2 波能转换装置。
现在已经有众多的波能转换装置的概念;已经有超过1000种波能转换技术在日本,北美和欧洲申请了专利。抛开它们在设计上的区别,波能转换装置通常被依据安放位置和类型进行分类。
2.1 安放位置。
岸式波浪能装置的优势在于靠近供电电网、易于维护,同时由于波浪在向浅水区传播时有所削弱而降低了装置在极端情形下被破坏的可能性。但这也导致了岸式装置的一个缺点,即浅水波提供的波能也相应较少(这可以由将装置安放在天然的聚波地带做部分补偿)。潮波的变化范围也是一个问题。
另外,它们安放位置所受的限制也导致了选址时的诸多要求,包括海岸的几何要素和地质要素,海岸景观的保护,因此岸式装置无法用于对波浪能的大规模开发。
近岸式装置被定义为安置在相对浅水区(在“浅水”的界定上尚无一致意见,一个建议值是水深小于1/4波长)的波浪能装置。在这片海区布置的装置通常与海床相连,由海床提供一个可经受波浪作用的基础。同岸式装置类似,它的一个问题也是浅水波蕴含的波能存在削弱,这就限制了它所能获得的能量。
离岸式装置通常布置在深水中,虽然现在对“深水”的界定也很模糊。“几十米”水深是一种界定,同样“大于40米”和“深度超过1/3波长”也是一些主张。将波浪能装置安置在深水中的好处是它能籍深水波更高的能量密度而收集到更多的波能。
然而,离岸装置也更加难于建造和维护,并且由于身处更高的波高和能量密度中而需要被设计以抵抗更极端的海况,这就增加了建设成本。尽管如此,有人指出布置在深水水域的漂浮式装置可以利用更加猛烈的波浪提供更大的经济效益。
在装置布置时,注意到以下事实是有益的,即波能存在于当近表层的水体发生运动时。高达95%的波能都存在于表面向下1/4波长的水体内。
2.2 分类。
抛开设计和概念上的诸多差异,波浪能装置可以分为三个主要类型。
2.2.1 消耗型(a)
消耗型装置在布置时平行于主要波向,看上去就像“骑”在波浪上。一个消耗型波浪能装置的例子是由ocean power delivery ltd开发的pelamis(现在又称为pelamis波能装置)。图1为一个pelamis波能发电场的效果图。
关于这种波浪能装置的更多细节参见2.4.1节。
2.2.2 点波能装置(b)
点波能装置指在尺寸比所面对波浪的波长小得多的装置。它们可以是在水表面上下起伏的漂浮式装置,也可以通过压差而淹没在水下。由于尺寸较小,装置安装时波浪方向并不是关键。
现已有众多的点波能装置,ocean power technology的powerbuoy就是其中之一。图2为一个使用powerbuoy的波能发电场的效果图。
2.2.3 截止型(c)
截止型装置多沿波前(平行于波的主要方向)布置,并依靠自身拦截波浪。截止型装置的一个例子是salter的点头鸭装置,它由爱丁堡大学研发,如图3所示(具体细节参见2.4.2节)。
2.3 运行方式。
在上述分类之下,还可通过运行方式对各种装置进行更进一步的分类。一些主要类别如下。
2.3.1 xxxx
xxxx装置是淹没于水下的利用波峰和波谷间的压差发电的点波能装置。它由两部分组成:固定在海床上的充气圆柱筒和其上的可运动的圆柱构造。
当波峰经过装置的时候,装置上部的水压挤压圆柱内的气体,使上部圆柱向下运动。当波谷经过的时候,装置上的水压减小,上筒上升。该装置的一个优点是由于它是完全淹没的,它不会暴露于漂浮式装置所需面对的危险的冲击力下,降低了装置的视觉冲击。
然而这类装置的维护却是一个问题。由于一个部分需要被固定在海床上,这类装置通常都布置于近岸地带。这方面的一个例子是archimedes w**e swing,图4为它的效果图。
2.3.2 摆式装置。
摆式装置通常都有一个垂直于波向布置的铰接式反射装置(作为一个截止器),它可吸收波浪运动的水平速度而来回运动。一个例子是近岸装置aquamarine power oyster,它的反射器上沿高于水面,同海床铰接在一起。该装置的一个样机已被制造。
图5为其效果图。
2.3.3 振荡水柱型。
振荡水柱型装置包括一个空箱,它带有淹没于水面以下的朝下的开口。当波浪临近装置时,水进入小箱,对箱内气体施加压力。这些气体就通过一个涡轮机进入大气。
海水退却时水位下降,空气又被通过涡轮机吸入小箱。此类装置多使用一种wells涡轮机,它能在两个相对方向的水流冲击时仍朝一个方向旋转,从而免去了调整水流方向的必要。有评论认为振荡水柱型装置的一大优势就是装置本身的简洁和坚固。
现在有若干种振荡水柱型装置模型,一些是点吸收装置,另一些则修建在岸边,以截止型装置的原理工作。岸式装置的一个实例是w**egen limpet。它安装在苏格兰西部的islay,可以为国家电网提供电力,图6为limpet的设计效果图。
振荡水柱型装置的概念也被澳大利亚波能开发商oceanlinx付诸实践,该公司开发的装置被置于一个近岸系链平台上。
2.3.4 收缩波道型。
收缩波道型装置在捕获波浪后把水置于一个高于海平面的水库中,再通过涡轮机把水送回大海。这方面的一个实例是w**e dragon,如图7所示。装置通过一组对数螺旋曲面使波浪聚集到中间的接收区,在那里波浪溢过一个堤后进入水库,接着海水从这里通过若干低水头涡轮机回到海洋中。
2.4 英国的相关研究及进展。
2.4.1 商业运作。
现在有许多公司在进行波浪能装置的研发。相关英国公司见表1。更加详尽的全球相关企业列表可以通过欧洲海洋能源中心(emec)**获得。
应该给予pelamis装置更多的关注,因为它是目前为止最有可能投入商用的离岸式装置(w**egen limpet 虽然已经投入商用,但这个**水柱装置仍然是近岸型的。)pelamis是一个漂浮装置,由若干直径为3.5米的圆柱形空钢筒组成,钢筒间通过具有两个自由度的接头铰接相连。
接头和万向接头类似,而在每个接头的中间部分则布置了全套的能量转换系统。这些接头在波浪下的运动能量由能够适应水平和垂直运动的四个液压筒吸收。这些液压筒作为泵在工作,它们通过水力“马达”驱动流体,xxxx又反过来驱动发电装置。
在大回路中使用蓄电池以分离初级回路(泵)和次级回路(马达),并通过调整流体运动而使发电过程能够平稳持续。水力启动(pto)系统使用的都是一些容易买到的设备。
每个pelamis装置有120米长,包含3个功率均为250kw的发电单元。它被设计为能在至50米水深条件下运行。它的外形和宽松的泊放方式使得它能自动同高能量的大波长海浪”解谐“,从而增加了在风暴中的安全性。
最近,一个使用pelamis技术的发电厂已经被建造,它距portugal北部海岸约3英里,靠近pòvoa do vorzina。它使用的是曾被emec在orkney检测过的原型机的全尺寸装置。初始阶段使用3台p-750机器发电,总功率为2.
25mw。
2.4.2 高校的研发。
高校和一些科研机构同表1开列的商业机构同步进行波浪能装置的研发,并在某些时候进行合作。在研究中起主要作用的高校如下。
1、爱丁堡大学。成立于2024年的爱丁堡大学波浪能小组在波浪能装置研发领域十分活跃。stephen salter,波浪能研发的先驱之一,就是从爱丁堡大学起步并一直进行着点头鸭的研究工作。
点头鸭概念是公认的理论上效率最高的装置之一,它能100%地吸收波浪能。把该装置的动能转化为电能的问题也一直激励着研究者们在水力驱动方面开展研究。爱丁堡大学还是equimar 计划的参与方之一。
2、兰开斯特大学。兰开斯特大学可持续开发能源小组(lureg)参与了诸多波浪能计划。它们同carbon trust的energy accelerator programme 及narec(关于narec的更多信息见下)的研发小组一道参与了supergen1和supergen2的研发。
它们关注波浪能领域中的一系列问题,包括寻找新设计方案、数值模拟与控制、pto研发(尤其关注线性电流的产生技术)和设备评估。
3、primare(普利茅斯大学和埃克塞特大学)。。这个新近成立的小组从事跨学科研究并与swerda资助的w**e hub计划有直接联系(更多细节见下)。埃克塞特大学同样是equimar计划的参与方之一(见下)。
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