波浪能
關(guān)注創(chuàng)建者：MSCliww158 創(chuàng)建時(shí)間：2016-01-23
波浪能的實(shí)例教程
摘 要:振蕩水柱（OWC）波浪能轉(zhuǎn)換裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能可靠和裝置壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),是一種主流的波浪能發(fā)電裝置。通過(guò)對(duì)OWC技術(shù)的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行分析總結(jié),全面介紹各類OWC技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)氣室腔體的工作狀態(tài)不同,將OWC裝置分成固定型OWC和振蕩型OWC,其中固定型可細(xì)分成岸基固定型、近岸固定型和漂浮錨固型。根據(jù)OWC裝置工作原理的不同,分類探討了OWC技術(shù)相關(guān)的研究成果,并總結(jié)了OWC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。分析了OWC波浪能轉(zhuǎn)換裝置中三種不同空氣透平的優(yōu)缺點(diǎn),并介紹了一種高效可靠的雙單向透平系統(tǒng)。最后提出三種提高OWC發(fā)電效率的建議,并展望了OWC技術(shù)的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞: 波浪能; 振蕩水柱; 空氣透平; 氣室腔體
0 引言
隨著石油危機(jī)的爆發(fā)和化石能源的不斷消耗, 人類對(duì)清潔可再生能源的需求迅速增長(zhǎng)。地球表面70%以上的面積都是海洋[1], 海洋上的可再生能源種類眾多且儲(chǔ)量巨大, 其開(kāi)發(fā)利用前景廣闊。
大多數(shù)波浪能發(fā)電裝置可根據(jù)其工作原理不同分成振蕩水柱式（oscillating water column, OWC）、越浪式和振蕩浮子式三種。其中OWC發(fā)展最早也較為成熟, 應(yīng)用也相對(duì)廣泛。OWC技術(shù)以空氣為能量轉(zhuǎn)換的媒介, 利用氣室內(nèi)水柱來(lái)推動(dòng)空氣往復(fù)流動(dòng), 從而推動(dòng)空氣透平旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電。本文介紹OWC波浪能轉(zhuǎn)換裝置的基本原理和目前OWC發(fā)電裝置的分類, 并對(duì)OWC發(fā)電裝置中的空氣透平結(jié)構(gòu)分類進(jìn)行概述, 最后對(duì)未來(lái)OWC波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行展望。
1 OWC波浪能轉(zhuǎn)換原理及分類
OWC波浪能轉(zhuǎn)換裝置屬于氣動(dòng)式波浪能轉(zhuǎn)換裝置, 其工作原理是海水在氣室里上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)壓縮和膨脹氣室內(nèi)空氣使其與外部大氣產(chǎn)生壓力差, 從而迫使氣室內(nèi)的氣體通過(guò)與外界大氣相接管道流出或流入, 管道中空氣透平被空氣推動(dòng)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
展開(kāi) 波浪發(fā)電2
近年來(lái)，全球能源短缺，人們?cè)桨l(fā)渴望從大海中汲取能量，波浪能就是其中一種。據(jù)科學(xué)家推算，地球上波浪蘊(yùn)藏的電能高達(dá)90萬(wàn)億千瓦時(shí)。目前，海上導(dǎo)航浮標(biāo)和燈塔已經(jīng)用上了波浪發(fā)電機(jī)發(fā)出的電來(lái)照明。小編在這里給大家分享下澳大利亞波浪能的技術(shù)設(shè)備和項(xiàng)目。
經(jīng)過(guò)十多年的試驗(yàn)與示范，澳大利亞的卡內(nèi)基海浪能源公司(Carnegie Wave Energy)目前正在小范圍內(nèi)試行一個(gè)供電項(xiàng)目，即將波浪能轉(zhuǎn)化的電力輸送給西澳洲地區(qū)的電網(wǎng)使用。
“這是將波浪能發(fā)電機(jī)并網(wǎng)連接到澳大利亞甚至全世界電網(wǎng)的第一步”，澳大利亞可再生能源機(jī)構(gòu)首席執(zhí)行官 Ivor Frischknecht 在一份聲明中如此說(shuō)。該機(jī)構(gòu)為這項(xiàng)總耗資 3200 萬(wàn)美元的項(xiàng)目提供了 1300 萬(wàn)美元資金。
這種波浪能技術(shù)能夠把海洋涌動(dòng)的海浪轉(zhuǎn)換為零污染的可再生能源和零污染的淡化水，卡內(nèi)基海浪能源公司以希臘海洋女神的名字將之命名為 CETO。公司表示，這套系統(tǒng)不同于其他波浪能裝置，因?yàn)榘惭b在海底，這樣可以遠(yuǎn)離暴風(fēng)雨帶來(lái)的損害，與此同時(shí)從岸上也是看不到的，減少了陸地景觀的破壞，也更加安全。
CETO技術(shù)原理
圓形的浮力促動(dòng)器被安裝在海下 25 至 50 米的深度，同時(shí)被連接到海床上的渦輪泵組。當(dāng)海浪拍擊到浮力促動(dòng)器上時(shí)便啟動(dòng)泵組，泵組將海水增壓并通過(guò)管線送到岸上的水力發(fā)電廠，這些被強(qiáng)力增壓的海水再驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電。
高壓水還可以用來(lái)支撐岸上逆滲透海水淡化廠的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)一系列滲透膜裝置逆滲透技術(shù)從海水中提取出純凈的飲用水。而以往傳統(tǒng)的海水淡化是使用電動(dòng)泵，會(huì)產(chǎn)生溫室氣體。與傳統(tǒng)的海水淡化工廠相比較，該項(xiàng)目有望減少電力消耗高達(dá)90%。
CETO技術(shù)優(yōu)勢(shì)
卡內(nèi)基波浪能源公司稱，CETO技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)。
簡(jiǎn)易性，僅需一個(gè)泵送系統(tǒng)，尺寸大小可控。
展開(kāi) 海洋波浪能儲(chǔ)量豐富，且?guī)缀醪灰蕾囉诃h(huán)境條件，是一種有望大規(guī)模應(yīng)用的可再生能源。然而由于有效的、經(jīng)濟(jì)的能量采集技術(shù)的缺乏，這種能源很少被開(kāi)發(fā)使用。目前，大多數(shù)的波浪能發(fā)電裝置都是基于電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)，具有笨重、體積龐大、昂貴、易腐蝕、在海浪頻率下效率低下的缺點(diǎn)。所以，需要尋找一種小型、輕量化、經(jīng)濟(jì)的、一體化的水波能量收集方法。
摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）提供了一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的新途徑，具有收集海洋表面波浪能的巨大潛能。由于與電磁發(fā)電機(jī)在物理機(jī)制上的根本差異，摩擦納米發(fā)電機(jī)有望成為收集低頻機(jī)械能特別是“藍(lán)色能源”的“殺手”應(yīng)用。2014年王中林院士提出“藍(lán)色能源”的思想，將成千上萬(wàn)的發(fā)電單元連接成TENG網(wǎng)絡(luò)用來(lái)收集大范圍的波浪能。之后，內(nèi)嵌金屬球的格子狀結(jié)構(gòu)和球殼結(jié)構(gòu)單元組成的發(fā)電網(wǎng)絡(luò)被研制出來(lái)，以及通過(guò)彈簧和多層結(jié)構(gòu)的引入，球形發(fā)電單元的性能得到了很大的改進(jìn)。但是，由于大的阻抗和不平衡的負(fù)載匹配，發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)很難直接驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備或者給儲(chǔ)存設(shè)備充電。所以，為了打破這一瓶頸，有效的能量管理是非常有必要的，這有利于實(shí)現(xiàn)更有效的水波能利用。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王中林院士和張弛研究員（共同通訊作者）等人探究了面向海洋能收集的摩擦納米發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)的能量管理技術(shù)與方法，并在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為“Triboelectric Nanogenerator Networks Integrated with Power Management Module for Water Wave Energy Harvesting”的論文，博士生梁茜、蔣濤副研究員和博士生劉國(guó)旭是論文的共同第一作者。
展開(kāi) 這一混合動(dòng)力三體船項(xiàng)目由菲律賓科技部（DoST）出資，將建造一艘使用氣體和波浪能的高速船。菲律賓科技部下屬工業(yè)、能源和新興技術(shù)研發(fā)委員會(huì)（PCIEERD）的工程師Nonilo Pena表示，該項(xiàng)目已經(jīng)經(jīng)過(guò)了菲律賓專家的幾次評(píng)論和評(píng)估。
同時(shí)，菲律賓中央辦公室的造船工程師將密切關(guān)注研發(fā)進(jìn)展，確保項(xiàng)目能夠取得成功。菲律賓海事管理局（Marina）的工程師Romeo Amuan指出，這一項(xiàng)目將是菲律賓航運(yùn)業(yè)的一個(gè)重大突破，是全球首個(gè)海浪驅(qū)動(dòng)船舶項(xiàng)目。
據(jù)了解，Metallica船廠建造的這艘鋼制三體船將能夠搭載100名乘客、4輛貨車和15輛摩托車。使用鋼材建造將可以確保更高的結(jié)構(gòu)效率和更好的波阻。
菲律賓科技部表示，波浪能雙動(dòng)式液壓泵將集成在這艘混合動(dòng)力三體船的外伸支架中。液壓泵中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)將轉(zhuǎn)換為電能，可用于為船舶提供額外的動(dòng)力。船舶遇到的波浪越多，產(chǎn)生的功率就越大。這項(xiàng)技術(shù)有望提高船舶的能源效率，不僅具有成本效益，而且可以保護(hù)環(huán)境。
這艘三體船將采用多發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，防止在海上遇到發(fā)動(dòng)機(jī)總故障，從而最大限度地減少海上事故。另外，該船還將采用特殊的工程設(shè)計(jì)，以解決傾覆的可能性，使其幾乎不會(huì)沉沒(méi)，并能夠承受惡劣的環(huán)境。
展開(kāi) 新能源一般是指在新技術(shù)基礎(chǔ)上加以開(kāi)發(fā)利用的可再生能源，包括太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)?em>能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面與深層之間的熱循環(huán)等；此外，還有氫能、沼氣、酒精、甲醇等。
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波浪能的最新內(nèi)容
這家瑞典公司開(kāi)發(fā)了一種利用海洋起伏能量的波浪能技術(shù)。他們通過(guò)浮標(biāo)內(nèi)的專利技術(shù)，將海洋波浪能轉(zhuǎn)化為清潔可再生電能，為千家萬(wàn)戶的家庭和企業(yè)供電。了解CorPower Ocean如何開(kāi)發(fā)出隨海浪起伏、可將海浪能轉(zhuǎn)化為清潔的可再生電能的浮標(biāo)。
澳大利亞可再生能源公司RayGen在維多利亞州Carwarp附近開(kāi)發(fā)了據(jù)稱是世界上最大規(guī)模的長(zhǎng)期能源儲(chǔ)存項(xiàng)目。
通過(guò)有限元模型探究了柔性防波堤整體剛度對(duì)防波堤消浪性能的影響，研究結(jié)果表明：對(duì)于恒定剛度的防波堤而言，防波堤材料剛度越大，對(duì)波浪反射效果越明顯；S.M.R.TABATABAEI 等[5]基于有限元理論對(duì)橫截面為矩形和圓形浮式防波堤展開(kāi)了二維數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明：在整個(gè)波頻范圍內(nèi)，圓形截面比矩形截面的消波性能更好；陳城等[6]通過(guò)數(shù)值模擬證明了加裝翼板可以提高浮式防波堤垂蕩運(yùn)動(dòng)的固有周期，使得帶翼板的浮式防波堤在面對(duì)較長(zhǎng)周期的波浪時(shí)，能夠吸收更多的波浪能
波浪能作為可再生能源的一種, 應(yīng)用前景十分廣闊, 波浪能發(fā)電技術(shù)也將隨著科技的進(jìn)步得到更加成熟的開(kāi)發(fā)和利用。
目前已經(jīng)投入發(fā)電應(yīng)用的OWC發(fā)電裝置, 很好地證明了OWC波浪能發(fā)電的可行性和商業(yè)性, 但仍存在發(fā)電成本過(guò)高的難題。因此提高波浪能發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率以及降低制造、安裝和運(yùn)行成本是未來(lái)研究和發(fā)展的方向。
此外，與海上新能源（如海上豐富的風(fēng)能、潮汐能、波浪能、太陽(yáng)能等）的協(xié)同耦合發(fā)展也能使這些新興產(chǎn)業(yè)效能最大化。在可持續(xù)發(fā)展場(chǎng)景中，這些新興低碳產(chǎn)業(yè)不僅可以利用離岸CCUS技術(shù)消耗大量的CO2，還可以為沿海地區(qū)綠色經(jīng)濟(jì)、藍(lán)色經(jīng)濟(jì)的規(guī)模增擴(kuò)拓展新空間及提供源源不斷的清潔能源和材料。
近年來(lái)，越來(lái)越多的國(guó)家重視發(fā)展多功能海洋平臺(tái)，以半潛式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，綜合風(fēng)能-波浪能-潮流能海上互補(bǔ)發(fā)電海洋平臺(tái)，深水鉆井平臺(tái)、海洋牧場(chǎng)都是國(guó)際上主要探討和研究的話題。2012年，我國(guó)第六代深水半潛式鉆井平臺(tái)投入使用[1]，其最大作業(yè)水深達(dá)到2451m。2011年，日本開(kāi)發(fā)制造了“Wind Lens”平臺(tái)[2]，整個(gè)平臺(tái)安裝了2臺(tái)風(fēng)力機(jī)波浪能裝置和太陽(yáng)能。
近年來(lái)，越來(lái)越多的國(guó)家重視發(fā)展多功能海洋平臺(tái)，以半潛式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，綜合風(fēng)能-波浪能-潮流能海上互補(bǔ)發(fā)電海洋平臺(tái)，深水鉆井平臺(tái)、海洋牧場(chǎng)都是國(guó)際上主要探討和研究的話題。2012年，我國(guó)第六代深水半潛式鉆井平臺(tái)投入使用[1]，其最大作業(yè)水深達(dá)到2451m。2011年，日本開(kāi)發(fā)制造了“Wind Lens”平臺(tái)[2]，整個(gè)平臺(tái)安裝了2臺(tái)風(fēng)力機(jī)波浪能裝置和太陽(yáng)能。
通過(guò)在小島建立智能微電網(wǎng)，充分利用光伏、風(fēng)能、波浪能等能源，可最大限度減少傳統(tǒng)柴油消耗，符合三沙發(fā)展理念。
三沙智能微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)是中國(guó)國(guó)家級(jí)電力技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)應(yīng)用示范工程，歷經(jīng)三年的研究與實(shí)踐。該系統(tǒng)主站設(shè)立在永興島，可實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)、光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、主子微網(wǎng)及海水淡化、充電樁等各類負(fù)荷數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控。
模型試驗(yàn)表明：如果能在波浪擾動(dòng)和艉板恢復(fù)力之間建立合適的相位，使用振動(dòng)翼可以很好地減小縱搖運(yùn)動(dòng)。
關(guān)于 T 型翼的模型試驗(yàn)，鄭義和董文才 [105] 對(duì)高速輕型穿浪雙體船的縱向運(yùn)動(dòng)減搖進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，分析了水翼的尺度、形式、安裝位置對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)有義值可減少 20%~30%。
新能源
新能源一般是指在新技術(shù)基礎(chǔ)上加以開(kāi)發(fā)利用的可再生能源，包括太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)?em>能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面與深層之間的熱循環(huán)等。
新能源并不是全部是電力，比如像氫燃料車，但大部分還是會(huì)轉(zhuǎn)化為電力，體現(xiàn)最多的就是風(fēng)能、光伏。
它是指海洋微生物、動(dòng)物和植物在船體等設(shè)備表面吸附、生長(zhǎng)和繁殖所形成的生物垢，不僅會(huì)增大船舶航行阻力，增加其能耗和二氧化碳排放；還會(huì)堵塞核電站、熱電站的冷卻水管路，降低其冷熱交換效率，阻礙波浪能發(fā)電、潮汐發(fā)電等裝備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；此外，它還會(huì)堵塞海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱的網(wǎng)孔，導(dǎo)致大面積魚(yú)蝦死亡，降低海洋養(yǎng)殖產(chǎn)能等。
