波浪能发电装置

课程设计说明书题目名称波浪能发电装置的设计课程名称机械产品技术创新学生姓名郭钊群学号1341102053专业制冷与空调指导教师姜宏阳机械与能源工程系2015年12月17日波浪能发电装置的设计班级：制冷与空调姓名：郭钊群学号：1341102053摘要：海洋波浪能作为一种清洁环保并且可再生的新型能源已经吸引了世界各国科学人员的目光，并已取得一定的研究成果。介绍了海洋波浪能发电装置的原理，对海洋波浪能发电装置进行了分类，总结了几种典型海洋波浪能发电装置的优缺点，并针对现阶段国内外研究现状指出目前存在的问题和今后海洋波浪能发电装置的发展前景。关键字：新型能源；海洋波浪能；发电装置；发展前景前言：随着世界经济不断地高速发展，世界各国对能源的需求量急剧增长。当前出现的全球石油危机，使人们更加清醒地认识到能源在国民经济和社会发展中所起到的重要作用。为了解决能源供应在社会发展中所遇到的瓶颈问题，寻找可替代、可再生、清洁的新型能源已经成为全球各个国家的共识。海洋作为占地球面积70％的主体，不仅拥有丰富的水产、石油等资源，更蕴藏着巨大的能源，海洋能源主要是以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在［1］。其中海洋波浪能在海洋中无处不在，而且受时间限制相对较小，同时波浪能的能流密度最大，可通过较小的装置提供可观的廉价能源（主要以电能为主），并且也可以为边远海域的国防、海洋开发、农业用电等活动提供帮助。因此，世界上各个国家都十分重视并且花大力气开发与研究海洋波浪能，尤其是研究和开发波浪能发电装置正文：1.波浪能发电装置的发展历史海洋波浪能开发利用的设想可以追溯到一个世纪以前，早在1911年，世界上第一台海洋波浪能发电装置就研制成功，之后许多国家都致力于研究波浪能发电。20世纪80年代波浪能开发转向以为边远沿海和海岛供电为目的的实用性、商业化的中小型装置为目标，各国相继建成了20多个波浪能发电装置或电站。如今，世界上主要发展和研制的波浪能发电装置有“点头鸭”式、振荡水柱式、推摆式、聚波蓄能式、振荡浮子式、阀式等装置：1.1世界波浪能发电装置的发展历程；1799年，法国的吉拉德父子，获得了利用波浪能的首项专利。1910年，法国的波契克斯·普莱西克，建造了一套气动式波浪能发电装置，供应他自己住宅1kW的电力。1965年，日本的益田善雄发明了导航灯浮标用气轮机波浪能发电装置，获得推广，成为首次商品化的波浪能发电装置。受1973年石油危机的刺激，从20世纪70年代中期起，英国、日本、挪威等波浪能资源丰富的国家，把波浪能发电作为解决未来能源的重要一环，大力研究开发。在英国，索尔特发明了点头鸭装置，科克里尔发明了波面筏装置，国家工程试验室发明了振荡水柱装置，考文垂理工学院发明了海蚌装置。1978年，日本建造了一艘长80m、宽12m、高5.5m称为“海明号”的波浪能发电船。该船有22个底部敞开的气室，每两个气室可装设一台额定功率为125kW的气轮机发电机组。1978～1986年，日本、美国、英国、加拿大、爱尔兰五国合作，先后三次在日本海由良海域对“海明号”进行了波浪能发电史上最大规模的实海原型试验。但因发电成本高，未获商业实用。1985年，英国、中国各自研制成功采用对称翼气轮机的新一代导航灯浮标用的波浪能发电装置，挪威在卑尔根附近的奥依加登岛建成了一座装机容量为250kW的收缩斜坡聚焦波道式波浪能发电站和一座装机容量为500kW的振荡水柱气动式波浪能发电站，标志着波浪能发电站实用化的开始。1.2我国波浪发电装置的历程；我国近代的波浪能研究始于1968年。航空工业部623所的樊世荣研究了基于水翼原理的波力发电装置。自70年代开始，由上海市机电局牵头。1975年研制了一台1kW的波力发电浮标并在浙江省嵊山岛附近进行了试验。1977年又研制了小型航标灯用波力发电装置并在长江口的横沙岛附近进行了试验。80年代以来，有十几个研究所和大学开展了波能转换的研究。我国50kW岸式振荡浮子波浪能电站是由广州能源研究所研制并建于广东省汕尾市，项目开始于2001年，2006年4月建成。实海况试验表明，系统工作平稳，转换效率较高，实现了独立稳定发电。我国30kW沿岸固定式摆式电站由国家海洋技术中心于1994年和2000年进行了实海况试验，实现了离网发电，为岛上居民供电。总之，小型、离岸式波浪能发电装置的研究和利用较少，现有的小型波浪能发电装置功率也较小。随着我国海洋开发的深入，海洋浮标等观测设备对电能的需求随之增多。因此，开发小型、离岸式波浪能发电装置将具有广阔的前景2.波浪能发电装置的分类：下面按照结构形式的分类对几种典型的波浪能发电装置进行介绍并总结各自存在的优缺点：2.1“点头鸭”式“点头鸭”式波浪能发电装置的得名是由于该装置的形状和运行特性酷似鸭的运动，波浪入射波的运动使得动压力推动转动部分绕轴线旋转，流体静压力的改变使浮体部分作上升和下沉运动，动能和位能同时通过液压装置转化，再通过液力或电力系统把动能转换为电能。由于“点头鸭”式装置很多部件直接与海水接触，极易损坏，因此各国已经基本对其停止使用和研究。优点：构思巧妙；原理完美；理想运行下，效率高（接近90%）。缺点：结构复杂；过多活动部件暴露在海水中；装置可靠性差；极易损坏。适用场合：适用于理想海况，波浪规律的场合。2.2震荡水柱式优点：采用空气传递能量；没有水下活动部件；传递方便；通过气室将低速运动的波浪的能量转换成高速运动的气流；可靠性好。缺点：建造费用昂贵；转换效率低（10%～30%）；发电成本高。适用场合：适用于大风浪区域。振荡水柱式波浪能发电装置内的水柱在波浪的作用下做上下往复运动，水柱的作用类似于活塞，水柱的不停运动导致水柱自由表面上部的空气柱产生振荡运动，空气在气室上方的出气孔流经一个往复透平，从而将高速空气的动能转换为电能。振荡水柱式波浪能装置较其他波浪能装置最大的区别就是具有气室。所谓气室就是指一个结构，其下部有一开口浸在海水里，使海水能够自由地进入气室内。2.3推摆式推摆式波浪能发电装置是利用装置的运动部件，在波浪的推动下，通过摆体作前后或上下摆动，将波浪能转换成摆轴的动能。与摆轴相连的是液压装置，它将摆轴的动能转换成液力泵的动能，再带动发电机发电。优点：成本略低；转换效率较高。缺点：可靠性较差；极易损坏；维护较为困难；转换效率较高但不稳定。适用场合：适用于在防波堤上的大型发电装置。2.4聚波蓄能式聚波蓄能式波浪能发电装置是利用狭道把广范围的波能聚集在很小的范围内，这是一种提高能量密度的方式。波浪在逐渐变窄的波道中，波高不断地被放大，直到波峰高过波道的边墙，将波浪能转换成势能贮存在蓄水库中，可利用水轮发电机组进行发电。优点：可靠性好；维护费用低；系统出力稳定；不受波高和周期的影响。缺点：对地形和波道有严格的要求，不易推广。适用场合：适用于地形狭窄区域。2.5震荡浮子式振荡浮子式波浪能发电装置是在振荡水柱式装置的基础上发展起来的波浪能发电装置。装置通过振荡浮子将波浪能转换成驱动液压泵的往复机械能，再通过能量缓冲区将不稳定的液压能转换成稳定的液压能，通过液压马达将稳定的液压能转换成稳定的旋转机械能，再通过发电机发出稳定的电能。优点：建造难度和成本比其他波浪能装置低，建造相对简单；吸收波浪能的效率较高。缺点：浮子受过多的冲击，易损坏。适用场合：由于占较小位置，适用于为一些灯塔、浮标提供电源。2.6阀式阀式波浪能发电装置是波面阀通过铰链相互铰接在一起，能量转换装置置于每一铰接处，波浪的运动使波面阀沿着铰接处弯曲，从而反复压缩液力活塞并输出机械能。当装置的固有频率与波浪的频率相一致或接近时，装置的输出效率最高。优点：理想状况下，转换效率较高。缺点：系泊困难，波面阀制造费用过高。适用场合：适用于波能密度较大的海域。3.空气能热水器工作原理波浪能发电最基本的原理是通过波浪的运动使装置工作并带动发电机发电，将水以动能和势能形式存在的机械能转化为电能。通常波浪能转换成电能要经过三级转换，第一级转换是受波体吸收波浪能；第二级转换由中间转换装置优化第一级转换，产生稳定的能量；第三级转换由发电装置把稳定的能量转化成电能，根据波浪能发电装置的内在联系、外部特征、结构和用途等方面的不同，可将波浪能发电装置按不同的方式进行分类。4.国内外波浪能发电装置的研究现状世界上波浪能转换设备开发最早的国家是法国。后来英国、挪威、印度、日本、美国、葡萄牙等国相继开发，各国都在积极开发研究各种各样的波浪能发电的高新技术，其中以日本和英国两国技术居于世界的领先水平。日本一直非常重视波浪能发电技术的研究与应用，在波浪能发电技术方面走在世界的前列，目前日本已建造1500多座波浪能发电装置。从20世纪80年代中期至今已建成4座岸基固定式和防波堤式波浪能电站，单机容量为40～125kW。其中20世纪80年代初建造的“海明”号波浪能发电船最为著名，总装机容量可达1250kW。英国具有世界上最好的波浪能资源。从20世纪70年代开始，英国将波浪能发电研究放在新能源开发的重要位置。20世纪80年代，英国已成为世界波上第一个波浪能发电厂在苏格兰伊斯莱岛附近建成并开始商业化运行。英国波浪能发电的开发目标是总容量为2GW的波浪能发电设备。3．2我国波浪能发电装置的研究现状我国近代的波浪能研究始于1968年。研究波浪能发电最早兴起于上海，为了开发海洋资源、促进经济发展，我国将波浪能发电研究列入了国家重点科技攻关项目。目前从事波浪能发电研究与开发的单位共有十几家，因此波浪能发电技术获得了较快的发展。其中以中国科学院广州能源研究所拥有的水平与成果最为先进。1984年研制成功航标灯小型波浪能发电装置，在我国沿海海域大面积推广与运用。1997年在珠海大万山岛建成国内首座3kW的岸式波浪能试验电站。“九五”期间完成重点科技项目攻关—汕尾100kW岸式波浪能发电电站（该电站属于振荡水柱式类型）。“十五”期间，2002年在海洋波浪能发电关键技术上取得了重大突破，研制的装置可以将随机的波浪能转换成用户能够直接使用的稳定电源，从而为大规模地利用波浪能开辟了新的途径和思考方法。2008年，中国科学院研制成功了液态金属磁流体波浪能直接发电的原理性演示装置，提出了一种工作原理与常规波浪能发电系统完全不同的新型波浪能发电技术。其实质是系统采用了磁流体发电机，提供了一个与波浪吻合很好的机械阻抗。因此，系统转换效率高、功率密度大、结构紧凑、成本低廉，而且移动性好。5.目前波浪能发电装置研究中仍存在的问题虽然波浪能发电装置的研究与开发已取得了一定的成果，但是相比较而言，波浪能发电装置与太阳能、风能等清洁能源利用装置相比，并没有普及到人民生活中，其中的问题总体而言主要体现为以下几点。4．1发电成本据有关专家的计算，现阶段海洋波浪能的发电成本比常规的热发电高出10倍左右，因此成本问题已经成为普及和大规模利用波浪能发电的最大障碍。只有改进波浪能发电的技术，减小发电成本，才能使波浪能发电真正达到实用化水平，为人们所用。4．2总效率我们研究波浪能装置时通常只是在规则的、平稳的造波池中做试验，得出的结论往往并不具有实际操作性和可行性，因为正常情况下海洋的波浪是时刻变化的，波浪能的能量分散不易集中，因此造成装置的发电总效率并不高。此外，目前波浪能发电装置上使用的发电机一般都采用的是通用的小型三相交流发电机，这种发电机并不完全适用在波浪发电装置上使用，这也是造成发电总效率低的原因之一。4．3工程性波浪能装置大多是直接放置在海水中的，海洋环境下台风天气时常发生，台风具有巨大的破坏能力，会损坏波浪能装置，造成装置失效。并且海水具有腐蚀性，装置容易被腐蚀。5.参考文献百度文库《海洋波浪能发电装置的研究现状与发展前景》