波浪发电技术简介.ppt

波浪发电技术,内容提要,研究背景与意义波能转换装置简介 永磁直线电机原理与结构波浪发电系统构建及其仿真,研究背景与意义,世界能源格局,人类对于传统能源的开发，面临着严峻的挑战。现代人的能源需求大约是以前农业社会的 10 倍，相当于每人每天 20 公升的石油。现在传统能源的开发费用已经随着资源的日渐稀少而变得更加昂贵，并且随着人类的不断消耗，世界主要能源开发期已经屈指可数：石油大约为 31 年，天然气为 40 年，铀为 48 年，煤为 218 年。而能源在使用的过程中伴随产生的温室效应和其他污染问题也将逐渐影响到我们的生存环境。如此恶劣的能源环境，使得能源学家不得不重新审视可再生能源，如风力能、太阳能、水能、地热能与海洋能等的定位，这些可再生能源的使用量目前仅占世界能源总使用量的 3%，利用率相对传统能源而言是非常低的。,世界能源格局,欧洲议会联盟已计划在 2050 年前完成“阳光能源改革计划”。这项计划可以概括为减少能源需求量，增加能源供给的方式，缩减能源供给量，尤其是高碳排放的能源供给模式，包括：“50 年内减少能源需求量 50%，利用太阳能提供 40%的能源，利用生物能提供 30%的能源，利用风力能提供 15%的能源，利用水力能提供 10%的能源，以及利用石油能提供 5%的能源。”而据统计，占全球 70%的海洋所蕴藏的再生能源总量，可能远远超过目前全球能源的总消耗量。,海洋能及其开发意义,海洋能指蕴藏于海水中的可再生能源，主要包括海洋机械能、海洋热能、海洋生物能和海洋盐度差能等，凡是在与海洋交界的国家均可在领海开发利用海洋能源。,海洋能及其开发意义,海洋能具备非常好的品性，即可再生性和清洁性，是现阶段亟待开发利用并十分具有战略意义的新能源。我国有18000公里的海岸线、300多万平方公里的管辖海域，海洋能源十分丰富，其中，近海域波浪能的蕴藏量约为1.5亿千瓦，可开发利用量约30003500万千瓦，海洋风能约有7亿千瓦左右。因此，大力发展海洋新能源，对于优化我国能源消费结构，支撑经济社会可持续发展意义重大。,世界波浪能储备情况,波浪能，作为海洋能源的重要组成之一，在海洋中的分布非常不均匀。因为波浪是由海面上风的作用引起的，因此在暴风巨浪中，波浪能达到 1000kW/m；而在平静海面，只有 0.001kW/m。一般认为北大西洋的波浪功率较高，可达8090kW/m，而封闭的海域，如地中海只有 3kW/m。太平洋西岸，如日本海域有 50kW/m。,世界波浪能储备情况,我国地处亚欧大陆与太平洋相临的地带，领海多属于封闭、半封闭的边缘海。海域相对封闭，风力较小，因此波浪能蕴藏量不大，且带有显著的季节变化及突然变化的特点。沿岸波浪能密度以渤海海峡、福建海坛岛以北、浙江中部、台湾为高。这些海区平均波高大于 1m，周期一般大于 5s，是我国可利用波浪能资源较为丰富的海域。,海洋波浪发电研究意义,因为太阳辐射的不均匀加热与地壳冷却及地球自转造成风，风吹过海面又形成波浪，因此海洋波浪是由太阳能源转换而成的，波浪所产生的能量与风速成一定的比例。波浪能是近期在海洋能源利用中研究最多的能源形式，因为其是海洋能蕴藏最为丰富的能源之一，随着人类不断的研究与试验，波浪能的利用也慢慢走向了商业化的道路。,海洋波浪发电研究意义,波浪能比较其他能源有如下优点：分布最广；可再生，太阳照射便能产生风能，从而会不断地产生波浪能；波能流密度最大，最高在某些地方可达到 100kW/m，可利用程度非常高；洁净无污染；有按周期性变化的规律可循，便于实现标准化利用；以机械能形式出现，是海洋能中品位最高的能量。波浪能的这些优点意味着：波浪能相对其他海洋能源，利用更加方便，装置可以更加小巧廉价，可以为沿海地区、海洋平台和远海领域的提供能源。,波能转换装置简介,波能转换装置有多种形式，但总体可以分为三级环节来分别进行分析，如下图所示。第一级转换是与波浪能直接接触的，其作用是将波浪能转换为实体所持有的能量，通常表现为随波浪进行起伏运动的机械能。第三级转换即最终转换，是将传递来的机械能转换为电能的装置，通常为发电机，比较新型的技术还有压电发电装置等，传递出去的电能经过一定转换可以直接进入电网，供最终用户使用。,右图中的物体1与物体2，分别称为受能体和定体。受能体直接接受从波浪中传递来的能量；定体相对固定，通过与受能体形成相对运动或位差而产生能量。受能体和定体是波能转换装置必不可少的两部分，它们的组合实现波能的转换。受能体和定体还可以根据装置的不同有各种各样的形式。,除了第一级转换与最终转换，中间转换并不是必不可少的，它在波浪转换装置中主要起稳向、增速和稳速的作用。另外有时第一级转换和最终转换装置是有一定距离的，因此就要求中间转换装置起到传输能量的作用。是否与后面重复,对原理图的描述，可以通过引入能量转换装置进行,第一级转换装置,第一级转换装置，受能体的不同类型使得能量转换的方式也不同，可以分为如下三类：受能体为刚体，能量转换方式为波能转化为机械能，如振荡浮子式、摆式、点头鸭式以及波面筏式；受能体为水体，能量转换方式为波能转化为动能跟势能，如收缩波道式（即聚波水库）；受能体为空气，能量转换方式为波能转化为空气能，如振荡水柱式。配合受能体完成波能转换另一不可缺少的定体目前这主要应用的有如下几种类型：（1）锚泊结构；（2）动力定位；（3）固定结构；（4）深水体；（5）其他稳定体。,“点头鸭”式波能转换装置,点头鸭式波能转换装置是在 1974 年由 Salter 提出的，转换效率可接近 90%左右，其名字的由来是因为该装置的形状和运动特性都类似于鸭的运动。受能体的运动主要来自于入射波运动产生的动压力和流体静压力，动压力推动鸭身绕轴线旋转，静压力推动鸭嘴做起伏运动。因为两种形式的运动是同相位的，因此可将产生的能量同时传递出去，从而再转换为电能使用。,优点：转换效率较高，调节鸭身质心可以使其自有频率与波浪运动频率相同或者接近从而形成共振，可以达到最大的转换效率；缺点：装备复杂从而造成可靠性较差，尤其在恶劣的海洋环境下，装置极易损坏。,“点头鸭”式波能转换装置,收缩波道式波能转换装置,收缩波道式波能转换装置最早由挪威特隆赫姆大学的Falnes和Budal提出，是根据聚波理论提出的一种波能转换装置。收缩波道式波能装置是由高位水库和一个渐收的波道组成的。收缩坡道的聚波作用，是由其坡道两侧的对数螺旋正交曲面形成的，两侧坡道在高位水库内相接，聚波作用使得进入收缩波道的波浪波高增大，从而越过混凝土墙进入高位水库，再运用位能通过水轮发电机组发电。,收缩波道式波能转换装置,优点：装置简单，体积较大，因而可靠性好，功率稳定且效率高，转换效率在65%75之间；缺点：装置建设对地形要求极高。,振荡水柱式波能转换装置,振荡水柱式波能转换装置是目前世界上最流行的波能转换装置，该装置受到重视的原因在于可以依靠共振来加强水柱的运动。共振时入射波与辐射波的联合作用可以进入水柱内的波浪波高增加，就提高了波能转换效率。,振荡水柱式波能转换装置,优点：机组只与空气接触，不与波浪接触，因此波浪的腐蚀与冲击比起与波浪直接接触的波能装置要小很多，因此稳定性强，故障率低。缺点：成本高，不仅材料成本较为昂贵，而且施工也较为复杂，所需要的机械、人工费用均较高；转换效率较低，仅为 10%30%左右,摆式波能转换装置,摆式波能转换装置的原理较为简单，即在波浪推动下，摆板上下运动产生机械能，然后再经由中间装置传输到最终转换，转化为电能。,优点：成本较低。缺点：转换效率不稳定，在恶劣的海洋环境下，可靠性较差，易损坏。,整流器式波能转换装置,整流器式波能转换装置，又名Ressell整流器，是由英国牛津水力研究所研制成功的。通过一组单向阀门，在波浪涌来时候允许水流进入蓄水池，水流的压力可维持水轮机装置内部的水轮机运转；当波浪不断涌入，当内部流体静压力超过波浪产生的压力时，进水阀门关闭；当内部流体静压力超过外界压力时，排水阀门打开，集水池内的水会部分排出。如此往复循环，保持水轮机的运转，不断将波浪能转换为机械能。,整流器式波能转换装置,优点：装置可靠性高。缺点：转换效率较低，投资费用过高。因此对于波能密度较为挑剔，需要比较高的波能密度才能将弥补其高昂的装置成本。因此，该装置在波能密度高的区域，如欧洲，可以得到广泛采用，在波能密度低的国家应用就不太理想。,振荡浮子式波能转换装置,振荡浮子式波能转换装置是一种较为新型的波能转换装置，是在振荡水柱式装置的基础上发展起来的。振荡浮子式装置由浮子、连杆、液压传动机构、发电机和保护装置等几部分组成，通过浮子吸收波浪能，产生起伏运动，再通过中间装置传输能量，最终驱动电机进行发电。振荡浮子式波能转换装置的受能体与定体都非常典型，都是利用二者的相对运动来进行波浪能的采集的。,振荡浮子式波能转换装置的优点是：一、容易建造，它几乎没有水下混凝土，大大降低了建造难度、建造成本；二、装置转化效率高；三、多是采用岸式装置，避免了能量输送以及装置系泊的问题，从而节约成本提高效率。正是基于以上优点，使振荡浮子式波能转换装置有望发展成为实用化的波能装置。,中间转换装置,中间转换在波浪发电系统中是必不可少的，它主要起到了稳向、增速和稳速的作用。另外在一些系统中第一级转换装置和最终转换装置之间是有一定距离的，因此就要求中间转换装置起到能量传输的作用。中间转换按传动实体的不同可分三种类型：气动式、水力式、机械式。以下就各类中间转换装置进行分类分析。,气动式能量转换装置,气动式能量转换装置要求在波浪能的转换过程中，某一个环节是通过气体传递能量的。日本航标波力装置是典型的气动式中间转动。转换过程是：空气泵室（即空腔，将机械能转换为空气能）整流气阀和气道气轮机（将空气能转换为机械能）。气动式能量转换装置的优点是：发电部分不与海水直接接触，因此波浪的腐蚀与冲击比起与波浪直接接触的波能装置要小很多，装置的抗冲击性与搞腐蚀性较好。缺点是：因为气流在一个周期内需要两次转向，经历两个速度为零的点，而空气透平在这种变工况状态下转换效率会偏低，该装置的能量转换效率通常只有 10%30%。,水力式能量转换装置,水力式能量转换装置要求在波浪能的转换过程中，某一个环节是通过液体传递能量的，浮子吸收的波浪能通过液压装置转换为液压能，最后转换为可应用的电能等。水力式能量转换装置的主要作用就是利用液压系统将机械运动增速、传动和调节。点头鸭式和波面筏式波能转换装置的中间转换，都采用水力式中间转换。它的一般转换程序是：泵（将机械能转换为水能）传输管道水轮机或液压马达（将水能转换为机械能）。,机械式能量转换装置,机械式能量转换装置要求在波浪能的转换过程中，某一个环节是通过刚体传递能量的。此种能量转换装置将机械能通过齿轮、杠杆等实现传动和加速。早期的设计，往往结构比较笨重，不过近些年来涌现出一些比较成熟的机械设计技术，如日本提出的传动比大、效率高的滚珠丝杆。,最终转换装置,一般的最终转换是将机械能转化为电能，采用常规的有适当调节机构的发电机，但由于在海洋环境下，工况有较大幅度的变化，效率会因此受到影响。大部分波浪发电装置都采用透平机、水轮机、永磁直线电机，也有些装置采用磁流体发电机。随着技术的不断创新，新型的发电装置也在不断涌现，如利用压电聚合物实现波能转换电能。,永磁直线电机原理与结构,永磁直线电机,永磁电机的发展是和永磁材料的发展密切相关的。20世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。与传统电励磁电机相比，永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻，特别是电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，将其应用于波浪发电领域，采用直立的直线往复运动的永磁体振子作为电机的励磁，可以直接与波浪的起伏运动特点相吻合，简化了波浪能的转化过程，且其功率密度与功率因数也高。因此，永磁直线电机是革新传统波浪发电波能转换装置的良好选择。,永磁直线电机的基本原理与结构,传统电机的结构都是旋转的，如果把发电机沿直径方向剖开并展平，如下图所示，这时旋转发电机就演变成直线发电机，其定子在上方，转子磁极在下方，原来逆时针旋转方向变成了向左直线运动的方向。,直线电机定子部分不动，磁极部分在外力推动下做直线运动，在其定子绕组中也产生感应电动势；如果磁极部分在外力推动下做直线往复运动，那么同样在其定子绕组中也会产生感应电动势。,扁平式单边型直线往复运动永磁电机,如果直线电机中N、S磁极不是由励磁电流产生，而是由永磁体产生的，那么该发电机就为直线往复运动永磁发电机，如下图所示。由于直线往复运动永磁发电机的定子部分不动，仍可称作定子；永磁磁极部分做直线往复运动而不旋转，称作振子。由于振子做往复运动，在定子绕组中就会产生感应电动势。该发电机从侧面看是扁平结构，而且一边是定子，一边是带永磁磁极的振子，所以称为扁平式单边型直线往复运动永磁发电机。,扁平式单边型直线往复运动永磁电机,扁平式单边型直线往复运动永磁发电机由于不需要电流励磁和电刷，具有结构简单、材料利用率高、功率密度大、效率高、体积小等优点。旋转式永磁发电机已在许多领域得到应用，但直线往复运动永磁发电机的研究与应用在国内尚不多见。,扁平式双边型直线往复运动永磁电机,为了提高电机体积和材料的利用率，单边型发电机可以改做成双边型发电机，如下图所示。该电机结构特点是上、下两边都是定子，中间部分是往复运动的振子，振子上的永磁体之间由非导磁材料隔开，让N、S极产生的磁场主要通过两边的定子铁心，防止直接从振子本体旁路。通过振子做往复运动，在两边的定子绕组中将产生感应电动势。该发电机的材料利用率高，同容量时体积小，成本低，同时避免了单边型产生的侧向力。,圆柱式直线往复运动永磁电机,如果把扁平式直线往复运动永磁发电机沿着与直线往复运动相垂直的方向卷成圆柱型，就构成了如下图所示的圆柱式直线往复运动永磁发电机。可以看出，在往复运动的振子上放置永磁体，永磁体之间为非导磁材料。通过振子的往复运动，在定子绕组里产生感应电动势。,定子永磁体直线往复运动永磁电机,如果把圆柱式振子上的永磁体安装到定子上，就变成了永磁体安放于定子的直线往复运动永磁发电机的结构。这种结构的优点是振子上没有永磁体，它可以使永磁体避免振动，对延长永磁体的使用寿命有好处。该发电机是靠振子往复运动时造成的磁阻变化，使定子绕组里产生感应电动势。,波浪发电系统构建及其仿真,波浪发电系统的构建,利用永磁直线电机便可构建波浪发电系统，本文示例选自清华大学范宇航硕士论文一种新型漂浮式波浪发电系统研究，在此仅作为学术交流讨论所用。该波浪发电系统采用6台永磁直线往复运动发电机构成，发电机均布在六面体支架的各个侧面，整个系统漂浮于水上。随着波浪的起伏运动，支架中间的重锤会在波浪力的作用下，在空腔内进行上下及左右摆动，通过钢丝绳牵引发电机振子做往复运动，从而使发电机的定子绕组产生感应电动势。由于每台电机中的三个定子绕组所处位置不同，其各自产生的感应电动势将略有不同，幅值大致相当，相位存在较大差异。,（a）波浪发电系统俯视图,（b）波浪发电系统正视图,1发电机；2定滑轮；3重锤；4钢丝绳；5支架；6弹簧；7螺栓及铁环,系统动力学仿真模型,为了研究系统的运行状态，初步掌握系统在不同波浪环境下输出电动势的规律，就需要对该系统进行动力学仿真分析。此处略去分析推倒过程，直接给出最终结果：其中，k为弹簧的弹性系数；Z为系统支架向上的位移；X为电机振子向上的位移；为钢丝绳与竖直方向夹角；Mz为振子质量；Ma为等效一台电机所带重锤质量。,系统动力学仿真模型,根据上式，使用MATLAB软件中的simulink软件包，以波浪的运动位移Z为输入函数，以振子的运动位移X为输出函数，可进行实验仿真。仿真系统在输入端in1可根据海浪的实测状况进行数据量Z的输入，反映了电机定子的运动位移，中间的微分单元和比例调节单元可根据系统的实际参数按上述各个公式计算并赋值，输出端子则由4个示波器构成，对系统中的关键数据和结果进行监测：scope1输出定子与振子的相对运动位移量；scope2输出振子的实际运动位移量；scope3输出定子绕组的感应电动势；scope4输出定子的实际运动位移量。,系统动力学仿真模型,系统仿真波形及结论,根据历史统计数据便可以对上述系统进行发电机空载条件下电动势波形的仿真计算，为了方便研究，理想状况下的波浪运动位移函数可取为正弦波函数:波浪的运动位移是一个随机信号，上式中的振幅A和频率f均随时间而变化，对电动势波形进行模拟仿真，也应该考虑上述参量的变化，增加其运动方程的复杂程度。因此，选用正弦函数来拟合振幅和频率变化，如下所示。,理想正弦波浪条件下的感应电动势,首先研究一种最理想的情况，即波浪的振幅和频率不随时间改变，输入信号为一正弦函数，波浪幅值0.5米，频率0.3赫兹，仿真时间为60秒。scope4显示输入信号波形如下：(单位：米),理想正弦波浪条件下的感应电动势,scope3显示定子绕组输出电动势波形，如下图所示。(单位:伏),感应电动势随振幅的变化,设波浪振幅A在米的低浪区作周期性变化，Amin=0.15m，Amax=0.5m，f1=0.05Hz，1=0，波浪频率恒定为0.3Hz，仿真时间设为200秒，输入信号波形如下：,定子绕组输出电动势波形如下图。(单位:伏),感应电动势随振幅的变化,保持波浪频率0.3赫兹不变，设波浪幅值在米的中浪区作周期性变化，输入信号波形如下图所示。(单位:米),定子绕组输出电动势波形如下图。(单位:伏),感应电动势随频率的变化,设波浪的振幅A为0.5米恒定，波浪振幅f在赫兹作周期性变化，fmin=0.25Hz，fmax=0.35Hz，f2=0.01 Hz,2=0，仿真时间设为200秒，输入信号波形如下：,定子绕组输出电动势波形如下图所示。(单位:伏),一般条件下的感应电动势,在一般条件下，波浪的幅值和频率均有可能随机变化，根据我国沿海海域的统计数据，在低浪区，设波浪振幅米，频率在赫兹变化，得到下图所示的绕组电动势波形。(单位:伏),一般条件下的感应电动势,在中浪区，设波浪振幅米，频率在赫兹变化，得到下图所示的绕组电动势波形。(单位:伏),仿真结论,针对示例中提出的新型漂浮式波浪发电系统，通过对其进行动力学分析，利用matlab软件建立模型，对发电机绕组输出空载电动势波形的仿真，研究了输出电压幅值和频率与波浪幅值和频率的变化关系，验证了在各种波浪状况下，发电机都能够正常运行。通过在一般条件下的感应电动势仿真可知：由于波浪的随机性，电机输出电压波形将是变幅变频的感应电动势；该系统单个定子单元的输出电压范围在0-1.2伏范围之间，因此必须对其输出电能进行一定处理，才能其被人们所使用。,