平研究, 及其稳定发电技术和独立发电技术等。到目前为止, 涉及相关方面的研究, 特别是国内的研究仍然太少, 应当加强。另外, 有关降低波力发电成本及其综合利用方面的研究, 出于竞争, 还应进一步改进。
此外, 应进一步研究和重视以下几个方面的研究和试验。
(1)系泊系统及基础研究;(2)新颖的发电设备控制系统研究[21]
;
(3)进行大比例试验研究;
(4)对新型海洋能源发电技术的经济、环境和社会效应的整体分析。 我国拥有着2万多公里长的海岸线, 其中蕴藏着大量的波浪动力资源, 据估计可开发利用约3000~4000万kW 的电能。因此我国未来战略应当在小型航标灯用波力发电装置具有良好开端的基础上, 重点发展百千瓦级波力发电机组并使其达到设备的产业化。鉴于我国能源长期发展战略和技术储备, 以及为常规能源难以达到的特殊场合提供能源和综合利用的角度来看, 加大和加快波力发电装置的开发研究具有重要的现实和战略意义。
摘要:波浪能是一种清洁无污染、蕴藏量丰富的可再生新能源。随着可再生能源开发的日益加强, 世界各国政府对波浪能的开发也越来越予以重视, 波浪能开发的各项技术已不断取得突破。介绍了波浪能发电技术的基本原理, 特别是其能量转换系统作了全面介绍, 综述了国 内外波力发电技术的现状, 分析了波力发电研究的未来发展趋势, 指出了波力发电对于我国未来的能源发展战略具有十分重要的意义。 关键词:波浪能; 波力发电; 波能装置; 现状及发展趋势
前言：
随着社会对能源需求的日益增长, 作为主要能源来源的煤炭、石油、天然气等非可再生资源渐趋枯竭, 二氧化碳排放量过高所带来的 温室效应! 和对环境的破坏所产生的负面影响日趋严重。目前, 世界各国都在积极进行着洁净可再生能源的开发与利用工作
新能源的开发与利用已成为当今社会重大研究课题。在我国, 新能源主要指太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能及其他可再生能源。海洋能是海水中蕴藏的巨大可再生自然能源的总称, 它包括潮汐能、波浪能、海流能(潮流能) 、海水温差能和海水盐差能。更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。
波浪能是海洋能的一种, 是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎浪面的宽度成正比. 它是海洋中蕴藏最为丰富的能源之一, 也是海洋能利用研究中近期研究得较多的海洋能源之一。波力发电作为波浪能利用的主要方式, 其
研究始于一百多年前, 当1955年第一台波力发电机组诞生后, 很多专家都致力于这项工作的深入研究。波力发电可以为边远海岛和海上设施等提供清洁能源。其开发利用已趋于成熟, 正在进入或接近于商业化发展阶段, 将向大规模和独立稳定发电发展方向发展。现主要针对波力发电基本原理, 特别是其能量转换系统, 国内外波力发电现状以及趋势作出全面的阐述。
1. 波力发电基本原理
经过70年代对多种波能装置进行的实验室研究和80年代进行的实海况试验及应用示范研究, 波浪发电技术已逐步接近实用化水平, 研究的重点也集中于三种被认为是有商业化价值的装置:振荡水柱式波能装置、摆式波能装置和聚波储能式能装置。前两种分别利用海面波浪的上下运动及利用波浪装置随波摆动或转动, 产生空气流或水流使涡轮机转动; 第三种则是将低压大波浪变成小体积高压水, 引入高位水池积蓄后形成水头, 冲击水轮机。以下分别介绍上述三种装置的能量转换原理及过程。
2. 振荡水柱波能装置
振荡水柱式又称为空气透平式波能装置, 世界上大多数的波能电站都是振荡水柱式的。它们具有良好的波能转换性能及防腐性能。对地形的依赖性小。且其设计方法和建造技术也发展得最为成熟。
振荡水柱式波浪发电的原理主要是将波力转换为压缩空气来驱动空气透平发电机发电。振荡水柱波能装置可分为漂浮式和固定式两种。目前已建成的振荡水柱波能装置都利用空气作为转换的介质。其一级
能量转换机构为气室, 二级能量转换机构为空气透平。气室的下部开口在水下与海水连通, 气室的上部也开口(喷嘴), 与大气连通。在波浪力的作用下, 气室下部的水柱在气室内作强迫振动, 压缩气室的空气往复通过喷嘴, 将波浪能转换成空气的压能和动能。在喷嘴安装一个空气透平并将透平转轴与发电机相连, 则可利用压缩气流驱动透平旋转并带动发电机发电。
2.1摆式波能装置
摆式波能装置也可分为漂浮式和固定式两种。摆体是摆式装置的一级能量转换机构。在波浪的作用下, 摆体作前后或上下摆动, 将波浪能转换成摆轴的动能。与摆轴相联的通常是液压装置, 它将摆的动能转换成液力泵的动能, 再带动发电机发电。摆体的运动很适合波浪大推力和低频的特性。因此, 摆式装置的转换效率较高, 但机械和液压机构的维护较为困难。摆式装置的另一优点是可以方便地与相位控制技术相结合。相位控制技术可以使波能装置吸收到装置迎波宽度以外的波浪能, 从而大大提高装置的效率。
2.21聚波储能装置
聚波储能装置利用喇叭型的收缩波道, 作为一级能量转换机构。波道与海连通的一面开口宽, 然后逐渐收缩通至贮水库。波浪在逐渐变窄的波道中, 波高不断地被放大, 直至波峰溢过边墙, 将波浪能转换成势能贮存在贮水库中。收缩波道具有聚波器和转能器的双重作用。水库与外海间的水头落差可达3~8m,利用水轮发电机组可以发电。聚波水库装置的优点是一级转换没有活动部件, 可靠性好, 维护费用低, 系
统出力稳定。不足之处是电站建造对地形有要求, 不易推广。
总之, 我国波力发电虽起步较晚, 但在国家科技攻关、 863!计划支持下, 经过近30年的研究, 取得了较快的发展和较大的进步。微型波力发电技术已经成熟, 并已商品化; 小型岸式波力发电技术已进入世界先进行列, 与国际领先水平的差距不大。在波浪能发电规模方面, 世界上已从102kW,103kW 级发展到104kW 级的应用, 而我国目前仍停留在10kW,102kW 级的水平上, 至2020年的远景目标也只是发展到102kW~103kW级的波力电站, 波浪能开发的规模远小于挪威、英国等, 因此小型波浪发电距实用大规模应用有一定距离。
3. 波力发电的发展趋势
综上所述, 在过去近30年中, 波力发电技术得到快速发展, 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, 波力发电正稳步向商业化应用发展。然而, 波力发电的关键技术包括:波力发电装置的波浪载荷及在海洋环境中的生存技术, 装置建造和施工中的海洋工程技术, 不规则波浪中的发电装置的设计与运行优化, 往复流动中的透平研究, 及其稳定发电技术和独立发电技术等。到目前为止, 涉及相关方面的研究, 特别是国内的研究仍然太少, 应当加强。另外, 有关降低波力发电成本及其综合利用方面的研究, 出于竞争, 还应进一步改进。
此外, 应进一步研究和重视以下几个方面的研究和试验。
(1)系泊系统及基础研究;(2)新颖的发电设备控制系统研究[21]
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(3)进行大比例试验研究;
(4)对新型海洋能源发电技术的经济、环境和社会效应的整体分析。 我国拥有着2万多公里长的海岸线, 其中蕴藏着大量的波浪动力资源, 据估计可开发利用约3000~4000万kW 的电能。因此我国未来战略应当在小型航标灯用波力发电装置具有良好开端的基础上, 重点发展百千瓦级波力发电机组并使其达到设备的产业化。鉴于我国能源长期发展战略和技术储备, 以及为常规能源难以达到的特殊场合提供能源和综合利用的角度来看, 加大和加快波力发电装置的开发研究具有重要的现实和战略意义。