波浪能資源整理背景

1、所有背景整理：1.1.1能源發(fā)展趨勢(shì) 全球的不可再生能源是有限的如:石油、煤炭、天然氣等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，隨著不可再生能源(傳統(tǒng)能源)被人類不斷地消耗，不可再生能源的開(kāi)發(fā)已經(jīng)屈指可數(shù)。按照目前全人類對(duì)能源的消耗速率和增長(zhǎng)速度計(jì)算:全球的煤炭?jī)?chǔ)量只能夠使用約200年;全球的石油儲(chǔ)量只能夠使用約45年;全球的天然氣儲(chǔ)量只能夠使用約50年1-3。傳統(tǒng)能源使用過(guò)程中伴隨著污染與開(kāi)發(fā)費(fèi)用越來(lái)越高的問(wèn)題，人們不得不開(kāi)始重視可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用。可再生能源指的是在自然界中能夠不斷再生，并有規(guī)律的得到補(bǔ)充或者能夠重復(fù)利用的能源，如:風(fēng)能，太陽(yáng)能，水能，地?zé)崮?，海洋能等al。目前這些可再生能源的利用率僅占世界能源利用

2、的3%Csl，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人類對(duì)傳統(tǒng)能源的利用率，這其中就屬海洋能的利用率最低。海洋中蘊(yùn)藏著很多種可再生的能源，主要有波浪能、潮汐能、溫差能以及鹽差能等。這些能量統(tǒng)稱為海洋能，其中又以波浪能為最主要形式。根據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織在1981年出版的海洋能開(kāi)發(fā)估計(jì)，全世界的海洋能理論上功率約為7. 66 x 1010kW''。即使只能開(kāi)發(fā)出其中一小部分，也可以解決當(dāng)下能源緊缺的問(wèn)題。雖然全球具有如此巨大的海洋能源，由于各種條件的限制并不是全部都能夠?yàn)槿祟愃_(kāi)發(fā)利用。 表1. 1中為世界范圍內(nèi)海洋各種能源的理論估算值、技術(shù)可利用值、實(shí)際可開(kāi)發(fā)利用功率值。由表1. 1表明，雖然波浪能的理論儲(chǔ)存

3、值是最少的，但是其實(shí)際可開(kāi)發(fā)量卻是最多的，其可開(kāi)發(fā)利用率高達(dá)10%，故波浪能發(fā)電裝置的研究就是一項(xiàng)緊迫和必須的任務(wù)。其中對(duì)于波浪能源，國(guó)際能源組織(工EA) 1994公布的報(bào)告預(yù)測(cè)8:波浪能如果能夠充分開(kāi)發(fā)，最終可提供目前全球電力需要的10%左右，估計(jì)為2 x 109-3 x 10KW從我國(guó)海洋能源資源來(lái)看，海洋能資源非常豐富，而且開(kāi)發(fā)利用的前景廣闊。如果將我國(guó)的海洋能資源完全變?yōu)槟軌蚶玫碾娔?，至少可達(dá)1. 5 x lOBkW，相當(dāng)于我國(guó)目前電力總裝機(jī)容量的兩倍多10j。我國(guó)具有豐富的海洋能，其中波浪能量對(duì)比情況(見(jiàn)圖1. 2，波浪能僅占其10. 5%，雖然占有率很低，但是僅僅只要開(kāi)發(fā)其百分

4、之一，其數(shù)量也是相當(dāng)可觀的。 像我國(guó)這樣，能源需求量的很大國(guó)家對(duì)于開(kāi)發(fā)新能源的需求是很緊迫的。在這樣的情況下，大力開(kāi)發(fā)和利用波浪能，尤其是在我國(guó)能源消耗比較嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)發(fā)展高速的東部沿海地區(qū)。此地區(qū)與海洋相接，蘊(yùn)藏著巨大地海洋能源，對(duì)于緩解我國(guó)能源消耗，支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。 綜上所述，世界波浪能資源分布和我國(guó)波浪能資源分布，表明可開(kāi)發(fā)和利用波浪能具有很大潛力。我國(guó)波浪能資源各省分布表明，福建沿海，海岸線曲折，突出的半島、山甲角眾多，沿岸島嶼連綿不斷，其為基巖海岸，波浪較大，因此福建省沿岸也是波浪能資源蘊(yùn)藏豐富、波浪能密度高的海域。故福建近海域是開(kāi)發(fā)利用優(yōu)越場(chǎng)所之一，所以本文研究波

5、浪能發(fā)電裝置的振蕩浮子是針對(duì)廈門海域。1.2.4振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置 振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置是一種典型的波浪能發(fā)電裝置。它是在振蕩水柱式空氣透平式波能發(fā)電裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。該裝置的工作原理圖如圖1. 5所示，第一級(jí)能量采集，在波浪中運(yùn)動(dòng)的浮子進(jìn)行對(duì)波浪能量的采集，完成波浪能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化;第二級(jí)能量傳遞，通過(guò)中間系統(tǒng)把浮子采集一轉(zhuǎn)化(波浪能一機(jī)械能)后的能量傳遞到發(fā)電系統(tǒng);第三級(jí)能量發(fā)電，把傳遞過(guò)來(lái)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，供用戶使用。 振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置在歐洲被稱為第三代裝置。因?yàn)榈谝患?jí)能量采集裝置一浮子是以與波浪直接接觸的方式來(lái)采集波浪能，因此裝置的第一級(jí)能量的轉(zhuǎn)換效率較之前的

6、波能發(fā)電裝置的效率要高。故其整個(gè)裝置的轉(zhuǎn)換效率也較之前裝置的轉(zhuǎn)換效率有所提高。例如:一般的波浪能發(fā)電裝置(振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置)的轉(zhuǎn)換效率在10%-30%，振蕩浮子式轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到46%以上2，22。 2007年華南理工大學(xué)，勾艷芬、葉家瑋等人對(duì)陣列振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置做了實(shí)驗(yàn)研究。此裝置采用球型浮子捕獲波浪能，在對(duì)浮子實(shí)施相位控制后系統(tǒng)總效率將達(dá)到40%左右。2008年華南理工大學(xué)，勾艷芬、葉家瑋等人對(duì)振蕩浮子式簡(jiǎn)易波能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行了模型試驗(yàn)，此試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭苯訉⒏∽臃@的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，與一般振蕩浮子式波能發(fā)電裝置相比少了中間能量傳遞系統(tǒng)，能夠減少能量損失，提高波浪能利用率。

7、2012年中國(guó)海洋大學(xué)，高人杰等人在規(guī)則波下對(duì)四種簡(jiǎn)單浮子形狀進(jìn)行了模擬，獲得了一種捕獲波浪能最多浮子形狀。 綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)于振蕩浮子式發(fā)電裝置雖然有較為全面的研究，但是對(duì)較多結(jié)構(gòu)形式的振蕩浮子的水動(dòng)力學(xué)以及捕獲波浪能效率更為詳細(xì)的對(duì)比研究分析并不是太多?；诖?，本文對(duì)多種不同結(jié)構(gòu)形式的浮子進(jìn)行更為深入的水動(dòng)力學(xué)以及捕獲波浪能的效率進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比性分析，進(jìn)而選擇最佳的浮子結(jié)構(gòu)形式。二 波浪能以其儲(chǔ)量大、無(wú)污染、可重復(fù)開(kāi)發(fā)利用的優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外海洋能開(kāi)發(fā)利用研究的熱點(diǎn)。深入研究開(kāi)發(fā)適合我國(guó)特定海域的波浪能轉(zhuǎn)換裝置，對(duì)解決我國(guó)部分區(qū)域的用電問(wèn)題具有重要意義。單浮子式波浪能發(fā)電裝

8、置是基于海洋結(jié)構(gòu)物垂蕩運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)而成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、轉(zhuǎn)換效率較高、可靠度好等優(yōu)點(diǎn)。本文以浮子式波能發(fā)電裝置的工程應(yīng)用研究為背景，采用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)整個(gè)波能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究。 隨著經(jīng)濟(jì)的飛躍發(fā)展和人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，全球?qū)δ茉葱枨蟮脑黾雍褪茉吹闹饾u枯竭之間的矛盾越來(lái)越突出，尤其是二十世紀(jì)七十年代出現(xiàn)的能源危機(jī)，使各國(guó)意識(shí)到能源問(wèn)題將是抑制國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要因素。為了解決能源問(wèn)題在社會(huì)發(fā)展中的瓶頸問(wèn)題，尋求可以循環(huán)利用的可再生資源已經(jīng)成為整個(gè)人類尋求發(fā)展的共識(shí)。而海洋覆蓋全球面積的70%，且海洋中蘊(yùn)涵著巨大的能量，使之成為各國(guó)的關(guān)注焦點(diǎn)和研究熱門。 眾所周知

9、，海洋是世界上最大的風(fēng)能吸收器，它通過(guò)各種各樣的物理過(guò)程吸收、轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)和散發(fā)能量，通常這些能量以波浪能、潮汐能、溫差能、鹽度梯度能等形式存儲(chǔ)于海洋之中。海洋能以其存量大、可再生、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)成為近十幾年國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)的首選。挪威Fugro OCEANOR AS公司在2008年3月份公布了全球年度波浪能源密度分布圖U如下所示。 現(xiàn)存的波能發(fā)電裝置大多效率低、使用范圍較窄，只能為海島和海上設(shè)施進(jìn)行供電或者為航標(biāo)燈、海上浮標(biāo)進(jìn)行供電，很難得到推廣。其中岸式波浪能裝置以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為佼佼者，如中國(guó)的大萬(wàn)山波能發(fā)電站和汕尾波能發(fā)電站都獲得了較好的發(fā)電效果。 鑒于波浪能發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的不成熟和發(fā)電成本難

10、以與常規(guī)能源相媲美，可以預(yù)測(cè)隨著某些關(guān)鍵技術(shù)的逐步解決，波浪能將必定改變世界能源結(jié)構(gòu)，成為人類賴以生存和值得依賴的新能源，因此各國(guó)研究機(jī)構(gòu)都在投入大量的人力、物力進(jìn)行研究，本課題就是依托國(guó)家海洋局“海洋可再生能源專項(xiàng)資金支持項(xiàng)目惡劣海況下自保護(hù)式高效穩(wěn)定波浪發(fā)電裝置”開(kāi)展而來(lái)。波浪發(fā)電裝置雖然種類繁多，但其工作原理不外乎以下幾種:主要有利用物體或浮體在波浪作用下的振蕩和搖擺運(yùn)動(dòng)做功;利用波浪壓力的變化驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng);利用波浪的沿斜坡的爬升將波浪動(dòng)能轉(zhuǎn)換成水流的勢(shì)能進(jìn)而推動(dòng)水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)等等?？v覽國(guó)內(nèi)外波浪能發(fā)電裝置，按照離岸的距離遠(yuǎn)近可以分為:岸基式波能發(fā)電裝置、近岸式波能發(fā)電裝置和海

11、上波能發(fā)電裝置;按照固定方式可分為:錨泊固定式、樁基安裝式和漂浮浮體式;按照波能轉(zhuǎn)換方式可以分為:液壓式、空氣式、壓電式和直線電機(jī)式;按照波能吸收方式裝置可以分為:振蕩水柱式、振蕩浮子式、越浪式和收縮波道式等。 經(jīng)過(guò)二十世紀(jì)七十年代的實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)和八十年代的模范示范工程演示，波浪能發(fā)電裝置正在逐步走向規(guī)?；蜕唐坊旅鎸⒔榻B幾種典型的波浪能發(fā)電裝置并作出對(duì)比分析。Power Buoy點(diǎn)吸收式波力發(fā)電站6由美國(guó)的Ocean Power Technology(OPT)公司研制而成，該裝置由上端布置一圓盤狀的浮筒、一個(gè)淹沒(méi)在海水中的圓柱浮體和一個(gè)風(fēng)筒組成。圓柱體的兩端分別與圓盤狀浮體、風(fēng)筒相連接

12、，設(shè)計(jì)風(fēng)筒的作用是為了增加裝置的慣性。通過(guò)機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)將兩結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)升降運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。組裝完工后和海底安裝效果如圖1.4所示。 振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置(Float Type Wave Generation System)是由日本人設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)易的漂浮式波能吸收裝置。該裝置由一個(gè)漂浮體和平衡體通過(guò)滑輪固定于置于水面之上組成。其優(yōu)點(diǎn)是可以吸收不同方向的入射波。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于周期為23秒，波高為0.15米左右的波浪，吸收的波能隨著波浪入射角增大而減小，但該研究的理論計(jì)算和試驗(yàn)分析均做了理想化假設(shè)，與實(shí)際海況差距較大。Hadano & Taneura'對(duì)上述裝置做了進(jìn)一步

13、研究，提出了計(jì)算該裝置波能吸收的動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式，與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比較為符合。三 目前，世界各國(guó)對(duì)能源的需求不斷增加，而能源儲(chǔ)量卻日益減少，同時(shí)大量化石能源的使用又引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，這些問(wèn)題己經(jīng)成為阻礙人類社會(huì)向前發(fā)展的重大障礙。為有效地解決上述問(wèn)題，需要增加開(kāi)發(fā)可再生能源的力度。波浪能作為一種清潔、無(wú)污染能源，它具有能量品質(zhì)好、能流密度大、成本低廉、分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)今，許多沿海國(guó)家都在積極開(kāi)發(fā)波浪能，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況、基于不同理念，設(shè)計(jì)了大量形式、功能各異的波浪發(fā)電裝置。 波浪屬于一種隨機(jī)波，其空間分布復(fù)雜、傳播速度慢、且存在往復(fù)運(yùn)動(dòng)，大多數(shù)波浪發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率通常較低，為提高波浪

14、發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率，裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往過(guò)于復(fù)雜，這又容易出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定、系統(tǒng)故障率升高等的問(wèn)題，而且也大大增加了裝置的建造成本。批量制造波浪能發(fā)電裝置是降低成本最有力的手段，然而這一切必須建立在裝置的低成本和高效率基礎(chǔ)之上。總之，若要實(shí)現(xiàn)波浪能發(fā)電裝置的產(chǎn)業(yè)化就必須在提高波浪能轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)盡量簡(jiǎn)化裝置的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到降低發(fā)電成本的目的。 (2)點(diǎn)吸收技術(shù)點(diǎn)吸收技術(shù)(Point Absorber)或稱為振蕩浮子式波浪能發(fā)電技術(shù)5，早期由歐美及日本等國(guó)研發(fā)，日本最先制作出了樣機(jī)，隨后美國(guó)進(jìn)行了改進(jìn)并投入使用。我國(guó)學(xué)者也曾設(shè)計(jì)過(guò)一種點(diǎn)吸收式波浪發(fā)電裝置，中科院廣州能源所依照設(shè)計(jì)方案成功制作出了實(shí)驗(yàn)

15、樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)分析。振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置依靠浮子隨波浪的上下浮動(dòng)吸收波浪能，由于單個(gè)浮子較小，通常將若干浮子按一定順序布置，以增加吸收的波能量，浮子通過(guò)繩索直接與直線發(fā)電機(jī)相連，直線電機(jī)動(dòng)子隨浮子上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電G。振蕩浮子式發(fā)電裝置同效率不高、水下施工異常困難的振蕩水柱發(fā)電裝置相比，它的優(yōu)點(diǎn)在于其最大轉(zhuǎn)換效率可達(dá)40.7%，而且還可以減少水下施工，使建造費(fèi)用大大降低f8l，它在最近幾十年發(fā)展尤為迅速，美國(guó)、英國(guó)、加拿大、荷蘭均先后建造出成型的發(fā)電裝置并投入使用fl，我國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)上也擁有許多專利。 四能源是人類社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源，沒(méi)有能源就沒(méi)有人類文明。隨著人

16、類社會(huì)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)及生活對(duì)能源的需求迅速增長(zhǎng)，世界能源需求量持續(xù)增大。目前世界主要能源是石油、化石燃料，天然氣、煤等化石燃料，這些燃料都是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的地質(zhì)年代形成的，被稱為是不可再生的。勘探表明，地球上的化石燃料已日趨枯竭。根據(jù)BP能源統(tǒng)計(jì)2006)的數(shù)據(jù)，氣和煤炭則可分別可以供應(yīng)以目前開(kāi)采速度計(jì)算，全球石油儲(chǔ)量可供生產(chǎn)40年，世界天然65年和162年。現(xiàn)在世界常規(guī)油氣資源發(fā)現(xiàn)的高峰期已過(guò)，在2010年后可能出現(xiàn)供不應(yīng)求局面。雖然經(jīng)過(guò)20世紀(jì)70年代兩次石油危機(jī)以后，西方國(guó)家越來(lái)越注重對(duì)替代能源的尋找，使得能源危機(jī)問(wèn)題有所緩解，但是目前世界上主要供能方式仍是化石燃料?；剂峡傆幸惶鞎?huì)被耗盡，人

17、類不能不未雨綢繆。近年來(lái)，由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度較快，能源需求增長(zhǎng)強(qiáng)勁，能源缺口越來(lái)越大，我國(guó)常規(guī)能源供給的制約愈益嚴(yán)重。據(jù)專家估算，我國(guó)2010年能源消費(fèi)總量將為23億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2020年能源消費(fèi)總量約為40億噸標(biāo)準(zhǔn)煤f21。我國(guó)石油天然氣資源不足，陸地、海洋油氣田地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開(kāi)采困難，從1995年起已經(jīng)成為石油天然氣的凈進(jìn)口國(guó)。2008年我國(guó)原油進(jìn)口達(dá)1.79億噸。預(yù)計(jì)2015年原油進(jìn)口將進(jìn)一步升至2.78億噸，依存度達(dá)到59%。當(dāng)今國(guó)際形勢(shì)千變?nèi)f化，一味依靠進(jìn)口原油來(lái)滿足國(guó)內(nèi)的能源需求將使我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到極大制約。因此，從國(guó)家經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的角度看，尋找可再生能源替代化石燃料，是函需解決

18、的關(guān)鍵問(wèn)題。 海洋能源是海洋中所蘊(yùn)藏的可再生的自然能源，主要表現(xiàn)為潮汐能、海流能、波浪能、海水溫差能和海水鹽差能等。究其原因，除潮汐能及潮流能是由月球與太陽(yáng)引潮力的作用產(chǎn)生以外，其他均產(chǎn)生于太陽(yáng)輻射。 潮汐能及潮流能:在月亮和太陽(yáng)等天體引力作用下產(chǎn)生的地球表面海水周期性的漲落潮運(yùn)動(dòng)，一般統(tǒng)稱潮汐。潮汐能的能量與潮水量和潮差成正比，或者說(shuō)與潮差的平方和蓄水面積成正比;潮流能的能量于流速的平方和流量成正比，或者說(shuō)與流速的立方成正比。波浪能:波浪是海洋表層海水在風(fēng)力的作用下產(chǎn)生的波動(dòng)，波浪中所儲(chǔ)存的能量稱為波浪能。其能量和波高的平方和波動(dòng)水面的面積成正比。 海流能:海流是海洋中由于海水溫度、鹽度的分

19、布不均而形成的密度和壓力梯度，或海面上風(fēng)的作用等原因產(chǎn)生的海水定向流動(dòng)。海流中所儲(chǔ)存的動(dòng)能，稱為海流能。其能量和流速的平方和流量成正比，或者說(shuō)與流速的立方成正比。波浪能的定義及特點(diǎn) 波浪能是一種在風(fēng)的作用下產(chǎn)生的，并以位能和動(dòng)能的形式周期型儲(chǔ)存的機(jī)械能。一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)給予波浪能量的比率大概是0.01到0.1 Wlm2，對(duì)于太陽(yáng)能平均350 Wlm2的輸出來(lái)說(shuō)只是很小的一部分，但是波浪在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中不斷吸收大氣能量，能夠達(dá)到100 W/m2以上。據(jù)眾多學(xué)者研究估算，全世界海洋波浪能可利用的功率約為1X10121 X 1013 Wo根據(jù)國(guó)際能源組織(IEA) 1994公布的報(bào)告預(yù)測(cè):波浪能如果

20、充分開(kāi)發(fā)，最終可提供目前全球電力需要的10%左右60 通常用波浪能量、波能功率、波能密度和波能功率密度等特征量來(lái)代表波浪能。 波浪能量:波浪運(yùn)動(dòng)攜帶的能量，包括波動(dòng)中水質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能極其因離開(kāi)平衡位置而具有的勢(shì)能，記為E，單位:Jo 與其他的海洋能資源相比，波浪能具有如下優(yōu)點(diǎn)X101. 1、由于波浪的特性，可以通過(guò)共振、折射、反射、隨時(shí)間積集及收縮聚合等方法實(shí)現(xiàn)能量的密集; 2、波浪能以機(jī)械能形式出現(xiàn)，是海洋能源中品質(zhì)較好的能源; 3、波浪能是海洋中分布最廣的可再生能源，適用于邊遠(yuǎn)海域的島嶼、國(guó)防、海洋開(kāi)發(fā)等活動(dòng); 4、波能轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，建造和維護(hù)方便，便于進(jìn)行群體化、密集型開(kāi)發(fā)。一、開(kāi)發(fā)

21、海洋波浪能是可持續(xù)發(fā)展的需要 我國(guó)正處于大量消耗資源的工業(yè)化中期階段，隨著工業(yè)化和城市化的進(jìn)程不斷加快，特別是重化工業(yè)和運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，能源需求大幅上升。近年來(lái)，我國(guó)已成為世界第一大煤炭生產(chǎn)國(guó)、第二大能源生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)、第二大石油消費(fèi)國(guó)，及DECD之外最大的石油進(jìn)口國(guó)。2008年，中國(guó)能源消費(fèi)總量為28.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭消費(fèi)量達(dá)27.4億噸，原油消費(fèi)量為3.6億噸，天然氣消費(fèi)量 807億平方米。2008年中國(guó)原煤產(chǎn)量為27.93億噸，原油產(chǎn)量為1.9億噸，天然氣產(chǎn)量為760.8億平方米。在上述化石燃料中，煤炭資源雖最為豐富，也即將面臨供需不足的問(wèn)題，石油的依存度更是將近50%，在未來(lái)還將

22、不斷增長(zhǎng)，由于石油對(duì)外依賴性持續(xù)升高，能源安全己成為不可忽視的問(wèn)題。為了建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，保證社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，有必要將能源建立在更穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，需找替代的可再生能源，節(jié)省化石燃料。我國(guó)波浪能相當(dāng)豐富，蘊(yùn)藏在需要大量能源的沿海地區(qū)，是具有巨大開(kāi)發(fā)潛力的可再生能源。實(shí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需要開(kāi)發(fā)海洋波浪能。二、開(kāi)發(fā)海洋波浪能是環(huán)境保護(hù)的需要 我國(guó)環(huán)境壓力日益增大。化石能源的消耗(特別是煤炭的使用)產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和煙塵的排放，是造成大氣環(huán)境污染的主要來(lái)源。大氣中二氧化碳含量升高將加劇溫室效應(yīng)，使大氣溫度升高，兩級(jí)冰蓋融化，冰海低地和海洋中的珊瑚島礁難免滅頂之災(zāi)。溫度升高

23、還引起氣候異常，水旱災(zāi)頻發(fā)。2003年，我國(guó)極地科考隊(duì)發(fā)現(xiàn)南北極冰的融化加劇，珠穆朗瑪峰登山隊(duì)發(fā)現(xiàn)冰川后退。我國(guó)華中、華南和歐洲發(fā)生歷史上從未有過(guò)的長(zhǎng)時(shí)期酷熱和干旱。2008年，我國(guó)南方出現(xiàn)罕見(jiàn)的雨雪、冰凍天氣，具有范圍廣、強(qiáng)度大、持續(xù)久等特點(diǎn)，造成了嚴(yán)重的災(zāi)害。我國(guó)82%的城市、國(guó)土30%的面積出現(xiàn)過(guò)酸雨，使樹(shù)木、農(nóng)作物、牧草死亡，37%的城市顆粒物超過(guò)國(guó)家限制值。這些數(shù)字不能不予以重視。我國(guó)在減少二氧化碳排放方面受到較大的國(guó)際壓力。雖然我國(guó)人均二氧化碳排放量低，接近世界水平，但仍是排放大國(guó)，總排放量居發(fā)展中國(guó)家之首。開(kāi)發(fā)波浪能源不進(jìn)行燃燒，不排放三廢，基本上也不會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，因此，開(kāi)發(fā)海

24、洋波浪能是環(huán)境保護(hù)的需要。三、開(kāi)發(fā)海洋波浪能是沿海城市與海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要 我國(guó)海岸線(包括島嶼)長(zhǎng)32000km，其中大陸海岸線長(zhǎng)18000km。一方面沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，雖僅占全國(guó)面積的14%，卻聚集了全國(guó)人口的40%，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值占全國(guó)60%以上，沿海地區(qū)缺乏常規(guī)能源資源，需要從遙遠(yuǎn)的中西部地區(qū)運(yùn)輸煤炭、石油、天然氣，或建遠(yuǎn)距離電網(wǎng)，西電東送，若能從海洋取得一部分能源，則可以節(jié)約相當(dāng)大的運(yùn)輸能力和電能消耗;另一方面我國(guó)有大小島嶼6500多個(gè)，面積80000km2，人口3000余萬(wàn)。大多數(shù)較小島嶼尚未解決供電問(wèn)題，如從附近大陸鋪設(shè)海底電纜輸電則投資巨大，每千米達(dá)數(shù)百萬(wàn)元。無(wú)電則海島無(wú)法開(kāi)發(fā)，

25、島上居民無(wú)從脫貧致富，生活質(zhì)量也無(wú)法提高。如果在海島附近建立獨(dú)立波能發(fā)電站，可緩解海島經(jīng)濟(jì)不能發(fā)展的問(wèn)題。 總體而言，充分發(fā)揮海洋波浪能的作用，可逐步改善以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)和電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)，使我國(guó)能源、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的發(fā)展相互協(xié)調(diào)。同時(shí)，開(kāi)發(fā)利用波力發(fā)電除能增加和改善能源供應(yīng)外，還對(duì)解決沿海地區(qū)和海島農(nóng)村的用電用能問(wèn)題、改善我國(guó)沿海農(nóng)村及城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活用能條件、實(shí)現(xiàn)農(nóng)村電氣化目標(biāo)起到重要的填補(bǔ)作用。 Wavebob43 WaveBob波能發(fā)電裝置是由WaveBob公司研發(fā)的，如圖1-7所示。這種裝置是一種軸對(duì)稱自適應(yīng)的單點(diǎn)吸收裝置，它在不改變浮體設(shè)計(jì)方案的情況下，用一個(gè)特有的系統(tǒng)改變裝置的共振頻率，

26、從而實(shí)現(xiàn)與入射波特性的最佳匹配(慣性聚波)。此外，數(shù)字控制的能量輸出允許裝置動(dòng)態(tài)地改變阻尼，這樣可以進(jìn)一步適時(shí)地匹配系統(tǒng)。 IPS浮子IPS浮子是由瑞典IPS公司根據(jù)Norm S. A. aa發(fā)明的雙體點(diǎn)吸收裝置而開(kāi)發(fā)的一種波能轉(zhuǎn)換裝置，如圖1-8所示。此裝置包括一個(gè)豎直沉降的浮子與淹沒(méi)在水中且兩端開(kāi)口的豎管。浮子與豎管相互連接，同時(shí)連接著水錘泵的活塞在豎管里，并可沿著軸線上下運(yùn)動(dòng)。其工作的基本原理是:利用波浪推動(dòng)浮子與豎管上下運(yùn)動(dòng)，由于活 AquaBuOY裝置AquaBuOY裝置是基于IPS浮子的理念發(fā)展而來(lái)，同時(shí)使用一對(duì)軟管泵來(lái)形成高壓水流驅(qū)動(dòng)沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)as，圖1-9是裝置的工作原理

27、。AquaBuOY的樣機(jī)已于2007年在太平洋的俄勒岡州附近海域進(jìn)行了試驗(yàn)。五我國(guó)海域面積廣闊，相關(guān)海洋能資源領(lǐng)域研究處于起步階段，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用海洋能資源對(duì)目前提倡的節(jié)種，它分布廣泛、能能環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展型社會(huì)具有重要意義。海洋波浪能屬于海洋能的一流密度大，具有很大的發(fā)展空間。傳統(tǒng)的化石能源使現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)得以大規(guī)模發(fā)展，使人類從農(nóng)耕社會(huì)進(jìn)入了繁榮的工業(yè)社會(huì)，它為整個(gè)工業(yè)文明提供了源源不斷的動(dòng)力，是近代人類發(fā)展不可或缺的組成部分。截至目前化石能源仍是人類社會(huì)消耗的最主要能源，全球消耗的能源中化石能源占比高達(dá)80%以上，與此同時(shí)化石能源屬于耗竭性能源，是地球演化過(guò)程中數(shù)百萬(wàn)年生成的產(chǎn)物，而它們現(xiàn)在

28、的消耗速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)生成速度。一方面，伴隨著科技發(fā)展，人類社會(huì)能源需求量也口益加大，按照這種速度，不久的將來(lái)化石能源將逐漸消耗殆盡，這是人類發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)。另一方面，化石能源的使用總是伴隨著溫室氣體的排放和一些環(huán)境污染問(wèn)題的產(chǎn)生，這些危害到整個(gè)人類的生存環(huán)境，不符合社會(huì)健康長(zhǎng)久發(fā)展的基本要求。極積尋找傳統(tǒng)化石能源的替代品，開(kāi)發(fā)利用新型清潔可再生能源、減少環(huán)境污染已成為世界各國(guó)的共識(shí)。 地球上海洋面積達(dá)到3.61億km2，占地球總表面積的71%。廣闊的海洋是蘊(yùn)藏著豐富的資源，這些資源既包括海洋礦物能源也包括以潮汐、波浪、溫差、鹽差、海流等形式出現(xiàn)的“海洋能”。海水受到風(fēng)力和陽(yáng)光等的作用，造成不

29、同區(qū)域溫度、鹽度的不同，受月球等的引力作用產(chǎn)生區(qū)域海面的起伏，這些差異導(dǎo)致海洋中各種各樣的能量，海洋能量清潔并且可以再生。開(kāi)發(fā)和利用這些清潔可再生能源對(duì)未來(lái)人類的發(fā)展具有重要的意義，也是人類維持自身生存發(fā)展、拓展生存空間的最切實(shí)可行的途徑之一。 21世紀(jì)以來(lái)，眾多國(guó)家已針對(duì)各種海洋資源展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，海洋科技強(qiáng)國(guó)已成為諸海洋國(guó)家的新目標(biāo)。我國(guó)處在社會(huì)主義發(fā)展階段，科學(xué)技術(shù)相對(duì)滯后于發(fā)達(dá)國(guó)家。通過(guò)不斷的開(kāi)拓進(jìn)取，中國(guó)在各個(gè)科技領(lǐng)域?qū)嵙σ巡粩嗉訌?qiáng)，取得了長(zhǎng)遠(yuǎn)的進(jìn)步，但改革開(kāi)放后我國(guó)偏重于工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、忽略了環(huán)境治理和保護(hù)。伴隨這種粗放型工業(yè)發(fā)展路線的是大量的自然資源浪費(fèi)和包括霧霆、全球氣溫升高、地

30、下水污染等嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，針對(duì)這些函需解決的問(wèn)題，我國(guó)政府加大力度倡導(dǎo)節(jié)能減排和環(huán)境友好型社會(huì)的發(fā)展形態(tài)，并著重支持對(duì)新型清潔可再生能源的開(kāi)發(fā)利用，確立了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略路線。我國(guó)海域廣闊、海島眾多，擁有490萬(wàn)平方公里的海域面積海域和6000余個(gè)海島，這些地區(qū)蘊(yùn)含的豐富海洋能資源將是一筆寶貴的財(cái)富，合理的加以開(kāi)發(fā)利用是解決我國(guó)能源及環(huán)境問(wèn)題的有效途徑之一。 海洋能利用技術(shù)一般是指將海洋能轉(zhuǎn)化為人們生產(chǎn)生活可以使用的電能的技術(shù)，通過(guò)各種裝置將海洋中以動(dòng)能、位能、熱能、化學(xué)能等形式出現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)化為電能。世界各國(guó)海洋能利用技術(shù)目前多處于發(fā)展的初始階段，所以海洋能屬于有待開(kāi)發(fā)的新領(lǐng)域，據(jù)調(diào)查，這些巨

31、量的海洋能資源中潮汐能利用技術(shù)已趨于成熟，需要進(jìn)一步商業(yè)化、規(guī)?；校ɡ四芾眉夹g(shù)還處于試驗(yàn)階段，有待更深的研究探索，溫差、鹽差能等利用技術(shù)處于原理 海洋波浪能是一種動(dòng)能形態(tài)的海洋能，它與其他海洋能相比具有分布廣泛、能流密度大的特點(diǎn)。據(jù)調(diào)查，全球波浪能的總儲(chǔ)量約為25億kW，開(kāi)發(fā)前景巨大。如圖1.1所示，為全球波浪能能流密度區(qū)域分布圖，圖中可以看出世界上波浪能密度較大的區(qū)域集中于印度洋和太平洋的南部、大西洋北部，太平洋北部等地區(qū)。一般波浪能流密度達(dá)到2kW/m時(shí)被認(rèn)為可以加以利用，圖中可知全球大部分海洋區(qū)域的屬于可利用的范圍5 點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置也稱為振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置，原理是通過(guò)

32、海面漂浮的振蕩浮子來(lái)吸收海洋波浪的能量，并通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換方式來(lái)將這些能量轉(zhuǎn)化為電能，點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電技術(shù)采集波浪能的效率較高，制造也相對(duì)容易，成本也較低，適合波浪能能流密度較低的國(guó)家，上一節(jié)中提及我國(guó)波浪能量密度普遍偏小，所以點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置適合在我國(guó)進(jìn)行研究和推廣。 由于點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電技術(shù)具有轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)尺寸可變性大的優(yōu)勢(shì)，目前相關(guān)裝置目前理論研究和設(shè)計(jì)研發(fā)發(fā)展很快，研究主要集中于裝置的波浪水動(dòng)力性能分析、裝置控制策略如相位控制、反饋調(diào)節(jié)控制等，通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化裝置發(fā)電效率、提高裝置安全性能，應(yīng)用新型壓電材料的發(fā)電也已成為重要方向，本文主要涉及裝置的水動(dòng)力學(xué)分析，所以側(cè)重

33、介紹這方面的研究狀況。 近年來(lái)，點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展較快，有很多點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置已進(jìn)行模型樣機(jī)的水槽實(shí)驗(yàn)，部分已投入實(shí)海況試驗(yàn)和小規(guī)模運(yùn)行。如圖1.6所示為英國(guó)AWSOcean Energy公司研發(fā)Archimedes Wave Swing裝置在2010年于蘇格蘭附近海域建立的試驗(yàn)實(shí)物和原理示意圖，它的原理是通過(guò)圓柱形浮筒，浮筒由于波浪的作用而起伏運(yùn)動(dòng)時(shí)，浮筒內(nèi)通過(guò)纜繩錨系直線電機(jī)的機(jī)芯部分并不隨浮筒一起運(yùn)動(dòng)，從而通過(guò)直線電機(jī)的機(jī)芯往復(fù)運(yùn)動(dòng)發(fā)電。 圖1.6英國(guó)Archimedes Wave Swing裝置實(shí)物與示意圖 我國(guó)波浪能利用技術(shù)具有起步晚、發(fā)展速度快、開(kāi)發(fā)規(guī)模較小的特點(diǎn)，相

34、關(guān)圖1.7為中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所研制的點(diǎn)吸收式直線發(fā)電試驗(yàn)裝置2011年底在廣州大萬(wàn)山島海域運(yùn)行時(shí)的情況及其原理示意圖，它的裝機(jī)容量是1 OKW，波浪作用下，與水下阻尼板固定連接的直線電機(jī)動(dòng)子和與振蕩浮子固定連接的直線電機(jī)定子產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)電。 (1>振蕩浮子在波浪中的運(yùn)動(dòng)特性決定了振蕩浮子的波浪能轉(zhuǎn)換效率，振蕩浮子所受的波浪力、振蕩浮子的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特點(diǎn)與波浪參數(shù)及自身物理參數(shù)的關(guān)系，是點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置重要的研究課題，早期的點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電技術(shù)只是涉及的是專利申請(qǐng)和理論研究，裝置樣機(jī)在實(shí)際海洋環(huán)境中運(yùn)行的較少。目前，越來(lái)越多的裝置的樣機(jī)和實(shí)物已投入實(shí)際海況中運(yùn)行，通過(guò)實(shí)海況研

35、究裝置的結(jié)構(gòu)性能、發(fā)電效率、安全性等問(wèn)題。由于涉及到復(fù)雜的海洋波浪和結(jié)構(gòu)物間的作用，所以通過(guò)理論和仿真設(shè)計(jì)裝置結(jié)構(gòu)和分析裝置性能，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，這種理論計(jì)算結(jié)合模型試驗(yàn)和實(shí)海況測(cè)試的研究方法已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。 (2)裝置發(fā)出電能的穩(wěn)定性，是波浪能發(fā)電能夠并網(wǎng)利用的條件，海洋波浪的特點(diǎn)是不規(guī)則，通過(guò)工程技術(shù)讓裝置發(fā)電趨于規(guī)則和穩(wěn)定，也是研究的重要方向。只有向大規(guī)模化與綜合化發(fā)展，波浪能利用技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)更好的商業(yè)化利用。上世紀(jì)大多數(shù)波浪能發(fā)電裝置功率為千瓦級(jí)以內(nèi)，多為小規(guī)模單一裝置的獨(dú)立發(fā)電，現(xiàn)在波浪能資源豐富的地區(qū)波浪能發(fā)電裝置可以達(dá)到百萬(wàn)瓦級(jí)，并且發(fā)展為綜合幾種采集波浪能原理的裝置

36、或者太陽(yáng)能、風(fēng)能的裝置，未來(lái)將會(huì)有更多相關(guān)裝置的規(guī)?；⒕W(wǎng)利用24 (3)裝置在極端天氣環(huán)境下的可靠性，包括裝置的避險(xiǎn)機(jī)制、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等，現(xiàn)有海洋工程結(jié)構(gòu)物建造技術(shù)的應(yīng)用，與已有工程技術(shù)的結(jié)合，使裝置從設(shè)想向?qū)嶋H試驗(yàn)與應(yīng)用的重 綜上所述，國(guó)內(nèi)外通過(guò)研究海洋波浪能的特點(diǎn)，已提出了多種不同的波浪能發(fā)電裝置，這些裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)和原理各異，轉(zhuǎn)換效率高低不一，大部分處于理論或者初步設(shè)計(jì)階段。由于海洋波浪能利用技術(shù)較新，針對(duì)相關(guān)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)還比較少，進(jìn)行相關(guān)研究工作對(duì)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。在點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電技術(shù)方面:以往多采用單振蕩浮子采集波浪能的方式，或者多個(gè)點(diǎn)吸收式裝置在二次轉(zhuǎn)換以后再進(jìn)行電力調(diào)

37、配和并網(wǎng)，對(duì)多點(diǎn)陣列的點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置的研究較少，相關(guān)振蕩浮子陣列中振蕩浮子間運(yùn)動(dòng)的相互影響也較少。六 海洋能是儲(chǔ)藏于海水中的可再生能源，它所含資源豐富，具備大規(guī)模開(kāi)采的資源條件和技術(shù)潛力，能夠?yàn)閷?lái)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展供應(yīng)充足的資源。(1)能源危機(jī)日益嚴(yán)峻 目前，全球能源需求持續(xù)增加，傳統(tǒng)能源日益枯竭，同時(shí)大量化石能源的使用又引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染和氣候問(wèn)題，這些已成為全球普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)美國(guó)能源信息署( EIA)預(yù)測(cè)m，世界能源需求量2020年將達(dá)到128.89億噸油當(dāng)量，2025年將達(dá)到136.50億噸油當(dāng)量，能源需求年均增長(zhǎng)1.2%左右。KBP世界能源統(tǒng)計(jì)2006的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明f21

38、以目前的開(kāi)采速度，全球石油、天然氣和煤炭?jī)?chǔ)量分別可以供應(yīng)40年、65年和162年。因化石能源使用而引發(fā)的氣候異?，F(xiàn)象和酸雨等環(huán)境問(wèn)題也呈逐年增多之勢(shì)。為有效地解決上述問(wèn)題，大力開(kāi)發(fā)可再生能源勢(shì)在必行，也是人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要條件。 如今，我國(guó)已成為全球第二大能源生產(chǎn)及消費(fèi)國(guó)，但我國(guó)人均能源擁有量仍處于較低水平，例如，煤炭、水利資源約為世界人均擁有量平均水平的一半，而天然氣、石油資源僅約占世界人均擁有量平均水平的1/15 4。同時(shí)，我國(guó)還面臨著能源資源分布不均、能源結(jié)構(gòu)不合理、能源技術(shù)裝備水平低等諸多問(wèn)題?？稍偕茉凑诔蔀槲覈?guó)優(yōu)先發(fā)展的能源方向，它在增加能源供應(yīng)、減少環(huán)境污染、改善能源

39、結(jié)構(gòu)、確保能源安全等方面具有重要作用。2006年1月1日，我國(guó)頒布實(shí)施了可再生能源法，制定了鼓勵(lì)可再生七 資源短缺和環(huán)境污染是人類長(zhǎng)期面臨的兩大難題，目前世界各國(guó)紛紛加大對(duì)可再生能源的投入，并出臺(tái)相應(yīng)政策予以支持。由表1-1可以看出，世界三大能源:石油、煤炭、天然氣可開(kāi)采時(shí)間最長(zhǎng)也只有119年，而我國(guó)的情況更為嚴(yán)峻一一均不足40年，表中儲(chǔ)量產(chǎn)出比(可開(kāi)采年限)以2009年開(kāi)采速度計(jì)算。雖然三大能源已探明儲(chǔ)量逐年增加，但據(jù)International Energy Outlook 2010)預(yù)測(cè)，未來(lái)30年三大能源的開(kāi)采速度和消費(fèi)速度也逐年增加，且探明儲(chǔ)量增速遠(yuǎn)不及開(kāi)采速度的增加。各機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)依據(jù)不

40、同及信息不對(duì)稱，造成各單位的統(tǒng)計(jì)結(jié)果不完全相同，但總體趨勢(shì)相同，探明儲(chǔ)量及可開(kāi)采年限相差不多。1.2.4波浪能 波浪能是指波浪所具有的動(dòng)能和勢(shì)能。所有可再生能源中，波浪能的能量密度最高且易于采集，因此得到了世界各國(guó)的重視。世界波浪能密度較高的地區(qū)為大洋東岸，如，太平洋東岸的美洲，大西洋東岸的北歐，印度洋東岸的澳洲西部等，這些地區(qū)波能密度均較大最大可達(dá)loo千瓦/米。波浪發(fā)電技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家也大多聚集在這些地區(qū)，如，挪威、西班牙、英國(guó)、葡萄牙、美國(guó)等。雖然日本島海域波能密度較小，但其對(duì)波浪發(fā)電的研究具有較高的水平。波浪能隨季節(jié)變化很大，冬季波浪能比夏季高出近六倍，圖1-6中標(biāo)注的數(shù)值為波浪能密度年

41、平均值。 據(jù)估計(jì)，全球波浪能的儲(chǔ)量可達(dá)到2530億千瓦，而我國(guó)沿岸波浪能資源理論平均功率約為1300萬(wàn)千瓦，但分布很不均勻，臺(tái)灣省沿岸最多達(dá)429萬(wàn)千瓦，其次是浙江、廣東、福建和山東沿岸，在160205萬(wàn)千瓦之間，其它地方則很少。我國(guó)擁有大小島嶼5500多個(gè)，這些島嶼的供電問(wèn)題大都難以解決。如果能將波浪發(fā)電推向?qū)嵱秒A段，將在很大程度上解決島嶼供電問(wèn)題。 隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的激增、社會(huì)的進(jìn)步，能源危機(jī)和環(huán)境污染成為當(dāng)今社會(huì)最重要的兩個(gè)發(fā)展問(wèn)題，這也促進(jìn)了海洋能的研究和發(fā)展。海洋能是指海洋中所蘊(yùn)藏的可再生的自然能源，包括波浪能、潮汐能、海流能、溫差能和鹽差能等。其中，波浪能由于開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)環(huán)

42、境影響最小且以機(jī)械能的形式存在，是品位最高的海洋能之一。據(jù)估算波浪能全世界波浪能的理論值約為109kW量級(jí)，是現(xiàn)在世界發(fā)電量的數(shù)百倍，因此，有著廣闊的商用前景。中國(guó)擁有473萬(wàn)平方公里的海洋國(guó)土、綿延1.8萬(wàn)km的海岸線，可以說(shuō)有著富饒的海洋能資源。據(jù)現(xiàn)有觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，全國(guó)沿岸波浪能資源平均理論功率大約為1000余萬(wàn)kW，其中臺(tái)灣省沿岸最多，為429萬(wàn)kW，占全國(guó)總量的1 /3;其次是浙江、廣東、福建和山東等沿岸較多，在161萬(wàn)一20_5萬(wàn)kW間，合計(jì)為706萬(wàn)kW，占全國(guó)總量的_5 _5 070;其他省市沿岸則較少，在14.4萬(wàn)一_56.3萬(wàn)kW之間3。全國(guó)沿岸波浪能流密度分布，以浙江中部、

43、臺(tái)灣、福建省海壇島以北、渤海海峽為最高，達(dá)5.11-7.73 kW/m;其次是西沙、廣東東部、浙江北部和南部，達(dá)3.63 -4.05 kW/m;再次為福建南部和山東半島南岸，達(dá)2.2_5 -2.82 kW/m4，可見(jiàn)我國(guó)可將極為豐富的波浪能作為一種儲(chǔ)量巨大的清潔可再生能源。 鑒于波浪能利用在成本和技術(shù)方面都難以和常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)，波浪能轉(zhuǎn)換裝置在當(dāng)前還難以得到廣泛推廣和應(yīng)用。但在常規(guī)能源缺乏的海島和海上設(shè)施的能源供應(yīng)上，波浪能就顯示了其特有的優(yōu)越性和生命力2。如今能源缺乏己嚴(yán)重制約我國(guó)諸多島嶼的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)，因此，波浪能的廣泛應(yīng)用對(duì)這些地區(qū)的資源開(kāi)發(fā)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 綜上所述，隨著海洋開(kāi)

44、發(fā)不斷向縱深發(fā)展，波浪能可為將來(lái)的海上工程作業(yè)提供便利的電能，解決離岸離島的用電問(wèn)題。2011年，中國(guó)超越日本成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，對(duì)能源需求進(jìn)一步增大。作為不可再生資源的化石燃料己經(jīng)難以滿足我們對(duì)能源的進(jìn)一步需求，且化石燃料在大規(guī)模使用的同時(shí)不僅會(huì)加重環(huán)境污染，也會(huì)加速全球變暖。由此可見(jiàn)，人類勢(shì)必會(huì)增強(qiáng)對(duì)波浪能等可再生清潔能源的需求量，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，波浪能的利用具潛力巨大，加快波浪能的研究和開(kāi)發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著波浪能利用中某些關(guān)鍵技術(shù)的逐步解決，波浪能必將在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要位置。因此，波浪能具有非常好的開(kāi)發(fā)前景和意義，如果開(kāi)發(fā)得當(dāng)，將成為一種可以提供人類生活生產(chǎn)需要的綠色能源。此外，

45、我國(guó)的波浪能資源豐富，天然條件得天獨(dú)厚，使我國(guó)研究波浪能發(fā)電技術(shù)具有重要的意義，既可緩解能源危機(jī)的壓力，也具有現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)效益和長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。這種用船作載體的浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置是海浪發(fā)電中的一種新型結(jié)構(gòu)形式，與常見(jiàn)的幾種發(fā)電裝置相比，具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，具體的如表1.4所示:八能量消耗水平是衡量社會(huì)進(jìn)步與公共福利最直接的方法之一。據(jù)估計(jì)，2040年的能量消耗水平會(huì)比目前高出30%左右。到2040年，電能消耗將占到全球能量消耗總水平的40%以上?？紤]到傳統(tǒng)能源的有限性和不可再生性，未來(lái)人們對(duì)于能量的需求僅僅依靠傳統(tǒng)能源將難以得到滿足。因此，尋求高效可靠的新能源成為解決人們能源需求的一個(gè)重要的途徑。

46、在過(guò)去三十年，人們投入大量的精力來(lái)研究太陽(yáng)能和風(fēng)能，很大地促進(jìn)了這些新能源的發(fā)展。但是除了太陽(yáng)能和風(fēng)能，還有一種具有很大潛在可利用能量的新型能源，即波浪能，己經(jīng)吸引越來(lái)越多的研究人員投入其中，以尋求一種有效安全的波浪能利用方式。根據(jù)International Energy Agency-Ocean Energy Systems在2006年發(fā)行的能源政策報(bào)告估計(jì)f2l，理論上波浪能能源利用總量為8000-80000TWh/year(1TW=1O12W。然而，面對(duì)如此大的可利用的潛在能量，由于技術(shù)上不成熟和利用成本比較高，波浪能目前的利用效率偏低。因此，設(shè)計(jì)高效安全的波浪能發(fā)電裝置成為提高波浪能利

47、用效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。1.2.1波浪能資源的優(yōu)勢(shì) 波浪能資源的儲(chǔ)量巨大，而且比其他新能源如風(fēng)能和太陽(yáng)能更可靠。波浪能的能量密度為2-3kW/m2，而風(fēng)能和太陽(yáng)能的能量密度分別為0.4-0.6kW/m2和0.1-0.2kW/m2。另外波浪能還具有以下的優(yōu)勢(shì):.相比與風(fēng)能或者太陽(yáng)能，波浪能夠在能量損失較小的情況下傳播較遠(yuǎn)的距離，例如從大西洋的西岸起源的風(fēng)暴傳播到東岸，其能量損失很小3,4.波浪能發(fā)電裝置可以利用波浪時(shí)歷90%的比例(風(fēng)能和太陽(yáng)能只能利用20-300/的時(shí)間)4,5.波浪能可預(yù)測(cè)的能量?jī)?chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)能4,6.波浪能的分布特點(diǎn)使得能源產(chǎn)地與客戶需求能夠更好的聯(lián)系起來(lái)。因?yàn)槭澜缟?7%的人口居住在距離海岸90km以內(nèi)的范圍0.波浪能是一種分布很廣泛的能源，其利用范圍可以從海岸邊到深海區(qū)域，例如Mutriku OWC plant's坐落在海岸旁邊的放浪堤上;Wave Hubg測(cè)試地址在離海岸1_Skm的地方。到目前為止，還沒(méi)有在深海布置的波浪能發(fā)電裝置，但是己經(jīng)有幾種正在研究的裝置是針對(duì)離岸區(qū)域的，如Wave Dragon9, Pelamislo和OEBuoy川等。波浪能的利用對(duì)于環(huán)境的干擾較小，另外波浪能發(fā)