[科普中国]-聚波涡轮式波浪能发电装置

简介

开发可再生能源，减少对化石能源的依赖既能满足我国的可持续发展战略，也能对环境保护有积极作用。在浩瀚的海洋里，蕴藏着极为丰富的自然资源和巨大的“海洋能”，其中波浪能的研究和利用还处于初始阶段。于是我们小组基于国家大学生创新训练项目，基于现阶段海洋波浪能发电装置的研究，设计了一种可以同时利用海浪的势能和动能的发电装置，以期提高波能发电装置的能量采集效率，同时聚波涡轮式海洋波浪能发电装置也可为岛礁开发供电，减少成本和对化石能源的依赖1。

我国波浪资源我国海洋能资源非常丰富，而且开发利用的前景广阔。全国大陆海岸线长约18,000km;还有6,000多个岛屿，其海岸线长约14,000km;整个海域面积490万km2。如果将我国的海洋能资源转化为利用的动力值，至少可达1.5亿。

现阶段我国大力开发的南海岛礁，大多数都是远离大陆的孤立岛礁，太长距离多自设柴油发电机。然而柴油的供应增加了交通运输的成本和压力，而且单一的柴油机发电会对岛礁脆弱的绿色生态造成破坏。利用波浪能发电装置开发利用岛礁附近海域的波浪能资源，进一步还能应用于岛礁的渔业、制淡、旅游、运输等方面，对开发与管理海岛、保持海岛自然生态环境具有重大意义。

从介绍我国波浪能资源密度入手，初步验证我们设计的装置开发利用前景;通过分析现阶段部分具有聚波性能的越浪式波浪能发电装置，引出我们装置克服了现阶段大多数海洋波浪能发电装置单一能量采集形式的弱势;最后通过基本计算论证我们装置的工作环境条件。

聚波涡轮式波浪能发电装置的结构组成聚波浪涡轮式发电装置，分为发电部分、底板支撑部分、自偏转部分和能量采集部分。整体结构包括底部支撑板，底部支撑板由通过底部轴连接的上层板架和下层板架组成，底部支撑板中央处有转轴和支柱，上层板架可绕其转动。还包括外围的导浪板和集浪板，导浪板自下而上宽度变窄，且呈倾斜的角度安装，在导浪板上部连接有集浪板;导浪板底部与底部支撑板之间有空隙;在中心支柱上，安装有涡轮，涡轮上连接有皮带，皮带转动时带动皮带轮转动，皮带轮与发电机连接，发电机设置在支柱上部;在支柱顶部设置有迎风板。

聚波涡轮式波浪能发电装置的能量采集部分由波浪功率密度简化公式是:

海水密度P是1.025g/cm3, PW单位取km/m,告是三一有义波高，即有效波高，单位取mo T。为波能周期一般我们会用较为简洁的系数法Te=aT。为谱峰周期，当波浪谱型为JONSWAP谱，且谱峰因子y=3.3时，a=0.9 0

通常认为波浪能流密度大于2kw/m时为可以开发利用，说明全球大部分海域的波浪能流密度属于可利用范围。

中国沿海海域位于北太平洋西部，中国沿海的的波能功率密度基本在2-7kw/ m之间，属于波能较低的海域。如果装置单一采集波浪的动能或者势能，则波浪能发电装置效率不会很高，再考虑到装置较高的成本，整体工程收益较低。

再结合现分析阶段与我们设计原理相似的越浪式波浪能发电装置。越浪式波浪能发电装置，比较突出的主要有挪威的收缩水道式电站TAPCHAN、丹麦的龙式波能发电装置Wave Dragon以及挪威开发的岸线锥形槽波能发电装置SSG。收缩波道式波浪能发电装置，也叫聚波水库式波浪能发电装置(taped channel常缩写为APCHAN)。

聚波理论最早由挪威特隆姆大学的Falnes和Budal。聚波水库装置利用喇叭型的收缩波道作为一级能量转换装置。波道和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，直至波峰溢出边墙，将波浪能转换成势能贮存在贮水库中。进而再利用水池和海平面的落差，带动水轮机转动，水轮机作为二级能量转换装置，带动发电机发电。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，几乎不受波高和周期的影响;不足之处是电站建造对地形有特殊要求，不易推广，而Wave Dragon的漂浮式设计克服了地形要求的限制。

碟形越浪式波浪能发电装置的碟形引浪面设计能够吸收不同入射方向的波浪;同时，装配在碟形引浪面坡道的导流叶片既可以防止波浪向两侧滑落，又可以抬高波浪的爬升，有助于波浪的越过，增加装置的波能转换效率。

这些装置都证明了聚波坡道的设置，是利用波浪的势能的很好的一种方式，我们的设计也是以聚波理论为指导基础。但是现阶段的越浪装置都只利用了波浪的势能，能量采集形式过于单一，能量采集效率不高。而其他形式的波浪能发电装置，例如振荡水柱式、浮力摆式和筏式，一般只采集垂直或者水平运动的动能，没有很好的采集波浪的势能，波浪能采集效率低，而且能量转换环节过多，能量传递效率过低。

聚波涡轮式波浪能发电装置的自偏转部分上层海洋的主要运动是风应力驱动的直接结果，所以海浪中风浪占有主要地位。风浪一旦生成需要从风中摄取能量，海气间进行动量交换，直到波浪内部消耗的能量随着波龄尺寸的增大，涡动钻性成为影响风浪成长的主要因素)与从风中摄取的能量达到平衡，而达到充分成长状态，趋于饱和。风主要是从法向方向和切线方向传递能量给波浪，法向方向的压力不对称性归因为气流流线于避风侧波面分离，法向压力的水平分量与波浪运动方向相同。切向方向上，根据流体力学的观点，当空气和海水两种不同的流体相互接触并发生相对运动时会产生粘性力，两者相互作用会产生界面波，切向粘性力的水平分量也和波浪运动方向一致困。所以即便实际观测时，风区具有极大的不确定性，但风浪方向基本和风向是一致的，为我们的装置设计原理提供了理论依据。

我们从风机的偏航装置得到灵感，偏航即当风机的正方向与自然风风向发生一定的角度偏移时，风机会自动偏航至与自然风风向一致的位置，以确保风机能得到最大的迎风面从而提高风机的的发电效率，做到风能的最大可利用率图。

基于风浪基本同向的理论依据及风机尾舵的实际应用，我们在设计装置时，增加了自偏转装置。聚波坡道的越浪量与波的传播方向相关，当波况为多向波时，越浪量会减少，在海洋中波浪的流动方向不是一成不变的，自偏转装置是利用了波浪流动方向基本与风向一致现象，当风向改变时自偏转装置的上端的挡风板会受风力转动，直至与风向同向，与此同时涡轮的方向也会随着挡风板方向改变而改变，使得涡轮正好处于波浪能量最多的一个导浪板处从而提高了该装置的整体发电量与发电效率。

展望由于聚波涡轮式海洋波浪能发电装置工作范围更广，我们可利用该设备，以求降低各类海洋工程平台、岛礁开发对化石能源的依赖。其次，我们装置的风力自动转向装置在未来可进行智能化改造，加装传感器和智能自动遥控装置，使其更为高效地利用海洋波浪能。最后，通过计算，我们发现设计的装置由势能提供的转矩较少，未来还可进一步把聚波池设计更大一些。