新能源发电技术：波浪能发电原理与应用

新能源发电技术：波浪能发电原理与应用

波浪能发电技术是新能源发电领域的重要组成部分，它利用海洋波浪的能量进行发电，具有能量密度高、潜在能源总量大、无污染、可再生等优点。本文将详细介绍波浪能发电技术的基本原理、历史发展、技术形式以及相关应用实例。

波浪能概述

1. 波浪能成因

主要原因：海风吹过海面时，形成波浪，此时，风能被转化为海水动能，并以波浪形式表现。其他原因：包括天体引力、海底地震、大气压力变化等因素，都会引起海水的波动

• 天体引力
• 海底地震
• 大气压力变化

2. 波浪能发展历史

• 1910年：波契克斯·普莱西克建造了第一座振荡水柱式波浪能发电装置
• 1964年：英国教授索尔特发明了“鸭式”波浪能发电装置
• 1970年：英国建造功率75kW的振荡水柱式波浪能电站
• 1992年：上述电站改建为500kW岸式波浪能电站
• 2000年：日本室兰测试点实测海洋功率谱

3. 我国波浪能资源

我国海岸线长达两万多公里，可供开发和利用的波浪能资源极其丰富。

波浪能发电原理

波浪能发电技术发电量受环境的影响较大，波浪能量的收集难度较大，极不稳定。

1. 海洋波浪的形成机理及性质

• 吹拂海面的风形成一个水面切线压力，从而产生波浪并持续增强。
• 大气湍流产生压力和剪应力波动，若剪应力波动于波浪相同，则产生更多的波浪。
• 表面张力波
• 引力波
• 惯性波
• 重力波

2. 波浪能吸收原理

设计一个合适的机械系统，可以吸收海浪中的大部分能量，即可以利用波浪能驱动一个机械系统。

共振：当激励频率与系统的固有频率相同时，质量块的振动最为剧烈，达到最大振幅，阻尼器吸收的能量也为最大。当波浪频率与波浪能吸收装置的固有频率相同时发生共振，波浪能吸收装置的能量转换效率最高。

3. 波浪功率的计算

• 第n个波浪的功率：

• 其中：

• 代入、并叠加求和。

• 功率谱的经验拟合算法：

• 能量谱方程：

• 波浪总功率：

• 代入，得：

• 可以发现：波浪总功率与有效波高的平方和有效波周期成正比。

4. 波浪能发电系统

波浪能吸收装置能量集中装置发电装置电能吸收波浪动能集中能量吸收器收集的能量，推动发电机转子高速旋转自动化控制设备

波浪能发电技术形式

目前主流的波浪能发电技术形式：

1. 振荡水柱式（OWC、空气涡轮式发电装置）

• 原理：利用波浪驱动气室内的水柱往复运动，再通过水柱推动气室内的空气进入空气叶轮机旋转，得到旋转动能，进而推动发电装置进行发电。
• 应用实例：
• 苏格兰艾拉岛OWC发电装置：1990年建造75kW，世界第一台振荡水柱式波浪能电站
• LIMPET500：2000年由上述电站改建，岸式振荡水柱式波浪能发电装置，功率500kW，电力可供400户居民使用

2. 振荡浮子式波浪能发电装置

• 原理：利用波浪推动装置的活动部分的往复运动，推动机械系统或液压系统，转换为发电机转子的动能，并最终转换为电能。
• 不同的浮子设计：
• 鸭式：工作状态下，表层波浪的冲击力大于内部水的冲击力，使得鸭体产生一上一下的“点头”动作，鸭体的起伏摇摆带动连杆，推动液压缸内的传动油，将运动传递给液压马达旋转，再带动发电机发电。
• 摆式：波浪进入水室后，由于后墙的阻挡和反射作用，产生两个方向相反的波浪，摆板在海水推动下进行往复摆动，带动液压系统和液压泵，将能量传至发电机发电。
• �筏式：“海蛇”（Pelamis）号筏式波浪能发电系统，铰链内液压系统

3. 越浪式波浪能发电装置

• 原理：利用人造或自然形成的水池，将传播至水池的波浪聚集于坡道，海水越过坡道后进入蓄水池，在重力作用下，水的势能转换为动能，最后利用低水头轴流式涡轮发电机，实现动能向电能的转换。
• 结构示意图：丹麦开发主体的结构由两个引浪坡道和混凝土结构的水池组成。

参考文献

1. 《新能源发电技术》
2. 《波浪能发电技术研究进展》
3. 《海洋能利用技术》