作者：刘延俊 著
出版社：化学工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
波浪能发电装置设计与制造试读：
前言
能源和环境问题一直受到各国政府、国际组织和普通民众的高度关注，发展可再生能源已成为全球共识。波浪能作为可再生海洋能，具有巨大的开发潜力，是一种极具发展前景的清洁能源，已有二百多年的开发历史，近几年取得了许多突破性进展，不同形式的波浪能利用装置相继被制造出来。
我国自20世纪70年代开始波浪能的研究工作，80年代后获得较快发展，主要研究机构有国家海洋技术中心、中国科学院广州能源研究所以及各大高校等，先后制造了摆式发电装置、航标式微型波能转换装置、多谐振荡水柱型沿岸固定式电站、岸式振荡浮子发电站、直驱式海试装置等不同类型的波浪能发电装置。波浪能利用技术经历了理论论证到样机海试的过程，从能够发电向稳定发电方向进展，正在逐步走向成熟。
目前，国内相关单位在波浪能发电装置的设计和制造方面积累了丰富经验，但实现大规模、商业化应用还有一定距离，一是因为效率和可靠性还有待提高，二是波浪能行业还没有现成标准和规范。著者近年来一直从事海洋可再生能源技术与装备、深海探测技术与装备的开发研究工作，带领团队承担并完成了“国家海洋局可再生能源专项资金项目‘120kW 漂浮式液压海浪发电站中试’”“横轴转子波浪能发电装置”“沉积物捕获器”“海底底质沉积物声学现场探测设备优化设计与研制”等海洋相关项目，在海洋装备与波浪能开发利用技术方面取得了丰硕成果并积累了宝贵经验。
为了进一步推动我国波浪能发电技术的发展，普及波浪能发电装置设计制造的相关知识和技术，促进波浪能的广泛应用，本书分析了当前波浪能及相关海洋能的发展现状，对波浪能理论进行了推导，列举了几种常见的波浪能转换系统，对液压转换系统和控制系统进行了详细的设计和分析，并以著者团队承担的漂浮式液压海浪发电装置为例完整地介绍了波浪能发电装置的实施海域水文资料、理论分析、机械结构与电气控制系统设计、装置制造、试验测试，以及陆地和实海况试验等过程。期望能够对从事波浪能技术研究的相关人员起到抛砖引玉的作用。
本书由山东大学机械工程学院、高效洁净机械制造教育部重点实验室、海洋研究院刘延俊结合多年从事波浪能发电装备开发研究的经验编写，在编写过程中，团队成员李世振、张伟、张健、薛钢、贺彤彤、杨晓玮、颜飞、孙景余、刘婧文、漆焱、丁洪鹏、武爽、孟忠良、侯云星、薛海峰等在文献收集、文字录入等方面做了大量工作。
由于学识水平有限，书中不足之处在所难免，恳求广大读者和从事相关研究的专家及同行批评指正。著者第1章 绪论
当代社会经济发展对能源的需求无限增长，而传统能源的开发与利用是有限的，且对环境有一定破坏作用。以可再生能源为标志的新能源，具有开发与应用的巨大潜力，并对环境破坏很小，海洋能就是这样的新能源。人类对于海洋能源的研究、开发与应用，总体上还处于起步阶段。我国是一个能源消耗大国，对于新能源的开发是当前研究的热点。
在我们生活的这个星球，海洋面积占了总面积的71%。海洋中蕴含着丰富的生物资源、矿物资源以及海洋能资源，在不久的将来，其必将成为世界经济社会发展的重要资源宝库。
所谓“海洋能”，目前学术界没有明确且统一的定义，大致可以分为广义和狭义两种。广义的海洋能，指海洋能源，即海洋中存在的能源，不论是海洋中蕴藏的，还是海洋产生的。中国工程院曾恒一院士、中国社会科学院工业经济研究所史丹研究员等学者认为海洋能包括海洋石油、海洋天然气、海洋天然气水化合物、海水能。狭义的海洋能，指海洋滋生、海水运动产生的能量，例如潮汐能、波浪能、海流能、温差能、盐差能等。目前学术界在研究海洋能时，更多时候指狭义的海洋能，而官方在发布政策制度时，多使用广义的海洋能。狭义的海洋能也称“海洋新能源”，这主要是相对于传统海洋能源而说的。还有人将海洋能源分为不可再生的海洋能源和可再生的海洋能源。不可再生的海洋能源就是指传统海洋能源，可再生的海洋能源则指海洋新能源，也就是本文所指的“海洋能”。1.1 海洋能分类
海洋能通常是指海洋中所特有的，依附于海水的可再生自然能源，即潮汐能、潮流能、波浪能、海流能、温差能和盐差能。究其成因，除潮汐能和潮流能是由于月球和太阳引潮力作用产生以外，其他海洋能均来源于太阳辐射。
海洋能按能量的储存形式可分为机械能、热能和物理化学能。海洋机械能也称流体力学能，包括潮汐能、波浪能、海流能；海洋热能是指温差能，也称海洋温度梯度能；海洋物理化学能是指盐差能，也称海洋盐度梯度能、浓差能。1.1.1 潮汐能
在地球与月球、太阳做相对运动中产生的作用于地球上海水的引潮力（惯性离心力与月球或太阳引力的矢量和，见图1-1），使地球上的海水形成周期性的涨落潮现象。这种涨落潮运动包含两种运动形式：涨潮时，随着海水向岸边流动，岸边的海水水位不断上升，海水流动的动能转化为势能；落潮时，随着海水的离岸流动，岸边的海水水位不断下降，海水的势能又转化为动能。通常称水位的垂直上升和下降为潮汐，海水的向岸和离岸流动为潮流。海水的涨、落潮运动所携带的能量也由两部分组成，海水的垂直升、降携带的能量为势能，即潮汐能；海水的流动携带的能量为动能，即潮流能。我们的祖先为了表示生潮的时刻，把发生在早晨的高潮叫潮，发生在晚上的高潮叫汐。图1-1 月球引潮力示意
潮汐根据周期又可分为以下三类：半日潮型、全日潮型、混合潮型。半日潮型是指一个太阳日内出现两次高潮和两次低潮，前一次高潮和低潮的潮差与后一次高潮和低潮的潮差大致相同，涨潮过程和落潮过程的时间也几乎相等，如我国渤海、东海、黄海的多数地点为半日潮型。全日潮型是指一个太阳日内只有一次高潮和一次低潮，如南海汕头、渤海秦皇岛等。混合潮型是指一月内有些日子出现两次高潮和两次低潮，但两次高潮和低潮的潮差相差较大，涨潮过程和落潮过程的时间也不等，而另一些日子则出现一次高潮和一次低潮，如我国南海多数地点属混合潮型。
潮汐的能量与涨、落潮的潮水量以及潮差（一个潮汐周期内最高潮水位与最低潮水位之差，见图1-2）成正比，因为一个潮汐周期内涨潮和落潮的水量为水库平均面积与潮差的乘积，所以也可以说潮汐的能量与潮差的平方以及水库平均面积成正比。图1-2 潮汐水位涨落示意1.1.2 波浪能
波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，是海面在风力作用下产生的波浪运动所具有的能量，它实质上是吸收了风能而形成的。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。9
全世界波浪能的理论估算值为10kW量级。利用中国沿海海洋观7测台站资料估算得到，中国沿海理论波浪年平均功率约为1.3×10kW。但由于不少海洋台站的观测地点处于内湾或风浪较小位置，实际的沿海波浪功率要大于此值。波浪能量巨大，存在广泛，吸引着人们想尽各种办法利用海浪。
波浪能具有能量密度高、分布面广等优点。它是一种取之不竭的可再生清洁能源。尤其是在能源消耗较大的冬季，可以利用的波浪能能量也最大。小功率的波浪能发电，已在导航浮标、灯塔等方面获得推广应用。我国有广阔的海洋资源，沿海波浪能能流密度为2～7kW/m。在能流密度高的地方，每1m海岸线外波浪的能流就足以为20个家庭提供照明。
最早的波浪能利用机械发明专利是1799年法国人吉拉德父子获得的。1854～1973年的百余年间，英国登记了波浪能发明专利340项，美国为61项。在法国，则可查到有关波浪能利用技术的600种说明书。
中国波浪能发电研究成绩也很显著。20世纪70年代以来，上海、青岛、广州和北京等地的研究单位开展了此项研究。用于航标灯的波浪能发电装置也已投入批量生产。向海岛供电的岸式波浪能电站也在试验之中。
波浪能装置分为设置在岸上的和漂浮在海里的两种。按能量传递形式分类有直接机械传动、低压水力传动、高压液压传动、气压传动四种。具体有点头鸭式、波面筏式、波浪能发电船式、环礁式、整流器式、海蚌式、软袋式、振荡水柱式、多共振荡水柱式、波流式、摆式、结合防波堤的振荡水柱式、收缩水道式等十余种。1.1.3 海流能
海流能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动所产生的能量，其中一种是海水环流，是指大量的海水从一个海域长距离地流向另一个海域。
海流和潮流的能量与流速的平方以及流量成正比，因为流量为流速与过流面积的乘积，所以也可以说海流和潮流的能量与流速的立方成正比。海流能的利用方式主要是发电，其原理和风力发电相似，几乎任何一个风力发电装置都可以改造成为海流发电装置。由于其放置于水下，海流发电存在着一系列的关键技术问题，包括安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能等。海流发电装置主要有轮叶式、降落伞式和磁流式。海流发电的开发史还不长，发电装置还处在原理性研究和小型试验阶段。1.1.4 温差能
温差能是指海洋表层海水和深层海水之间的温差储存的热能，利用这种热能可以实现热力循环发电，此外，系统发电的同时还可生产淡水、提供空调冷源等。
海洋受太阳照射，把太阳辐射能转化为海洋热能。在热带和亚热带地区，表层海水保持在25～28℃，几百米以下的深层海水温度稳定在4～7℃，用上下两层不同温度的海水作热源和冷源，就可以利用它们的温度差发电。由于太阳辐射到海洋的大部分热量被海洋表层海水吸收，以及大洋经向环流热量输送等原因，产生了世界大洋赤道两侧表层水温高，深层水温低的现象。这种在低纬度海洋中以表层、深层海水温度差的形式所储存的热能称为温差能。其能量与具有足够温差（通常要求不小于18℃）海区的暖水量以及温差成正比。
海洋温差能转化方式包括开式循环和闭式循环：开式循环系统包括真空泵、温水泵、冷水泵、闪蒸器、冷凝器、透平-发电机组等；闭式循环系统则不用海水而采用低沸点的物质（如氨、丙烷等）作为工作介质，在闭合回路内反复进行蒸发、膨胀、冷凝。当前，全球海洋温差能闭式循环研发已经历了单工质朗肯循环到混合工质卡琳娜（Kalina）循环，再到上原循环的过程，海洋热能利用效率也从过去的3%左右提高到接近5%。
业内专家指出，温差能在全球海洋能中储量最大，全世界温差能12的理论储量约为60×10W。由于温差能具有可再生、清洁、能量输出波动小等优点，因此被视为极具开发利用价值与潜力的海洋能资源。
相比其他海洋能，我国温差能还有着得天独厚的地理条件。我国南海是典型的热带海洋，太阳辐射强烈。南海的表层水温常年维持在25℃以上，而500～800m以下的深层水温则在5℃以下，两者间的水温差在20～24℃之间，温差能资源非常丰富。目前我国在温差能设备制造方面与国外先进水平相比差距仍较大。目前主要引进洛克希德·马丁公司的设备，归根结底在于我国此前在交换器、透平-发电机组等关键部件的研发上投入太少。当前国内关于温差能的基础与技术研究非常少，对防海水腐蚀的摩擦焊换热器以及高效氨透平的研究也都不多。一旦今后温差能商业利用速度加快，推广方面将面临不小的困境。1.1.5 盐差能
盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能，是以化学能形态出现的海洋能，如在沿岸河口地区流入海洋的江河淡水与海水之间的盐度差（溶液的浓度差）所蕴藏的物理化学能。同时，淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。
一般海水含盐度为3.5%时，其和河水之间的化学电位差相当于240m水头差的能量密度，从理论上讲，如果这个压力差能利用起来，3从河流流入海中的每立方英尺（1立方英尺≈0.028m）的淡水可发电0.65kW·h。利用大海与陆地河口交界水域的盐度差所潜藏的巨大能量一直是科学家的理想。实际上开发利用盐差能资源的难度很大，目前已研究出来的最好的盐差能实用开发系统非常昂贵，这种系统利用反电解工艺（事实上是盐电池）从咸水中提取能量。还有一种技术可行的方法是根据淡水和咸水具有不同蒸气压力的原理研究出来的：使水蒸发并在盐水中冷凝，利用蒸气气流使涡轮机转动。这个过程会使涡轮机的工作状态类似于开式海洋热能转换电站。这种方法所需要的机械装置的成本也与开式海洋热能转换电站几乎相等。盐差能的研究结果表明，其他形式的海洋能比盐差能更值得研究开发。
盐差能有多种表现形态，最受关注的是以渗透压形态表现的势能。所谓渗透压是在两种浓度不同的溶液之间隔一层半透膜（只允许溶剂通过的膜）时，淡水会通过半透膜向海水一侧渗透，海水一侧因水量增加而液面不断升高，当两侧的水位差达到一定高度h时，淡水便会停止向海水一侧渗透，两侧的水位差h称为这两种溶液的渗透压，渗透压的大小由两种溶液的浓度差所决定，如图1-3所示。盐差能的能量与渗透压和淡水量（渗透水量）成正比。图1-3 盐差能原理示意
据估计，世界各河口区的盐差能达30TW，能利用的有2.6TW。8我国的盐差能估计为1.1×10kW，主要集中在各大江河的出海处，同时，我国青海省等地还有不少内陆盐湖可以利用。盐差能的研究以美国、以色列的研究为先，中国、瑞典和日本等也开展了一些研究。但总体上，对盐差能这种新能源的研究还处于实验室实验水平，离示范应用还有较长的距离。1.2 我国海洋能开发利用现状
我国拥有漫长的海岸线和广阔的海域，蕴藏着丰富的海洋能源，潮汐能、波浪能、温差能、盐差能、海流能的可开发储量分别到达888881.9×10kW、0.23×10kW、1.5×10kW、1.1×10kW、0.3×10kW，占世界总储量的百分比处于世界前列。虽然海洋能的储量巨大，但由于海洋能开发技术障碍，其开发利用大多还处于研究和实验阶段。1.2.1 潮汐能的开发利用现状
我国蕴藏着丰富的潮汐能资源。但我国潮汐能在地理空间分布上十分不均匀，其中河口潮汐能资源最丰富的是钱塘江口，沿海潮差最大的是东海。目前，相比于海洋能中其他能源的开发和利用，我国对于潮汐能的开发技术比较成熟。不过，潮汐发电对自然条件的要求比较高。8
据统计，我国潮汐能蕴藏量为1.9×10kW，其中可供开发的约8103.85×10kW，年发电量8.7×10kW。我国建设了多达400座潮汐电站，其中以福建省和浙江省最多，福建88座，浙江73座。建成并长期运行的有8座，其中浙江省有3座。建设潮汐电站不仅缓解了当地能源紧张局面，同时还发展了水产养殖、围涂、旅游、交通运输等产业，产生了巨大的经济效益。以浙江江厦电站为例，江厦电站以发电为主，同时还有海产养殖、海涂围垦等综合效益。截至2015年12月，江厦电站共安装6台水轮发电机组，总装机容量4100kW，年发电总量达到787.2×10kW时，累计发电2×10kW时。经过多年的发展，我国潮汐发电技术日臻成熟，发电量已经居世界第三位，发展前景十分看好。表1-1为我国现有潮汐电站情况。表1-1 我国现有潮汐电站
今后我国可利用有利条件大力发展潮汐能，走可持续发展道路。可以积极借鉴英国、瑞典等潮汐发电技术相对成熟国家的新技术，例如新型的潮汐发电装置、水下潮汐电站等，并且要自主研发出该方面的新技术。1.2.2 波浪能的开发利用现状
目前波浪能主要的利用方式是波浪能发电，此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。利用波浪能发电就是利用能量守恒定理，将水的动能和势能转换为机械能，带动发电机发电。
波浪能是可再生能源中最不稳定的能源，波浪不能定期产生，各地区波高也不一样，由此造成波浪能利用上的困难。波浪能利用的关键是波浪能转换装置。通常波浪能要经过三级转换：第一级为受波体，它将大海的波浪能吸收进来；第二级为中间转换装置，它优化第一级转换，产生出足够稳定的能量；第三级为发电装置，与其他发电装置类似。
我国对于波浪能的研究始于20世纪70年代。我国在1975年制成并投入试验了1台1kW的波浪能发电装置，通过不断的试验取得了改良和升级。我国在波浪能发电导航灯标方面的技术处于国际领先水平，并已向海外出口。在波浪能发电站建设方面，中国科学院广州能源研究所在1989年建成3kW的多振荡水柱型波浪能电站，经过不断研究改良于1996年试发电成功，并已经升级成一座20kW的波浪能电站，成功向岛上居民提供补充电源。广东省汕尾市在2005年建成了世界上首座独立稳定的波浪能电站。
在波浪能团队建设方面，近年来随着我国波浪能发电技术研究的不断进步和发展，涌现了一批优秀的波浪能研究团队，制造出了一些具有影响力的波浪能发电装置，例如中国科学院广州能源研究所研制的鹰式波浪能发电装置，山东大学研制的120kW漂浮式液压波浪能发电站，中国海洋大学研制的110千瓦级组合型振荡浮子波浪能发电装置，国家海洋技术中心研制的100kW浮力摆式波式发电装置——该发电装置于2012年7月在大管岛海域试运行，经受住了12级台风的考验。1.2.3 温差能的开发利用情况
海洋温差发电技术的研究在热动力循环的方式、高效紧凑型热交换器、工质选择以及海洋工程技术等方面均已取得长足的发展，很多技术已渐趋成熟。系统方面以闭式循环最为成熟，已经基本上达到商业化水准，开式循环的主要困难是低压汽轮机的效率太低。热交换器是海洋温差发电系统的关键设备，它对装置的效率、结构和经济性有直接的重要影响，其性能的关键是它的形式和材料。最新的洛伦兹循环有机液体透平能在20～22℃温差下工作，适用于闭式循环装置中。
我国研究工作起步晚，目前对于海洋温差能的研究仍处于实验阶段。其原因主要包括以下两方面：一方面，温差能的开发技术和方法要求水平比较高，尤其是发电机转换装置、渗透膜技术、反电渗析法的能量转换效率和功率密度的方法等，专业技术性较高，而国内在这方面的发展比较落后；另一方面，我国海洋温差能分布不均，并且受季节变化等自然因素影响比较大，对其进行开发具有一定难度。
1985年中国科学院广州能源研究所开始对温差利用中的“雾滴提升循环”方法进行研究，这种方法利用表层和深层海水之间的温降来提高海水的位能。据计算，温度从20℃降到7℃时，海水所释放的热量可将海水提升到125m的高度，然后通过水轮机发电。2012年，国家海洋局第一海洋研究所研究员刘伟民率领的团队，成功研制出了15kW温差能发电装置，该项目的成功实验，标志着我国在海洋能尤其是盐差能开发方面取得了巨大进步。
海洋温差发电存在着若干技术难题，它们是制约技术发展的瓶颈，如热交换器表面容易附着生物使表面换热系数降低，对整个系统的经济性影响极大。冷热海水的流量要非常大才能获得所希望的功率，冷水管是未来发展面临的极大挑战。开式循环系统的低压汽轮机效率太低，这也是开式循环系统还不能商业化的重要原因。1.2.4 盐差能的开发利用情况
盐差发电是美国人在1939年首先提出来的。自20世纪60年代，特别是70年代中期以来，世界许多发达工业国家，如美国、日本、英国、法国、俄罗斯、加拿大和挪威等对海洋能利用都非常重视，投入了相当多的财力和人力进行研究。盐差能的探索相对要晚一些，规模也不大，海洋开发环境严酷，投资大，存在风浪海流等动力不确定因素，入海口又有水流冲击和台风影响，同时海水腐蚀、泥沙淤积，以及水生物附着等问题也有待考虑。
盐差能主要存在于河海交汇处，也就是江河入海口处，目前我国对于盐差能的开发尚未形成产业化。我国地域广阔，河流众多，盐差能的蕴藏量十分丰富。据统计，全国每年江河流入海中的水流量约1231231.6×10m，其中23个主要河流的水流量共计达1.4×10m，仅长113江的水流量就达9.1×10m，占23个主要河流水流量的近65%。中国15沿海的盐差能蕴藏量高达3.58×10kJ，理论上的发电功率达1.14×810kW。此外，中国盐差能资源主要分布在沿海城市的近海河口区，尤其以长江及长江以南的近海河口蕴藏量最为丰富，该地区的盐差能12蕴藏量约占全国的92%，其中长江的理论储藏量为2214×10kJ，理论功率为70220MW，约占全国的61.6%，珠江的理论储藏量为694.9×1210kJ，理论功率为22030MW，约占全国的19.3%；就省市而言，位于长江口的上海市盐差能储量最大，其次是广东、福建、浙江；就海12区而言，东海最大，理论蕴藏量达10520.4×10kJ，理论功率达81051MW，占全国的71%，其次是南海、渤海、黄海。同时，我国青海省等地还有不少内陆盐湖存在可以被利用的盐差能。
从全球情况来看，盐差发电的研究都还处于不成熟的规模较小的实验室研究阶段，目前世界上只有以色列建了一座1.5kW的盐差能发电实验装置，实用性盐差能发电站还未问世，但随着对能源越来越迫切的需求和各国政府及科研力量的重视，盐差发电的研究将越来越深入，盐差能及其他海洋能的开发利用必将出现一个崭新的局面。有专家预测，在2020年后，全球海洋能源的利用率将是目前的数百倍，科学家相信，21世纪人类将步入开发海洋能源的新时代。1.3 海洋能特点（1）能量密度低，但总蕴藏量大，可再生
各种海洋能的能量密度一般较低。如潮汐能的潮差世界最大值为13～16m，平均潮差较大值为8～10m，我国最大潮差（杭州湾澉浦）为8.9m，平均潮差较大值为4～5m；潮流能的流速世界较大值为5m/s，我国最大值（舟山海区）超过4m/s；海流能的流速世界较大值为2.0m/s，我国最大值（东海东部的黑潮流域）为1.5m/s；波浪能的波高世界单站最大年平均较大值为2m左右，大洋最大波高可超过34m（单点瞬时），我国沿岸（东海沿岸）单站最大年平均波高最大值为1.6m，外海最大波高可超过15m（单点瞬时）；温差能的表、深层海水温差世界较大值为24℃，我国最大值（南海深水海区）也可达此值；盐差能是海洋能中能量密度最大的一种，其渗透压一般为24个大气压（2.43MPa），相当240m水头，我国最大值也可接近此值。
因为海洋能广泛存在于占地球表面积71%的海洋中，所以其总蕴藏量是巨大的。据国外学者们计算，全世界各种海洋能理论储藏量（自然界固有功率）的数量以温差能和盐差能为最大，均为100亿千瓦级，波浪能和潮汐能居中，均为10亿千瓦级，海流能最小，为1亿千瓦级。
另外，由于海洋永不间断地接受着太阳辐射以及受月球、太阳的作用，因此海洋能是可再生的，可谓取之不尽，用之不竭。当然，也必须指出，以上巨量的海洋能资源，并不是全部都可以开发利用。据1981年联合国教科文组织出版的《海洋能开发》一书估计，全球海洋能理论可再生的功率为766亿千瓦，而技术上可利用的功率仅为64亿千瓦。即使如此，这一数字也为20世纪70年代末全世界发电机装机总容量的两倍。（2）能量随时间、地域变化，但有规律可循
各种海洋能按各自的规律发生和变化。就空间而言，各种海洋能既因地而异，此有彼无，此大彼小，不能搬迁，各有各自的富集海域。如温差能主要集中在赤道两侧的大洋深水海域，我国主要在南海800m以上的海区（远海、深海）；潮汐能、潮流能主要集中在沿岸海域，大潮差宏观上主要集中在45°～55°N的沿岸海域，微观上是在喇叭形港湾的顶部最大，潮流速度以群岛中的狭窄海峡、水道为最大，如芬迪湾、品仁湾、圣马洛湾、彭特兰湾等，我国潮差以东海沿岸，尤其是浙江省的三门湾至福建省的平潭岛之间最大，潮流流速以舟山群岛诸水道等最为富集（沿岸、浅海）；海流能主要集中在北半球太平洋和大西洋的西侧，最著名的有太平洋西侧的黑潮，大西洋西侧的墨西哥湾流、阿格尔哈斯海流，赤道附近的加拉帕戈斯群岛西部的海流等，我国主要在东海的黑潮流域（外海、深海）；波浪能近海、外海都有，但以北半球太平洋和大西洋的东侧西风盛行的中纬度（30°～40°N）和南极风暴带（40°～50°S）最富集，我国外海以东海和南海北部较大，沿岸以浙江、福建、广东东部沿岸和岛屿及南海诸岛最大（全海域）；盐差能主要集中在世界著名大江河入海口附近的沿岸，如亚马逊河和刚果河河口等，我国主要在长江和珠江等河口（沿岸、浅海）。就时间而言，除温差能和海流能较稳定外，其他海洋能均明显地随时间变化。潮汐能的潮差具有明显的半日和半月周期变化，潮流能的流速不但量值与潮差同时变化，并且方向也同样变化；盐差能的入海淡水量具有明显的年际和季节变化；波浪是一种随机发生的周期性运动，波浪能的波高和周期既有长时间的年、季变化，又有短时间的分、秒变化。故海洋能发电多存在不连续、稳定性差等问题。不过，各种海洋能能量密度的时间变化一般均有规律性，可以预报，尤其是潮汐和潮流的变化，目前国内外海洋学家已能做出很准确的预报。（3）开发环境严酷，转换装置造价高，但不污染环境，可综合利用
无论在沿岸近海，还是在外海深海，开发海洋能资源都存在能量密度低，受海水腐蚀，海生物附着，大风、巨浪、强流等环境动力作用影响等问题，致使海洋能能量转换装置设备庞大、材料要求强度高、防腐性能好，设计施工技术复杂，投资大造价高。由于海洋能发电在沿岸和海上进行，不占用已开垦的土地资源，无需迁移人口，多具有综合利用效益。同时，由于海洋能发电不消耗一次性矿物燃料，既无需付燃料费，又不受能源枯竭的威胁。另外，海洋能发电几乎无氧化还原反应，不向大气排放有害气体和废热，不存在常规能源和原子能发电存在的环境污染问题，避免了很多社会问题的处理。海洋能的主要特性见表1-2。表1-2 各类海洋能的特性1.4 波浪能发电技术现状1.4.1 波浪能的优势
相比于其他可再生能源，开发和利用海洋波浪能具有十分显著的优势。
①海洋波浪蕴藏的能量是所有可再生能源中密度最大的，且集中分布于海面附近。太阳能在地球表面的能量密度一般为0.1～0.3kW/22m，垂直于风向的平面内的风能密度为0.5kW/m，而在水面下与波2浪传播方向相垂直的平面内的平均波能密度则可达2～3kW/m。波浪能以海面以下水体运动的形式存在，95%以上的能量集中在水面至水下四分之一波长水深之间。
②波浪能的理论能量俘获效率以及实际效率都要高于其他能源。太阳能的理论最大转换效率为86.7%，而实际装置中测到的效率只有35%；风能的理论最大俘获效率为59%，实际效率为50%；波浪能理论上的能量俘获效率可以达到甚至超过100%，实际水槽实验中效率可超过80%。
③波浪能装置可以在90%以上的时间内产生能量，而风能和太阳能装置的产能时间只有不到20%～30%。
④波浪能可以传播很远而损耗较少的能量。在盛行西风的推动下，波浪可以从大西洋西侧传播到欧洲的西海岸。
⑤开发和利用波浪能对环境产生的负面影响较小。有学者评估了典型的波浪能装置在整个运行周期中对环境的潜在影响。研究表明，离岸的波浪能装置对环境产生的影响最小。1.4.2 我国的波浪能资源（1）沿岸波浪能资源
据《中国沿海农村海洋能资源区划》（以下简称《区划》）利用沿岸55个海洋站一年（中等波浪）的波浪观测资料为代表计算统计，全国沿岸的波浪能资源平均理论功率为12.843GW，如表1-3所示。但是，需特别指出，在全国沿岸有很多已知的著名大浪区，以福建为例，就有台山列岛、四编列岛、闾峡、北茭、梅花浅滩、牛山、大炸、围头、镇海、古雷头等，其中很多地点因无实测资料，故未统计在内。并且《区划》波浪能资源计算所取的代表测站均为综合性海洋观测站，很多设在大陆沿岸，甚至在海湾内，故波浪观测资料代表性较差（偏小）。因此，笔者认为以上波浪能资源理论功率应小于实际理论功率。另外，台湾省四周环海，沿岸波浪大，波浪能资源丰富，但是因暂缺沿岸的波浪实测资料，其波浪能平均理论功率是利用台湾岛周围海域的《船舶报资料》，折算为岸边数值后计算统计的，未经岸边实测波浪资料验证，只能作为台湾省沿岸波浪能资源数量级的参考。表1-3 中国沿岸波浪能资源 MW
波浪能资源分布方面有以下几个特点。
①地域分布很不均匀。中国沿岸的波浪能资源以台湾省沿岸最多，为4.29GW，占全国总量的1/3；其次是浙江、广东、福建沿岸较多，在1.66～2.05GW，合计为5.45GW，占全国总量的42%以上；其他省市沿岸则很少，广西沿岸最少。
②波浪能功率密度地域分布是近海岛屿沿岸大于大陆沿岸，外围岛屿沿岸大于大陆沿岸岛屿沿岸。全国沿岸功率密度较高的区段是：渤海海峡（北隍城7.73kW/m）、浙江中部（大陈岛6.29kW/m）、台湾岛南北两端（南湾和富贵角至三貂角6.21～6.36kW/m）、福建海坛岛以北（北稀和台山5.32～5.11kW/m）、西沙地区（4.05kW/m）和粤东（遮浪3.62kW/m）沿岸。以上地区年平均波高大于1m，平均周期多大于5s，是全国沿岸波功率密度相对较高，资源储量最丰富的地区。其次是浙江南部和北部、广东东部、福建海坛岛以南、山东半岛南部沿岸。渤海、黄海北部和北部湾北部沿岸波功率密度最低，资源储量也最少。
③功率密度具有明显的季节变化。由于中国沿岸处于季风气候区，多数地区功率密度具有明显的季节变化。全国沿岸功率密度变化的总趋势是，秋冬季较高，春夏季较低。而浙江及其以南海区沿岸，因受台风影响，波功率密度春末和夏季（南海5～8月份，东海7～9月份）也较高，甚至会出现全年最高值，如大陈附近。波功率密度的季节变化在波功率密度较高的岛屿附近更为显著，如北隍城、龙口、千里岩、大陈、台山、海坛和西沙等。而在大陆沿岸和少数岛屿，波功率密度的季节变化相对较小，如云澳、表角、遮浪和嵊山、南麂、大戢山等，如图1-4所示。图1-4图1-4 全国沿岸波功率密度变化（2）近海及毗邻海域的波浪能资源
根据国家海洋局的《海洋调查资料》和国家气象局的《船舶报资料》等多年历史波浪能资料，采用气候学方法，对渤海、黄海、东海和南海海区波浪能资源的计算（所称黄海、东海、南海均指自然地理意义上的海区范围），中国近海及毗邻海域的波浪能资源理论总储量和理论总功率分别为8103TJ和574TW，如表1-4所示。经分析研究后认为，中国近海及毗邻海域实际可供开发的波浪能有效功率约为理论功率的1‰～1%，即574～5740GW。笔者取中国近海及毗邻海域波浪能理论功率的1‰，即574GW作为可开发装机容量。表1-4 中国近海及毗邻海域波浪能资源理论储量
波浪能资源分布方面有以下几个特点。
①纬向分布。由图1-5和图1-6可见，中国近海及毗邻海域的波浪能储量和波能功率沿纬向的分布是一致的，它们均有3个高峰区。第1个高峰区位于9°～14°N，即南海南部（2°～15°N）偏北的大部分海区；第2个高峰区位于17°～22°N，即南海北部（15°～22°N）偏北的大部分海区；第3个高峰区位于25°～33°N，即基本上是整个东海海区。比较3个高峰区可见，第1和第2个高峰区的量值均大于第3个高峰区，第1和第2两个高峰区的波能和波功率占我国近海及毗邻海域总波能和总波功率的近2/3。图1-5 中国近海及毗邻海域波能沿纬向分布图1-6 中国近海及毗邻海域波功率沿纬向分布
②经向分布。由图1-7和图1-8可见，中国近海及毗邻海域波能和波功率沿经向的分布基本上也是一致的。与沿纬向分布不同的是，经向分布仅有两个高峰区。波能的第1个高峰区位于110°～119°E，即大部分南海海区，第2个高峰区位于121°～126°E，即黄海和东海的大部分海区。而波功率的第1个高峰区位于109°～118°E，第2个高峰区位于120°～125°E。同时，我国近海及毗邻海域波能和波功率的约2/3集中于第1个高峰区，而其余的约一半在第2个高峰区。图1-7 中国近海及毗邻海域波功率沿经向分布图1-8 中国近海及毗邻海域波功率沿经向分布
③各海区的分布。我国近海及毗邻海域波浪能资源在各海区的分布，按理论总波能和总波功率大小排序是：南海南部偏北海区为2200TJ和141TW，占各海区总量的24.6%；南海北部偏北海区为1710TJ和122TW，占各海区总量的21.3%；东海海区为1673TJ和117TW，占各海区总量的20.4%。南海南部偏南海区、渤海和北黄海最少。按波能密度大小，各海区的排序是：南海南部偏北海区、南海北部偏北海区、东海海区，南海南部偏南海区、渤海和北黄海最低。按波功率密度大小，各海区的排序是：南海北部偏北海区、南海南部偏北海区、东海海区，南海南部偏南海区、渤海和北黄海最低。1.4.3 典型波浪能发电装置
波浪能转换装置的分类方法有多种，根据波浪能发电装置的波浪能利用原理，波浪能转换装置可分为振荡浮子式、振荡水柱式、筏式、鸭式、越浪式、摆式等种类，原理图和国内外代表性装置如表1-5所示。表1-5 几种典型波浪能发电装置的优缺点及适用场合1.4.4 波浪能发电面临的问题（1）波浪能发电目前面临的问题
目前波浪能发电成本高昂、发电功率小、质量差，所以降低发电成本，提高功率，增强发电的质量是波浪能发电普及的必经之路。
发电效率低是因为波浪时刻变化，波浪能量不集中，如何使发电装置适应这种工作状况，是目前波浪能发电亟待解决的问题。
稳定性问题。受技术限制，波浪能发电装置只能将吸收来的波浪能转化为不稳定的液压能，这样再转化的电能也是不稳定的。英国、葡萄牙等欧洲国家采用昂贵的发电设施，仍无法得到稳定的电能。
控制问题。由于波浪的运动没有规律性和周期性，浪大时能量有剩余，浪小时能量供应不足。这就需要有一种设备在浪大时将多余的波浪能储存、再利用。
材料问题。现有的波浪能装置只是采用普通钢材，靠表面涂层提高抗腐蚀能力，耐久性不尽如人意。目前不存在专门为波浪能利用而开发的工业产品，在波浪能研究上改变设计，牺牲效率、合理性，用现有产品拼凑成波浪能发电设备。
工作环境问题。因为发电装置放置在海中，工作环境恶劣，减少海水中的部件和抗风浪都是目前遇到的难题。（2）波浪能发电研究方向
①流体动力特性计算 波浪能发电装置布放入海后，实际上面临的是不规则的复杂海况变化。目前的理论研究主要基于线性波浪理论开展，但对非线性随机问题的研究仍然不成熟。非线性波之间的相互作用以及它们与波浪能发电装置之间的作用在一定程度上是随机变化的，因此，实际海况中发电装置的流体动力特性不能精确计算。
挪威的Ankit Aggarwal等人使用开源计算流体动力学（CFD）模型REEF3D对规则和不规则波与垂直圆柱的相互作用进行了模拟。该模型在整个域上解决了雷诺平均Navier Stokes（RANS）方程，提供了流体压力、速度以及自由面等流体动力学信息，可以用于对圆柱体周围的流体情况进行分析和可视化。Muk Chen Ong等人运用湍流模型解非连续RANS方程，对两个部分沉入水中的圆柱体结构进行了二维数字仿真分析。同时，通过垂直波浪力的变化和自由表面的升降，得到了两个圆柱体之间距离对流场的影响。Pol D.Spanos和Felice Arena提出一种统计线性化技术，用于对单浮子振荡捕能系统进行快速随机振动分析。
②发电稳定性和高效性设计 波浪的不稳定性以及能流密度低、转换效率低的特点，是制约其利用技术发展的主要原因。因此，需要提高波浪能发电装置的适应性，增大捕能频宽，从而提高稳定性和发电效率。其中，储能装置的设计和系统的功率控制非常重要。
许多振荡体式波浪能发电装置都是将浮子的动能转化为液压能再带动发电机发电。Falcão在时域内研究了气体蓄能器体积和工作压力对电力输出稳定性的作用。郑思明基于三维波浪绕射辐射理论，提出了一个计算铰接双筏体最大波浪能俘获功率的数学模型，可用于计算装置在特定参数下的最大波浪能俘获系数。Jeremiah Pastor、Yucheng Liu基于边界元方法建立了点吸收式波浪能转换器的线性模型并进行数值仿真和频域分析，得出了不同浮子形状、直径、吃水深度等参数变化对浮子垂荡运动性能的影响，从而得到优化的参数设计。
③阵列发电场设计 波浪能转换装置的阵列化有利于充分利用单位海域面积内的波浪能量，在一定程度上实现经济成本的最优化。阵列式波浪能转换装置的研究主要集中在运行特性和波浪能俘获效果两个方面：运行特性研究浮体或固定结构在波浪作用下受到的波浪力、辐射力、绕射力等以及结构反作用于波浪场所引起的变化；波浪能俘获效果是指通过对比阵列式装置的单体平均功率与单个装置的发电功率以及它们的俘获宽度比，分析所设计的阵列布局的优化效果。
阵列发电场的研究，目前主要针对单一类型振荡浮子式装置。Andres等人考虑了阵列布局、单体之间距离、装置数量以及波浪入射方向的影响，发现增加波浪能转换装置的数量可以提高它们之间的相互作用力，不同的波浪方向对于波浪能俘获的影响很大，单体之间距离为入射波长的一半时，俘获效率较高。Kara运用数值仿真方法在时域内计算了两种运动模式下的垂直圆柱体阵列的波浪能吸收功率，同时研究了单体装置之间距离以及入射波角度的影响。Konispoliatis和Mavrakos运用多重散射方法研究了振荡水柱式波浪能转换装置阵列在波浪作用下的绕射和辐射效应。国内方面，香港大学的Motor Wave、浙江海洋大学的“海院1号”、集美大学的“集大1号”，均是阵列式发电场的尝试。
④多元化综合利用 海洋中除了波浪能，还蕴藏着海流能、潮汐能、温差能、盐差能等多种形式的能量，而且其开发技术也在逐步发展，再加上相对成熟的太阳能和风能利用技术，使得在海洋中进行多种能源综合利用成为可能。多能互补，通过共享基础平台、海底电缆等方式来降低成本，全方位开发所在海域能源；另外，也可以构建分布式发电网络，利用多能互补系统实现电力的稳定输出，提高海洋能的稳定性和利用率。第2章 波浪性质及相关理论2.1 波浪能的特点及其性质2.1.1 概述
海洋表面波浪所具有的动能和势能的总和称为波浪能，它的产生是外力（如风、大气压力的变化，天体的引潮力等）、重力与海水表面张力共同作用的结果。波浪形成时，水质点做振荡和位移运动，水质点的位置变化产生位能。波浪能的大小与波高和周期有关，波浪的波高和周期与该波浪形成地点的地理位置、常年风向、风力、潮汐时间、海水深度、海床形状、海床坡度等因素有关。波浪的能量与波浪周期、波高的平方以及迎波面的宽度成正比。
在海洋能源中，波浪能是最不稳定的一种，在时间尺度上具有随机多变性，海况不同，则波浪的能量也不同；季节不同，波浪能的变化差异更大；在空间尺度上，不同地域，波浪能的能量密度也有很大差别。正是由于这些特点，波浪能较之其他形式的可再生能源更难以利用。然而同时，波浪能又是很清洁的可再生资源，它的开发利用，将大大缓解由于矿物能源逐渐枯竭的危机，改善由于燃烧矿物能源对环境造成的破坏。因此发展海洋可再生能源势在必行，而波浪能因其能量密度相对较高、分布广泛、获取难度相对较低等优势，是各国海洋可再生能源的研究热点和发展重点。
波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的，它实质上是吸收了风能而形成的。能量传递速率和风速有关，也和风与水相互作用的距离（即风区）有关。水团相对于海平面发生位移时，使波浪具有势能，而水质点的运动，则使波浪具有动能。储存的能量通过摩擦和湍动而消散，其消散速度的大小取决于波浪特征和水深。深水海区大浪的能量消散速度很慢，从而导致了波浪系统的复杂性，使它常常伴有局地风和几天前在远处产生的风暴的影响。波浪可以用波高、波长（相邻的两个波峰间的距离）和波周期（相邻的两个波峰间的时间）等特征来描述。2.1.2 突出特点（1）波浪能的优势
波浪能具有能流密度高、分布面广等优点。它是一种取之不竭的可再生清洁能源。尤其是在能源消耗较大的冬季，可以利用的波浪能能量也最大。小功率的波浪能发电已在导航浮标、灯塔等获得推广应用。我国有广阔的海洋资源，波浪能的理论存储量为7000万千瓦左右，沿海波浪能能流密度大约为2～7kW/m。在能流密度高的地方，每1m海岸线外波浪的能流就足以为20个家庭提供照明。
虽然大洋中的波浪能是难以提取的，因此可供利用的波浪能资源仅局限于靠近海岸线的地方。但即使是这样，在条件比较好的沿海区的波浪能资源储量大概也超过2TW。据估计，全世界可开发利用的波浪能达2.5TW。我国沿海有效波高约为2～3m、周期为9s的波列，波浪功率可达17～39kW/m，渤海湾更高达42kW/m。
波浪能适用于边远海域的岛屿、国防、海洋开发等活动。波浪能利用装置可在已有设施及工程的基础上进行安装和建设，如护岸、防波堤；或与此类设施及工程同时建设，可明显地降低波浪能利用装置的开发及建设成本，并实现功能多元化。（2）波浪能的劣势
波浪能的利用并不容易。波浪能是可再生能源中最不稳定的能源，波浪不能定期产生，各地区波高也不一样，不利于大规模开发，还容易受到海洋灾害性气候的侵袭，由此造成波浪能利用上的困难。波浪能开发的技术复杂、成本高、投资回收期长，社会效益好，但是经济效益差，这些局限束缚了波浪能的大规模商业化开发利用和发展。近200年来，世界各国还是投入了很大的力量进行了不懈的探索和研究。除了实验室研究外，挪威、日本、英国、美国、法国、西班牙和中国等国家已建成多个数十瓦至数百千瓦的试验波浪发电装置。2.2 波浪能转换数学模型
两端伸展到无限远处的平面前进波的总能量是无限的，这里考察的是单位宽度的一个波长内波浪的能量。
自由水面产生波形从而使位能变化。如图2-1所示，体积微元dxdy（单位宽度上）中流体的重力位能是ρgydxdy。故一个波长的重力位能E为g （2-1）图2-1 一个波长中波浪的能量
式中为波面位移。因积分号中出现的是非线性的平方运算，应先取实部然后运算。这样就有 （2-2）
在给定的不可压缩流体的无旋流场中，流体动能可表示为 （2-3）
式中v为所讨论的流场体积，，于是动能公式可写成 （2-4）
另外，流场中由于流体质点的运动而具有动能。按式（2-4）单位宽度的波浪动能为 （2-5）
其中s为图2-1中所示的虚线面（两侧虚线面的间距恰为一个波长）和波面。在底面上，无论在有限深水的池底或无限深水情况中无穷深处的某一假想水平面上，均有∂ϕ/∂n=-∂ϕ/∂y=0。在两侧面上，由于运动的周期性，故在相应点上ϕ值相同，∂ϕ/∂n的数值也相同，但法线方向正好相反，因此两侧面对积分的贡献之和也等于零。最后仅剩在波面上的积分，在线性化的前提下，波面积分边界近似地取在y=0上，再利用色散关系，所以 （2-6）
如果不计表面张力，则波浪总能量即为重力位能与动能两者之和。总能量为 （2-7）
然而在有表面张力存在的情况下，自由面形状的变化不仅改变了质量的垂向分布，改变了重力位能，而且还抵抗表面张力做功。这部分能量也以位能的形式储存在流体中，称张力位能，记为E。t图2-2 静水面的变形伸长
参见图2-2，原来在水面上的dx微分段变形后为 （2-8）
其实际伸长为 （2-9）
所以张力为 （2-10）
一个波长内的张力位能E为t （2-11）
总位能为 （2-12）
一个波长内的总能量就是 （2-13）
由此可见，无论计入或不计入表面张力，均有 （2-14）
在平面进行波中，一个波长内的动能和位能都不随时间而变。事实上，平面进行波的波形在传播过程中是不随时间变化的，所以位能不变，按总能量守恒，动能也就不变。
波浪在传播过程中能量也在转移。现以无限深水中的平面前进波为例加以讨论。讨论中不计入表面张力。
任取一垂直于波浪传播方向的平面A（见图2-1），A在oz方向仍取单位宽度，计算在一个波浪周期中有多少能量流过A面。转移的能量可以看作是作用在A面上的压力在一个波浪周期内做的功。在A面上取一面积微元（面元）dy，在dt时间内压力在面元dy上做的功是 （2-15）
这里为作用于A面上的压力，u为A面上水质点的水平速度。
无限深水中平面进行波的速度势为
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]