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            波浪能发电技术

            发布时间: 2014-07-15 12:22:36   作者:无   来源:

             

            第一部分:概述
            第二部分:技术原理
            第三部分:国内发展和应用现状
            第四部分;国外发展和应用现状
            第五部分:供应商信息
            第六部分:经典案例
            第七部分:参考文献
             
            概述
            波浪能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波面的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。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有关。波浪可以用波高、波长和波周期等特征来描述。
            波浪所蕴涵的能量主要是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波面的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。台风导致的巨浪,其功率密度可达每米迎波面数千kW,而波浪能丰富的欧洲北海地区,其年平均波浪功率也仅为20~40kW/m中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为2~7kW/m。全世界波浪能的理论估算值也为109kW量级。利用中国沿海海洋观测台站资料估算得到,中国沿海理论波浪年平均功率约为1.3X107kW。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,故实际的沿海波浪功率要大于此值。其中浙江、福建、广东和台湾沿海为波能丰富的地区。
            利用海面波浪的垂直运动、水平运动和海浪中水的压力变化产生的能量发电。波浪能发电一般是利用波浪的推动力,使波浪能转化为推动空气流动的压力(原理与风箱相同,只是用波浪做动力,水面代替活塞),气流推动空气涡轮机叶片旋转而带动发电机发电。
            波浪能发电系统一般有能量采集系统和能量转换系统,能量吸收装置吸收波浪能并将其转换成规则运动形态(如直线运动、圆周运动)的机械能,再通过能量转换装置将规则运动形态的机械能转换成电能输出。
             
            技术原理
            类型波浪能发电方式数以千计,按能量中间转换环节主要分为机械式、气动式和液压式三大类。
            机械式通过某种传动机构实现波浪能从往复运动到单向旋转运动的传递来驱动发电机发电的方式。图1是采用齿条、齿轮和棘轮机构的机械式装置。随着波浪的起伏,齿条跟浮子一起升降,驱动与之啮合的左右两只齿轮作往复旋转。齿轮各自以棘轮机构与轴相连。齿条上升,左齿轮驱动其轴逆时针旋转,右齿轮则顺时针空转。通过后面一级齿轮的传动,驱动发电机顺时针旋转发电。机械式装置多是早期的设计,往往结构笨重,可靠性差,未获实用。
             
            1 机械式装置简图
            气动式通过气室、气袋等泵气装置将波浪能转换成空气能,再由气轮机驱动发电机发电的方式。图2是漂浮气动式装置工作原理图。由于波浪运动的表面性和较长的中心管的阻隔,管内水面可看作静止不动的水面。内水面和气轮机之间是气室。当浮体带中心管随波浪上升时,气室容积增大,经阀门吸入空气。当浮体带中心管随波浪下降时,气室容积减小,受压空气将阀门关闭经气轮机排出,驱动冲动式气轮发电机组发电。这是单作用的装置,只在排气过程有气流功率输出。图3是振荡水柱气动式装置工作原理图。它有两组吸气阀和两组排气阀,固定气室的内水位在波浪激励下升降,形成排气、吸气过程。四组吸、排气阀相应开启和关闭,使交变气流整流成单向气流通过冲动式气轮机,驱动发电机发电。这是双作用的装置,在吸、排气过程都有功率输出。气动式装置使缓慢的波浪运动转换为气轮机的高速旋转运动,机组缩小,且主要部件不和海水接触,提高了可靠性。气动式装置在日本益田善雄发明的导航灯浮标用波浪能发电装置上获得成功的应用。1976年,英国的威尔斯发明了能在正反向交变气流作用下单向旋转做功的对称翼气轮机,省去了整流阀门系统,使气动式装置大为简化。图4是对称翼气轮机工作原理图。该型气轮机已在英国、中国新一代导航灯浮标波浪能发电装置和挪威奥依加登岛500 kW波浪能发电站获得成功的应用。采用对称翼气轮机的气动式装置是迄今最成功的波浪能发电装置之一。
             
            3 振荡水柱气动式装置工作原理图
             
            4 对称翼气轮机工作原理图
            (a) 叶轮; (b) 叶型受力分析
            液压式通过某种泵液装置将波浪能转换为液体(油或海水)的压能或位能,再由油压马达或水轮机驱动发电机发电的方式。图5是点头鸭液压式装置简图。波浪运动产生的流体动压力和静压力使靠近鸭嘴的浮动前体升沉并绕相对固定的回转轴往复旋转,驱动油压泵工作,将波浪能转换为油的压能,经油压系统输送,再驱动油压发电机组发电。点头鸭装置有较高的波浪能转换效率,但结构复杂,海上工作安全性差,未获实用。图6是收缩斜坡聚焦波道式装置简图。波浪进入宽度逐渐变窄、底部逐渐抬高的收缩波道后,波高增大,海水翻过导波壁进入海水库,波浪能转换为海水位能,然后用低水头水轮发电机组发电。聚焦波道装置已在挪威奥依加登岛250 kW波浪能发电站成功的应用。这种装置有海水库储能,可实现较稳定和便于调控的电能输出,是迄今最成功的波浪能发电装置之一。但对地形条件依赖性强,应用受到局限。
             
            5 点头鸭液压式装置简图
             
            6 收缩斜波聚焦波道式装置简图
             
            国内发展和应用现状
            我国波力发电技术研究始于70年代,于1975年研制成11 kW的波力发电浮标,在浙江省嵊山岛进行了试验.80年代以后获得较快发展,1984年广州能源所研制成功6 W小型波力发电装置,用于导航灯标,随后按不同导航灯标的要求,又开发了系列产品.目前在我国沿海航线已安装了数百台这种小型波力发电装置.与日本合作研制的后弯管型浮标发电装置,已向国外出口,该技术属国际领先水平.
            中国第一座试验波力电站位于南中国海的珠海市大万山岛,1989年试建成功。装机容量为3 kW的多振荡水柱型沿岸固定式波力电站.1989年,1990年及1991年分别对其做了三次海上运行试验,研究了实海况下气室、透平及电机的性能.试验结果表明,该电站具有很好的实海况性能.波力电站的平均“总效率”大都在10%~35%,最大值接近40%.在该电站原有结构基础上,广州能源研究所已将其改建成一座20 kW的波力电站,并于19962月试发电成功,逐步完善后将向岛上提供补充电源.
            中国科学院广州能源研究所自1989年开始对后弯管波力发电装置进行研究与开发,5 kW后弯管波力发电装置研究经历了浮体模型性能试验研究、样机设计制造和海上试验等三个阶段,取得了成功.
            “九五”期间,在科技部科技攻关计划支持下,广州能源研究所正在广东汕尾市遮浪研建100 kW波力电站,是一座与电网并网运行的岸式振荡水柱型波能装置,项目开始于199612月,工程结束于20012月.现在已经进入试发电和实海况试验阶段.从试发电和实海况试验的情况来看,电站设计合理,波能转换效率较高,达到了设计要求.同时,由天津国家海洋局海洋技术所研建的100 kW摆式波力电站,已在19999月在青岛即墨大官岛试运行成功.我国计划至2020年,在山东、海南、广东各建11 000 kW级的岸式波力电站。
            总之,我国波力发电虽起步较晚,但发展很快.微型波力发电技术已经成熟,小型岸式波力发电技术已进入世界先进行列.在波浪能发电规模方面,世界上已从102 kW103 kW级发展到104 kW级的应用,而我国目前仍停留在10 kW102 kW级的水平上,至2020年的远景目标也只是发展到102 kW103kW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化尚有一定距离。
             
            国外发展和应用现状
            英国具有世界上最好的波浪能资源.从70年代以来,就把波浪发电研究放在新能源开发的首位,投资1 700多万英镑研究波浪能装置,使英国在波浪能发电技术方面处于世界领先地位,在80年代初就已成为世界波浪能研究中心.于1990年和1994年分别在苏格兰伊斯莱岛和奥斯普雷建成了75 kW2kW振荡水柱式和固定式岸基波力电站。由英国国家工程实验室(NEL)研制的蜗形中空风箱泵式海浪发电机,近期在苏格兰的奥特希布莱外海上安装发电,装机容量达11kW。目前英国正在致力于威尔斯气动透平的利用、原型波力发电机组、导航浮标的波力透平发电组及小型波能转换器等的研究,世界上第一台商用波浪发电机已于19958月在英国克莱德河口海湾开始发电,装机容量2 000 kW,英国500 kW岸式波能装置uMPET(Land-InstalledMarine-Powered Energy Transformer)200011月在苏格兰Islay岛建成,站址处波能功率密度为25 kW1TI,目前已经发电上网。
            挪威于19851986年,在Bergen市附近的Toftestallen岛分别建成了一座装机容量为500 kw的带前港振荡水柱岸式波力电站和一座装机容量为350 kW的喇叭口收缩波道式聚波水库波力电站(其中500 kW电站在350 kW电站以北约100 1TI).这两座电站是挪威在80年代中、后期成为国际波能领域领头国家的标志.500 kW电站在198812月的一次强风暴中被破坏,钢结构部分全部被打人海中,后来也没有修复。在90年代初又建造了一座容量为、lkW的波力电站,均已达到商业应用程度,另外还先后与印尼和澳大利亚签订协议为这两个国家各建一座容量为1 400 kW的波力电站.
            日本的波浪能研究与开发也十分活跃.它的10多家研究与开发机构既有明确分工又有效协调,并重视技术向生产应用的转化研究,使日本在波浪能转换技术实用化方面走在世界前列.它从80年代中期至今已建成4座岸基固定式和防波堤式波力电站,单机容量为40125 kWEll],其中最有名的是80年代初建造的“海明”号波能发电船,研究在长80m,宽12 m,由13个振荡水柱气室组成的船型漂浮式结构上进行.安装10台单机功率为125 kW的发电机,总装机容量达1 250 kW,特别适合于“离岛的自给电源”.为克服“海明”号的缺陷,日本海洋科学技术中心(JAMSTEC)1987年组织了一项耗资lO亿日元,名为“巨鲸”(Mighty whale)的波浪发电装置研究开发计划,经过理论研究和模型试验,该装置于1997年末在三重县五所湾离岸海域下水,19989月开始持续两年的实海况试验,从试验情况来看,装置的各部分工作正常,最大总发电效率为12[1 21.该装置不仅能吸收波力能发电,具有独立能源平台的功能,还可起到平稳波浪的作用,有利于海洋开发.日本当前容量最大的设备是19969月投运的由日本东北电力公司在原町火电站南部防波堤上装设的130 kW波力发电设备。
            瑞典在19831984年进行了30 kW软管泵原型装置的现场试验,并且在西班牙大西洋岸外建了一座1 000 kW的波力示范电站;印度已宣从1990年开始实施一项波能发展6年计划,包括在马德拉斯附近建一座容量为5 000 kW的离岸波力电站,目前正在特里凡得琅港(Trivandrum)附近建一座使用威尔斯透平发电机的150 kw示范波力电站;美国的波浪能研究涉及气动波能转换系统、平行盘波能模件、串连活板系统及随波筏链装置等.最近,由美国能源部技术研究所研制的岸上/离岸波力发电系统,将海水挤压到岸上蓄水池,再以水力发电,发电容量可达414 kW[9].据不完全统计,目前已有28个国家(地区)研究波浪能的开发,建设大小波力电站(装置、机组或船体)上千座(),总装机容量超过80kW,其建站数和发电功率分别以每年25%和10%的速度上升。
             
            供应商信息
            美国新泽西州的海洋电力技术公司(OPT
            美国能源公司
            美国Finavera公司
             
            经典案例
            美波浪能开发项目获突破将建1.5兆瓦波浪能发电站
            总部位于美国新泽西州的海洋能电力技术公司(OPT)近日宣布,该公司已经同11个美国联邦和州级机构还有3个非政府的利益相关方签订合同,允许在俄勒冈州的里兹波特市修建一个1.5兆瓦的波浪能发电站。
            这个合同的签订被看作是美国联邦能源管理委员会朝着发放首个商业波浪能项目许可迈出了重要一步。
            项目中使用的是电力浮标系统(PowerBuoy),这种设施可以随着波浪的运动而上下浮动把动力转化为电力。发出的电通过海底电缆送往岸上。在项目的第一阶段,海洋电力技术公司将安装10台电力浮标系统,公司称,这个波浪能电厂项目将能为附近数百户家庭提供电力。
            美国这个首个波浪能开发合同的达成可谓是过关斩将。要经过美国联邦政府、所在州政府、非政府机构等的许可。合同本身涵盖了技术、政策和法律层面的考量,具体细化到水产资源开发、水质保护、休闲娱乐、沿岸陆地资源保护和文化资源保护等方面。这个协议还包含一个创新的适应性管理计划,有了这个计划整个海浪能项目就为满足环保要求而做出变动。这个波浪能电站将给美国未来波浪能发展提供可贵的样本和研究资料。
            俄勒冈州州长泰德•库隆格斯基说:“这个合同是一个有突破性意义的文件,它体现了美国政府部门、私有公司和沿岸社区之间联手发展可再生能源的决心。第一个电力浮标系统就给当地带来了几十个绿色就业计划,而这里将来要建10个这样的系统,一个全新的工业就将在这里诞生,必将给沿岸社区带来益处。”在强调收益的同时,他也提醒道:“在开发海洋能时要注意保护海洋生态环境,因为这对俄勒冈州的渔业很重要。”
            海洋能电力技术公司执行主席乔治•泰勒博士说:“这个合同的签订证明了公司在海洋能开发方面的技术实力,也肯定了公司让多方利益相关者参与到开发中来的开放运作方式。”他同时也展望了这个项目的未来,他说:“这个项目可以给美国制造业带来更多就业机会,同时提供低成本的清洁电力,减少美国对化石燃料的依赖。”
            据悉,俄勒冈州的里兹波特海岸是世界上最适合发展波浪能的地点之一。美国加利福尼亚州电力研究所的专业人员称,美国海岸可用海洋能比全美水电厂总装机的能量大9-10倍。
                《中国能源报》 (2010-08-23 09)
             
            参考文献
            http://gongjushu.cnki.net/refbook/detail.aspx?db=crfd&recid=R2006072290000018