可再生能源概论 教学课件 作者 左然 施明恒第八章波浪能.ppt

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1、第八章波浪能当我们在海边漫步，总会不自觉地被那奔腾而来、无休无止的海浪所吸引。人们把波浪比喻成大海的呼吸，殊不知在这起伏的波浪中蕴藏着巨大的能量资源。8.1波浪的起因和定义起因：风吹过海面，风与海面相互作用，一部分风的能量传给海水，变成波浪的动能和势能。波浪发生的三种主要过程：空气吹过海水表面，由于粘性作用，对海水施加一个切向力。而水的表面张力提供一个类似弹簧的恢复力，使水面上产生一层微小的涟漪，它是波浪形成的前奏。此时的波称为表面张力波。靠近水表面的湍动的空气流引起剪切力和压强的波动。当这些波动

2、与已有的波浪同相位时，波浪进一步加强。波浪继续受风的剪切力作用，与风共振，从风中吸取能量。波高逐渐加高，波长逐渐加长，最后到达波澜壮阔的情况。此时迫使水面复原的恢复力为重力，故称为重力波。广义的波浪的分类：表面波或涟漪重力波：风浪、涌浪、近岸浪。海啸惯性重力波行星波风浪与涌浪分布示意图8.2波浪的特征和波浪能的功率波浪的特征包括：波长波高H周期T波峰宽度W海水深度d理想的波浪—简谐波波浪能密度:垂直于波浪方向的每米宽度所通过的能量速率（功率）严格的表达式为：理想的波浪功率为:其中:水的密度[kg/

3、m3]重力加速度g[9.8m/s2]海浪的随机性:风速、风向随时随地变化典型的波浪状态：每米宽波峰的平均能量为:kW/m其中:显著波高,Te为零上方穿过周期一个典型的波浪纪录。其中，显著波高Hs=3m，表面的连续向上运动用小圆圈示出。在此例中，在150s内有15次零上方穿越，因此Te=10s。由此，P＝(32×10)/2＝45kW/m。8.3波浪在深水和浅水中的传播深水波：水深>1/2波长，波速仅与波长有关。速度，波长浅水波：水深<1/4波长，波速仅与水深有关。速度中等深度波：1/4波长<水深<1

4、/2波长,波的性质将同时受到水深d和波周期T的影响。波浪的运动三种类型：水面下的波浪：波浪由旋转的水粒子组成。靠近表面时，这些粒子的旋转半径与波高相等。到表面下方更深一些时，轨道尺寸将减小。水粒子的旋转半径随着水深呈指数下降。海面下水粒子的运动：(a)浅水波；(b)中等深度波；(c)深水波浅水波的运动：对于世界上大多数海岸线，近岸海水较浅。由于最下方的水粒子与海床的摩擦耦合，随着波浪向岸边运动，深水波逐渐释放能量，最终波浪冲向了海滩。当水深小于1/4波长时，摩擦作用变得非常显著，能量损失可达到每米

5、几瓦。海岸线附近波浪的折射波浪的折射：波前的一端将首先到达浅滩，这部分波的速度将变慢，波的方向也将发生改变，此效应称为波的折射。8.4波浪能资源全世界波浪能分布的年平均功率密度[kW/m]（数值代表波浪能在离岸深水处的平均值）中国沿海波浪能资源区划图8.5波浪能转换技术从波浪能到用户电能的转换步骤和主要构件波能转换器的三种模式：(a)终结性模式:波能转换器的主梁平行于与入射波前。(b)减缓型模式:波能转换器的主梁垂直于入射波前。(c)点吸收型模式:其主轴垂直于海面，其线形尺度远小于波浪的长度。波能

6、转换装置的分类：波能装置从波浪中吸取能量，将其变成机械运动的动能或流体的压力能，然后再将机械能转换成电能。压缩空气型压缩流体型水位差型直接转换型根据波能装置采用的不同物理原理，波能装置可分为四类：波能转换装置的尺寸、装置阵列和装置实施装置尺寸:波能转换装置的几何尺寸是决定其工作性能和输出功率大小的关键因素，波能转换装置的最佳尺寸取决于该装置预定工作的波浪和海洋的特性。装置阵列:欲产生大量的电力，需要很多波浪能转换装置联合工作。单排波能转换器可能是最有效的，如果装置之间的距离布置得当，那么每台装置将

7、通过一种被成为“相干干涉”的过程比其单独布置吸收更多能量。装置实施:安装装置；波能拦截装置；功率转换装置；系锚装置；电能输出和控制系统；接近和维护装置；回收和取缔装置。波能转换装置的主要结构：垂荡机构摇摆机构垂荡与摇摆机构柔性气袋装置振荡水柱装置聚焦型装置波浪能装置可根据系留状态分为两大类：固定式装置：包括岸边固定式和海底固定式。固定式装置具有固定的主梁，容易接近与维护，显然比浮子式装置更容易建造。缺点是它们一般在浅水岸工作，从而获得的波能较小。*而安装这类装置的天然区域是有限的。浮动式装置：包括

8、点头鸭式、海蚌式和海蛇式。浮动式装置比岸边固定式可收集更多的能量，因为海洋中的波能密度比岸边大的多，并且对安置大量上述装置阵列限制很小。岸式装置与离岸式装置：岸式装置对风暴浪的承受能力更强。缺点是比起位于海洋中的浮动式来得到的波能密度较低。且受地理位置的限制。离岸式比起岸式来，建造和维护都比较困难，但它们能收集更多的能量，因为波浪在深水中比近海的浅水中能量更大。威尔士空气涡轮机Wells空气涡轮机目前波能转换装置最成熟的技术，就是在天然或人造水槽或容器中引入波浪，产生振荡水柱，进而