【科普】波浪能发电~海洋能

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所属分类:海洋工程

波浪能发电(wave power generation)是以波浪的能量为动力生产电能。海洋波浪蕴藏着巨大的能量,正弦波浪每米波峰宽度的功率P≈HT kW/m。式中,H为波高,m;T为波周期,s。通过某种装置可将波浪的能量转换为机械的、气压的或液压的能量,然后通过传动机构、气轮机、水轮机或油压马达驱动发电机发电。全球有经济价值的波浪能开采量估计为1~10亿kW。中国波浪能的理论储量为7000万kW左右。【科普】波浪能发电~海洋能

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。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。

【科普】波浪能发电~海洋能
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。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。

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浮漂式工作原理简图

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。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。

【科普】波浪能发电~海洋能
点头鸭液压式装置简图

 大规模波浪能发电的成本还难与常规能源发电竞争,但特殊用途的小功率波浪能发电,已在导航灯浮标、灯桩、灯塔等上获得推广应用。在边远海岛,小型波浪能发电已可与柴油发电机组发电竞争。今后应进一步研究新型装置,以提高波浪能转换效率;研究聚波技术,以提高波浪能密度,缩小装置尺寸,降低造价;研究在离大陆较远、波浪能丰富的海域利用工厂船就地发电、就地生产能量密集的产品,如电解海水制氢、氨及电解制铝、提铀等,以提高波浪能发电的经济性。预计随着化石能源资源的日趋枯竭, 技术的进步, 波浪能发电将在波浪能丰富的国家逐步占有一定的地位。

我国技术成果

记者从中科院广州能源研究所获悉,由该所研制的“鹰式一号”漂浮式波浪能发电装置,在位于珠江口的珠海市万山群岛海域正式投放,并成功发电,这标志着我国海洋能发电技术取得了新突破。

随着新能源成为人们关注的热点,海洋能发电技术以其独特优势和战略地位吸引了人们的注意,世界各主要海洋国家普遍重视对海洋的开发利用。作为海洋波浪能利用技术的一种,“鹰式一号”漂浮式波浪能发电装置由中科院广州能源研究所究所课题组历经一年半研制完成。课题组不断优化和改进装置模型,共制作了5套装置模型,分别在二维水槽和三维水槽内进行大量试验,最终将实海况装置的设计方案定型为轻质波浪能吸波体与半潜船的结合。【科普】波浪能发电~海洋能该新型发电装置采用外形经过特殊设计的轻质波浪能吸收浮体,使得浮体的运动轨迹能与波浪运动轨迹相匹配,可最大程度吸收入射波而最小程度减少透射和兴波。日前首次投放的该发电装置安装有两套不同的能量转换系统,总装机20kW,其中液压发电系统装机10kW,直驱电机系统装机10kW,两套系统均成功发电。试验表明,该新型设备实现了快捷、安全和低成本研发海洋波浪能发电装置的目标,为规模化开发利用海洋波浪能打下坚实基础。据介绍,该发电装置由国家海洋可再生能源专项资金项目——“10kW水母式波浪能发电装置研究”专项资助完成。

 

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