摘 要

随着人类社会的不断发展与进步，能源短缺与环境恶化等问题日益突出，人们开始寻求可再生的清洁能源以替代传统的化石能源。近年来，波能发电逐渐成为全球研究热点，各国学者投入了大量研究，开发出了多种波能发电装置。振荡浮子式波能发电装置是被最为广泛研究的波能发电装置之一，具有轴对称的特点，且其发电效率不受波浪方向改变的影响。该装置将波浪引起的浮子运动转换成动力输出装置的机械能，进而将机械能转换成电能，转换效率较高。

本论文针对振荡浮子式波能发电装置，在Gambit中建立了简化的浮子模型，通过三维势流软件DIFFRACT计算了波能转换装置的水动力参数，在频域中分析了装置的垂荡幅值响应算子和波能捕获宽度，并采用了一种在浮子上下两端分别加入端阻弹簧的运动约束系统，建立了时域运动数值模型，讨论了加入运动约束系统后装置在极端海况下的性能，最后分析了相关参数对波能吸收功率的影响，评价其波能发电效率。

关键词： 波能发电装置；振荡浮子式；发电功率；运动约束；参数分析

Abstract

With the steady development of the human society, the problems of the energy shortage and environmental pollution are getting incredibly significant. Thus people begin to search for the clean and renewable substitutes of the traditional fossil energy. Recently, electricity production by wave energy is becoming prevailing in globe size and various kinds of wave power devices have been developed by the scholars in many countries. The oscillating buoy wave power device is one of the most widely researched device for its axial symmetry and stable electricity production efficiency in different wave directions. This device can convert the energy excited by the motion of the buoy into the mechanical energy, which will subsequently be transformed into electricity.

In this paper, a simplified model of the buoy has been established in the Gambit, and then the hydrodynamic characteristics of the device have been calculated in the 3D potential flow software DIFFRACT. The heaving response amplitude operator and capture width are analyzed in the frequency domain. With two end-stop springs applied to the upside and downside of the buoy in the heaving motion control system, a time domain model is established to evaluated the electricity production efficiency in the extreme wave condition. Finally, the effects of the related parameters on the wave energy conversion efficiency are analyzed in this study.

Key Words: wave energy converter; oscillating buoy; power generation; motion control; parameter analysis

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义 2

1.3 波浪能分布状况 3

1.4 波能发电装置种类 4

1.4.1 振荡浮子式 4

1.4.2 振荡水柱式 5

1.4.3 摆式 6

1.4.4 筏式 6

1.5 国内外研究现状 7

1.5.1 国外研究现状 7

1.5.2 国内研究现状 9

1.6 研究内容 10

第二章 相关理论 11

2.1 波浪理论概述 11

2.2 微幅波理论 12

2.3 振荡浮子式波能发电装置水动力分析 13

2.3.1 振荡浮子式波能转换装置频域分析 13

2.3.2 振荡浮子式波能转换装置时域分析 14

2.3.3振荡浮子式波能转换装置吸收功率分析 15

第三章 模型建立与分析 16

3.1 模型建立 16

3.2收敛性分析 16

3.3 参数影响分析 19

3.3.1 影响分析 19

3.3.2 影响分析 21

3.3.3 频率验证 24

第四章 时域计算结果分析 26

4.1系统识别 26

4.2 运动约束设计 28

4.3 波能吸收功率分析 32

4.3.1 影响分析 33

4.3.2 影响分析 35

4.3.3 频率影响分析 36

第五章 结论与展望 39

参考文献 40

致谢 42

第一章 绪论

1.1 研究背景

自工业革命以来，人类社会科学技术发展便进入了突飞猛进的阶段，带来了能源资源需求的急剧增加和传统化石能源的巨大消耗。然而地球上的煤、石油、天然气等化石能源的储备并不是无限的，经过近两个世纪的开采挖掘已使用过半，能源危机是摆在人类面前不得不思索的难题。依据2018年的《BP世界能源统计年鉴》^[1]，如果按照当前的消耗速率使用下去，世界上总的煤炭、天然气、石油储藏量分别仅能供应134年、52.6年和50.2年。同时，过度的能源消耗会产生严重的生态环境问题：大量的地下开采导致地表破坏；植被减少导致水土流失；在海洋中的钻井平台发生的事故致使大量的原油泄漏，在很长一段时间内会使得大范围的海水污染，进而导致大量的海洋生物死亡；化石原料燃烧产生的CO₂等温室气体的排放，会造成全球的气候变暖，大量的冰川、积雪成为海水，导致海平面上升，使得人类赖以生存的陆地面积急剧减少。特别值得注意的是，国内一些省市近几年发生的严重雾霾现象，也是由于化石能源的消耗过度的产物。全球性的能源短缺和生态环境恶化等问题严重威胁着人类社会的可持续健康发展，受到越来越多国家政府和国际组织的密切关注。于是，寻求经济、可靠、清洁的可再生能源，对于促进人类社会的可持续长久发展具有十分重要的意义。

在众多的可再生能源中，海洋可再生能源因其具有的诸多优点成为许多国家关注的焦点。地球上的海洋面积约占总表面积的71%，海水量占地球总水量的97%左右，因而可以说海洋是地球上最大的太阳能存储器，以各种形式蕴藏着巨大的可再生能量，包括了潮汐能、海流能、盐差能、温差能、波浪能、海洋风能等^[2]。根据国际组织IEA-OES（International Energy Agency-Ocean Energy systems）2006年的能源统计报告^[3]，理论上全球可供开发使用的海洋能源总量如表1-1所示。在这些能量中，

表 1-1 典型海洋能的资源储量（单位：KW）

种类	理论值	技术可利用量	实际可开发量
波浪能	3times;109	1times;109	3times;108
温差能	4times;1010	2times;109	1times;108
潮汐能	3times;109	1times;108	3times;107
海流能	6times;108	3times;108	3times;107
盐差能	3times;1010	3times;109	3times;108

于是，众多的国内外学者投入到将波浪能转换为电能的研究当中，开发出了各种各样的波能转换装置。尽管装置的形式各异，但其发电原理基本相同，都是通过能量捕获、能量传输和电力输出这三级能量转换系统，将波浪能先转换成机械能或液压能，再通过中间的能量传输转换，输给发电系统发电。经过多年的研究与应用，人们对各波能转换装置的基本原理以掌握地十分清楚，目前主要的研究工作是提高装置的发电效率，降低其使用成本，延迟装置的寿命，实现大规模的商业化。本文以振荡浮子式波能转换装置为例，分析了装置的水动力特性，设计了一种防止装置在极端海况中破坏的运动约束，评价了其性能，计算了发电功率并对影响发电功率的参数进行了分析。

1.2 研究意义

我国960万平方公里的陆域上，边界线蜿蜒曲折，海岸线长达一万八千千米，拥有37万平方公里的领海和300万平方公里的海洋专属经济区^[4]，这些优越的地理条件使我国拥有极其丰富的海洋资源。根据相关数据保守估计，我国波浪年平均功率约为1.3times;107 kW，如果将这些资源转化为有用的动力值，相当于我国目前电力总装机量的两倍多^[5]，因此发展海洋能势在必行。国家也将海洋能作为重点发展对象，给予大量的政策与经济支持。具备如此庞大的能源潜力和有利的政策扶持同时，通过波浪能发电还有下列几个优点：

（1）缓解能源紧张问题

我国陆地上化石能源仅占世界总量的1.4%，却拥有大约世界上20%的人口，这使得我国人均资源拥有量十分不足，能源供应相当紧张。海洋资源主要集中在海岸线一带，而这里正是人口密集、产业发达、能源需求量大的区域。通过大力发展波浪能，可以有效地缓解海岸、岛屿地区能源紧张问题，提高资源的利用率。

（2）改善环境

波浪能是一种清洁的可再生能源，不会产生有毒有害气体，大力发展波浪能，能减少传统化石能源的使用，降低环境的污染程度,构建健康、绿色、和谐的发展环境，切合国家“改善环境就是发展生产力”的口号，对于推动建设“资源节约型”和“环境友好型”社会具有十分重要的意义。

（3）促进经济增长和就业

开发利用波浪能在缓解能源紧张的同时，也促进了沿海区域经济的发展，保障了沿岸和岛上居民日常用电的同时，也给当地的工厂、企业提供了电力储备。同时在波浪能产业开发和投入实践过程中，提供了一系列的就业机会，在一定程度上改善了当地的就业形势。

对于本文所研究的振荡浮子式波能发电装置来说，线性能量输出系统（PTO）下，波能最优捕获宽度较小，使得能量转换效率较低，另外，在波高较大的海况下，装置容易运动幅度过大而导致损坏，降低其使用寿命。而本文对装置进行的参数分析，在一定程度上增加了装置的发电功率，提高了波能转换效率，对装置的运动约束设计降低了垂荡方向运动的运动幅值，在一定程度上保护装置在大风大浪情况下受到损坏，提高了使用寿命。因而，本文的研究对于振荡浮子式波能发电装置的进一步发展与完善具有积极意义。

1.3 波浪能分布状况

海洋中的波浪能是其中的波浪所具有的势能和动能的集合，假设波浪周期为T,迎波面宽度为D，则波浪所具有的能量为：

（1.1）

波浪能量在时间尺度上随机多变，不同的气候、季节，波浪具有的能量差异很大；在空间尺度上，地域、海况的不同，也会使得波浪能密度高低不一。由于波浪能具有的这些特点，使得波浪能量随机多变，具有很强的不稳定性。从而增加了利用波浪能的困难程度。

地球上波浪能能量密度的分布如图1-1所示。图中能量密度利用单位波峰线长度或者沿海岸线上的波浪能量表示，通常当波浪能密度大于20KW/m时，认为波浪能条件较好。从图中可以看出，赤道两侧及中高纬度地区海域的波浪能密度普遍在20KW/m以上，具有较好的波浪能条件。

图 1-1 全球波浪能密度分布图（KW/m）

我国的波浪能资源相对来说比较丰富，根据相关数据统计，我国沿海省市的波浪能资源分布如表1-2所示，从表中可以看出，台湾、浙江、广东、山东这四个地区的波浪能资源较多，占全国范围内的半成以上。

表 1-2 我国沿海省市的波浪能资源分布

省市	理论平均功率/MW	所占比例/%
辽宁	255.03	2.0
山东	1609.79	12.5
河北	143.63	1.1
浙江	2053.40	16.0
江苏	291.25	2.3
福建	1659.67	12.9
上海	164.83	1.3
广东	1739.50	13.5
广西	80.9	0.6
台湾	4291.22	33.4
海南	562.77	4.4
全国	128520.0	100

1.4 波能发电装置种类

按照装置的结构形式、固定方式及能量传递和转化形式的不同，可将波能发电装置分为一下几个种类^[6]，如表1-3所示。

表1-3波能发电装置分类

分类方式	种类
结构形式	固定式、漂浮式
固定方式	振荡浮子式、摆式、点头鸭式、筏式、振荡水柱式
能量传递形式	气动式、液压式、机械式
能量转换形式	直接式、间接式

以下按照结构形式的分类方式简单的介绍几种波能发电装置。

1.4.1 振荡浮子式

振荡浮子式波能转换装置的发电原理如图1-2所示^[7]，主要是通过在一个或多个在海面上随波浪漂浮的浮子，将捕获到的波浪运动转换为自身的动能和势能，然后通过连接绳或杆等构件，将能量传递给固定在海床上的二级能量转换装置，继而转换为液压能或机械能，再通过能量传输系统传输给发电机转化为电能。

图 1-2 振荡浮子式波能转换装置

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