波浪能资源整理背景

所有背景整理：1.1.1能源发展趋势全球的不可再生能源是有限的如:石油、煤炭、天然气等。据统计，随着不可再生能源(传统能源)被人类不断地消耗，不可再生能源的开发已经屈指可数。按照目前全人类对能源的消耗速率和增长速度计算:全球的煤炭储量只能够使用约200年;全球的石油储量只能够使用约45年;全球的天然气储量只能够使用约50年「1-3]。传统能源使用过程中伴随着污染与开发费用越来越高的问题，人们不得不开始重视可再生能源的开发和利用。可再生能源指的是在自然界中能够不断再生，并有规律的得到补充或者能够重复利用的能源，如:风能，太阳能，水能，地热能，海洋能等「al。目前这些可再生能源的利用率仅占世界能源利用的3%Csl，远远低于人类对传统能源的利用率，这其中就属海洋能的利用率最低。海洋中蕴藏着很多种可再生的能源，主要有波浪能、潮汐能、温差能以及盐差能等。这些能量统称为海洋能，其中又以波浪能为最主要形式。根据联合国教科文组织在1981年出版的《海洋能开发》估计，全世界的海洋能理论上功率约为7.66x1010kW}''。即使只能开发出其中一小部分，也可以解决当下能源紧缺的问题。虽然全球具有如此巨大的海洋能源，由于各种条件的限制并不是全部都能够为人类所开发利用。表1.1中为世界范围内海洋各种能源的理论估算值、技术可利用值、实际可开发利用功率值。由表1.1表明，虽然波浪能的理论储存值是最少的，但是其实际可开发量却是最多的，其可开发利用率高达10%，故波浪能发电装置的研究就是一项紧迫和必须的任务。其中对于波浪能源，国际能源组织(工EA)1994公布的报告预测「8]:波浪能如果能够充分开发，最终可提供目前全球电力需要的10%左右，估计为2x109-}-3x10KW从我国海洋能源资源来看，海洋能资源非常丰富，而且开发利用的前景广阔。如果将我国的海洋能资源完全变为能够利用的电能，至少可达1.5xlOBkW，相当于我国目前电力总装机容量的两倍多「10j。我国具有丰富的海洋能，其中波浪能量对比情况(见图1.2，波浪能仅占其10.5%，虽然占有率很低，但是仅仅只要开发其百分之一，其数量也是相当可观的。像我国这样，能源需求量的很大国家对于开发新能源的需求是很紧迫的。在这样的情况下，大力开发和利用波浪能，尤其是在我国能源消耗比较严重，经济发展高速的东部沿海地区。此地区与海洋相接，蕴藏着巨大地海洋能源，对于缓解我国能源消耗，支撑社会经济可持续发展具有重大意义。综上所述，世界波浪能资源分布和我国波浪能资源分布，表明可开发和利用波浪能具有很大潜力。我国波浪能资源各省分布表明，福建沿海，海岸线曲折，突出的半岛、山甲角众多，沿岸岛屿连绵不断，其为基岩海岸，波浪较大，因此福建省沿岸也是波浪能资源蕴藏丰富、波浪能密度高的海域。故福建近海域是开发利用优越场所之一，所以本文研究波浪能发电装置的振荡浮子是针对厦门海域。1.2.4振荡浮子式波浪能发电装置振荡浮子式波浪能发电装置是一种典型的波浪能发电装置。它是在振荡水柱式空气透平式波能发电装置的基础上发展起来的。该装置的工作原理图如图1.5所示，第一级能量采集，在波浪中运动的浮子进行对波浪能量的采集，完成波浪能到机械能的转化;第二级能量传递，通过中间系统把浮子采集一转化(波浪能一机械能)后的能量传递到发电系统;第三级能量发电，把传递过来的机械能转化为电能，供用户使用。振荡浮子式波浪能发电装置在欧洲被称为第三代装置。因为第一级能量采集装置一浮子是以与波浪直接接触的方式来采集波浪能，因此装置的第一级能量的转换效率较之前的波能发电装置的效率要高。故其整个装置的转换效率也较之前装置的转换效率有所提高。例如:一般的波浪能发电装置(振荡水柱式波能转换装置)的转换效率在10%-30%，振荡浮子式转换装置转换效率能达到46%以上「2‘，22」。2007年华南理工大学，勾艳芬、叶家玮等人对阵列振荡浮子式波能转换试验装置做了实验研究。此装置采用球型浮子捕获波浪能，在对浮子实施相位控制后系统总效率将达到40%左右。2008年华南理工大学，勾艳芬、叶家玮等人对振荡浮子式简易波能转换装置进行了模型试验，此试验模型直接将浮子俘获的机械能转换成电能，与一般振荡浮子式波能发电装置相比少了中间能量传递系统，能够减少能量损失，提高波浪能利用率。2012年中国海洋大学，高人杰等人在规则波下对四种简单浮子形状进行了模拟，获得了一种捕获波浪能最多浮子形状。综上所述，国内外对于振荡浮子式发电装置虽然有较为全面的研究，但是对较多结构形式的振荡浮子的水动力学以及捕获波浪能效率更为详细的对比研究分析并不是太多。基于此，本文对多种不同结构形式的浮子进行更为深入的水动力学以及捕获波浪能的效率进行研究，并对其进行详细的对比性分析，进而选择最佳的浮子结构形式。二波浪能以其储量大、无污染、可重复开发利用的优点，成为国内外海洋能开发利用研究的热点。深入研究开发适合我国特定海域的波浪能转换装置，对解决我国部分区域的用电问题具有重要意义。单浮子式波浪能发电装置是基于海洋结构物垂荡运动设计而成，具有结构简单、适应性强、转换效率较高、可靠度好等优点。本文以浮子式波能发电装置的工程应用研究为背景，采用模型试验与数值模拟相结合的方法对整个波能发电系统进行研究。随着经济的飞跃发展和人类社会的不断进步，全球对能源需求的增加和石化能源的逐渐枯竭之间的矛盾越来越突出，尤其是二十世纪七十年代出现的能源危机，使各国意识到能源问题将是抑制国民经济发展和社会进步的重要因素。为了解决能源问题在社会发展中的瓶颈问题，寻求可以循环利用的可再生资源已经成为整个人类寻求发展的共识。而海洋覆盖全球面积的70%，且海洋中蕴涵着巨大的能量，使之成为各国的关注焦点和研究热门。众所周知，海洋是世界上最大的风能吸收器，它通过各种各样的物理过程吸收、转化、存储和散发能量，通常这些能量以波浪能、潮汐能、温差能、盐度梯度能等形式存储于海洋之中。海洋能以其存量大、可再生、无污染等优点成为近十几年国内外研究开发的首选。挪威FugroOCEANORAS公司在2008年3月份公布了全球年度波浪能源密度分布图[U]如下所示。现存的波能发电装置大多效率低、使用范围较窄，只能为海岛和海上设施进行供电或者为航标灯、海上浮标进行供电，很难得到推广。其中岸式波浪能装置以其独特的优点成为佼佼者，如中国的大万山波能发电站和汕尾波能发电站都获得了较好的发电效果。鉴于波浪能发电关键技术的不成熟和发电成本难以与常规能源相媲美，可以预测随着某些关键技术的逐步解决，波浪能将必定改变世界能源结构，成为人类赖以生存和值得依赖的新能源，因此各国研究机构都在投入大量的人力、物力进行研究，本课题就是依托国家海洋局“海洋可再生能源专项资金支持项目—恶劣海况下自保护式高效稳定波浪发电装置”开展而来。波浪发电装置虽然种类繁多，但其工作原理不外乎以下几种:主要有利用物体或浮体在波浪作用下的振荡和摇摆运动做功;利用波浪压力的变化驱动机械结构产生相对运动;利用波浪的沿斜坡的爬升将波浪动能转换成水流的势能进而推动水轮机的运转等等。纵览国内外波浪能发电装置，按照离岸的距离远近可以分为:岸基式波能发电装置、近岸式波能发电装置和海上波能发电装置;按照固定方式可分为:锚泊固定式、桩基安装式和漂浮浮体式;按照波能转换方式可以分为:液压式、空气式、压电式和直线电机式;按照波能吸收方式装置可以分为:振荡水柱式、振荡浮子式、越浪式和收缩波道式等。经过二十世纪七十年代的实验室模型试验和八十年代的模范示范工程演示，波浪能发电装置正在逐步走向规模化和商品化，下面将介绍几种典型的波浪能发电装置并作出对比分析。PowerBuoy点吸收式波力发电站[6]由美国的OceanPowerTechnology(OPT)公司研制而成，该装置由上端布置一圆盘状的浮筒、一个淹没在海水中的圆柱浮体和一个风筒组成。圆柱体的两端分别与圆盘状浮体、风筒相连接，设计风筒的作用是为了增加装置的惯性。通过机械动力系统将两结构之间的相对升降运动动能转化为电能。组装完工后和海底安装效果如图1.4所示。振荡浮子式波能转换装置((FloatTypeWaveGenerationSystem)是由日本人设计的一种简易的漂浮式波能吸收装置。该装置由一个漂浮体和平衡体通过滑轮固定于置于水面之上组成。其优点是可以吸收不同方向的入射波。试验结果表明，对于周期为2}3秒，波高为0.15米左右的波浪，吸收的波能随着波浪入射角增大而减小，但该研究的理论计算和试验分析均做了理想化假设，与实际海况差距较大。Hadano&Taneura}'}对上述装置做了进一步研究，提出了计算该装置波能吸收的动力学计算公式，与试验结果的对比较为符合。三目前，世界各国对能源的需求不断增加，而能源储量却日益减少，同时大量化石能源的使用又引发了严重的环境污染问题，这些问题己经成为阻碍人类社会向前发展的重大障碍。为有效地解决上述问题，需要增加开发可再生能源的力度。波浪能作为一种清洁、无污染能源，它具有能量品质好、能流密度大、成本低廉、分布广泛等优点。现今，许多沿海国家都在积极开发波浪能，并结合当地实际情况、基于不同理念，设计了大量形式、功能各异的波浪发电装置。波浪属于一种随机波，其空间分布复杂、传播速度慢、且存在往复运动，大多数波浪发电装置的转换效率通常较低，为提高波浪发电装置的转换效率，装置的结构设计往往过于复杂，这又容易出现输出不稳定、系统故障率升高等的问题，而且也大大增加了装置的建造成本。批量制造波浪能发电装置是降低成本最有力的手段，然而这一切必须建立在装置的低成本和高效率基础之上。总之，若要实现波浪能发电装置的产业化就必须在提高波浪能转换效率的同时尽量简化装置的结构，从而达到降低发电成本的目的。(2)点吸收技术点吸收技术(PointAbsorber)或称为振荡浮子式波浪能发电技术[[5]，早期由欧美及日本等国研发，日本最先制作出了样机，随后美国进行了改进并投入使用。我国学者也曾设计过一种点吸收式波浪发电装置，中科院广州能源所依照设计方案成功制作出了实验样机，并对其进行了大量的实验分析。振荡浮子式波浪发电装置依靠浮子随波浪的上下浮动吸收波浪能，由于单个浮子较小，通常将若干浮子按一定顺序布置，以增加吸收的波能量，浮子通过绳索直接与直线发电机相连，直线电机动子随浮子上下运动，同时驱动发电机发电[[G]。振荡浮子式发电装置同效率不高、水下施工异常困难的振荡水柱发电装置相比，它的优点在于其最大转换效率可达40.7%}}}，而且还可以减少水下施工，使建造费用大大降低[f8l，它在最近几十年发展尤为迅速，美国、英国、加拿大、荷兰均先后建造出成型的发电装置并投入使用[f}l，我国在该项技术上也拥有许多专利。四能源是人类社会发展的重要基础资源，没有能源就没有人类文明。随着人类社会的发展，产业及生活对能源的需求迅速增长，世界能源需求量持续增大。目前世界主要能源是石油、化石燃料，天然气、煤等化石燃料，这些燃料都是经过长期的地质年代形成的，被称为是不可再生的。勘探表明，地球上的化石燃料已日趋枯竭。根据《BP能源统计2006))的数据，气和煤炭则可分别可以供应以目前开采速度计算，全球石油储量可供生产40年，世界天然65年和162年。现在世界常规油气资源发现的高峰期已过，在2010年后可能出现供不应求局面。虽然经过20世纪70年代两次石油危机以后，西方国家越来越注重对替代能源的寻找，使得能源危机问题有所缓解，但是目前世界上主要供能方式仍是化石燃料。化石燃料总有一天会被耗尽，人类不能不未雨绸缪。近年来，由于我国经济增长速度较快，能源需求增长强劲，能源缺口越来越大，我国常规能源供给的制约愈益严重。据专家估算，我国2010年能源消费总量将为23亿吨标准煤，2020年能源消费总量约为40亿吨标准煤f21。我国石油天然气资源不足，陆地、海洋油气田地质结构复杂，开采困难，从1995年起已经成为石油天然气的净进口国。2008年我国原油进口达1.79亿吨。预计2015年原油进口将进一步升至2.78亿吨，依存度达到59%。当今国际形势千