波浪能发电装置设计与制造

能源和环境问题一直受到各国政府、国际组织和普通民众的高度关注，发展可再生能源已成为全球共识。波浪能作为可再生海洋能，具有巨大的开发潜力，是一种极具发展前景的清洁能源，已有二百多年的开发历史，近几年取得了许多突破性进展，不同形式的波浪能利用装置相继被制造出来。

我国自20世纪70年代开始波浪能的研究工作，80年代后获得较快发展，主要研究机构有国家海洋技术中心、中国科学院广州能源研究所以及各大高校等，先后制造了摆式发电装置、航标式微型波能转换装置、多谐振荡水柱型沿岸固定式电站、岸式振荡浮子发电站、直驱式海试装置等不同类型的波浪能发电装置。波浪能利用技术经历了理论论证到样机海试的过程，从能够发电向稳定发电方向进展，正在逐步走向成熟。

目前，国内相关单位在波浪能发电装置的设计和制造方面积累了丰富经验，但实现大规模、商业化应用还有一定距离，一是因为效率和可靠性还有待提高，二是波浪能行业还没有现成标准和规范。著者近年来一直从事海洋可再生能源技术与装备、深海探测技术与装备的开发研究工作，带领团队承担并完成了“国家海洋局可再生能源专项资金项目‘120kW 漂浮式液压海浪发电站中试’”“横轴转子波浪能发电装置”“沉积物捕获器”“海底底质沉积物声学现场探测设备优化设计与研制”等海洋相关项目，在海洋装备与波浪能开发利用技术方面取得了丰硕成果并积累了宝贵经验。

为了进一步推动我国波浪能发电技术的发展，普及波浪能发电装置设计制造的相关知识和技术，促进波浪能的广泛应用，本书分析了当前波浪能及相关海洋能的发展现状，对波浪能理论进行了推导，列举了几种常见的波浪能转换系统，对液压转换系统和控制系统进行了详细的设计和分析，并以著者团队承担的漂浮式液压海浪发电装置为例完整地介绍了波浪能发电装置的实施海域水文资料、理论分析、机械结构与电气控制系统设计、装置制造、试验测试，以及陆地和实海况试验等过程。期望能够对从事波浪能技术研究的相关人员起到抛砖引玉的作用。

本书由山东大学机械工程学院、高效洁净机械制造*重点实验室、海洋研究院刘延俊结合多年从事波浪能发电装备开发研究的经验编写，在编写过程中，团队成员李世振、张伟、张健、薛钢、贺彤彤、杨晓玮、颜飞、孙景余、刘婧文、漆焱、丁洪鹏、武爽、孟忠良、侯云星、薛海峰等在文献收集、文字录入等方面做了大量工作。

由于学识水平有限，书中不足之处在所难免，恳求广大读者和从事相关研究的专家及同行批评指正。

著者

第1章　绪论　/ 1

　1.1　海洋能分类　/ 2

　　　1.1.1　潮汐能　/ 2

　　　1.1.2　波浪能　/ 4

　　　1.1.3　海流能　/ 5

　　　1.1.4　温差能　/ 5

　　　1.1.5　盐差能　/ 6

　1.2　我国海洋能开发利用现状　/ 7

　　　1.2.1　潮汐能的开发利用现状　/ 8

　　　1.2.2　波浪能的开发利用现状　/ 8

　　　1.2.3　温差能的开发利用情况　/ 9

　　　1.2.4　盐差能的开发利用情况　/ 10

　1.3　海洋能特点　/ 11

　1.4　波浪能发电技术现状　/ 13

　　　1.4.1　波浪能的优势　/ 13

　　　1.4.2　我国的波浪能资源　/ 14

　　　1.4.3　典型波浪能发电装置　/ 18

　　　1.4.4　波浪能发电面临的问题　/ 20

第2章　波浪性质及相关理论　/ 23

　2.1　波浪能的特点及其性质　/ 24

　　　2.1.1　概述　/ 24

　　　2.1.2　突出特点　/ 24

　2.2　波浪能转换数学模型　/ 25

　2.3　波浪理论　/ 29

　　　2.3.1　线性波理论　/ 29

　　　2.3.2　非线性波理论　/ 31

　2.4　波浪力计算　/ 33

　　　2.4.1　Morison方程　/ 33

　　　2.4.2　绕射理论　/ 40

　　　2.4.3　Morison方程与绕射理论的关系　/ 46

第3章　波浪能发电装置概述　/ 48

　3.1　波浪能发电装置基本原理　/ 49

　3.2　波浪能转换方式　/ 50

　3.3　波浪能发电装置分类　/ 53

　　　3.3.1　波浪能转化装置　/ 53

　　　3.3.2　波浪能发电装置　/ 55

　3.4　典型波浪能发电装置特点　/ 56

　　　3.4.1　点头鸭式波浪能发电装置　/ 56

　　　3.4.2　振荡水柱式波浪能发电装置　/ 57

　　　3.4.3　筏式波浪能发电装置　/ 60

　　　3.4.4　振荡浮子式（点吸收装置） 波浪能发电装置　/
61

　　　3.4.5　摆式波浪能发电装置　/ 64

　　　3.4.6　聚波水库式装置　/ 66

　3.5　我国已研发的波浪能发电装置　/ 68

　　　3.5.1　漂浮式液压波浪能发电站　/ 68

　　　3.5.2　横轴转子水轮机波浪能发电装置　/ 70

第4章　波浪能分布及发电装置选址　/ 76

　4.1　全球波浪能分布　/ 77

　　　4.1.1　全球海洋的波浪特征　/ 77

　　　4.1.2　全球海洋的波浪能资源储量　/ 78

　4.2　我国沿海波浪能分布　/ 79

　　　4.2.1　我国沿海气候　/ 79

　　　4.2.2　波浪能分布　/ 80

　4.3　波浪能发电装置选址　/ 82

　　　4.3.1　选址特点　/ 82

　　　4.3.2　选址实例　/ 83

　4.4　装置可靠性设计及防护　/ 85

　　　4.4.1　可靠性设计　/ 85

　　　4.4.2　防护方法　/ 85

第5章　波浪能能量转换系统　/ 88

　5.1　波浪能能量转换系统分类　/ 89

　　　5.1.1　振荡水柱技术　/ 89

　　　5.1.2　振荡浮子技术　/ 90

　　　5.1.3　越浪技术　/ 91

　5.2　波浪能发电装置液压能量转换系统　/ 92

　　　5.2.1　液压系统的设计及零部件选型　/ 92

　　　5.2.2　发电机及储能系统的选型　/ 97

　5.3　波浪能发电装置控制系统　/ 99

　　　5.3.1　发电控制系统设计　/ 99

　　　5.3.2　输出电能处理　/ 101

　　　5.3.3　发电远程监控系统设计　/ 102

　　　5.3.4　发电远程控制软件　/ 108

第6章　波浪能发电装置设计实例　/ 114

　6.1　波浪能发电装置的设计　/ 115

　6.2　技术内容　/ 116

　6.3　海域选择与确定　/ 116

　6.4　理论分析　/ 117

　6.5　数值模拟分析　/ 122

　　　6.5.1　小浪情况下的流固耦合分析　/ 122

　　　6.5.2　大浪情况下的流固耦合分析　/ 125

　　　6.5.3　结构有限元分析　/ 127

　6.6　比例模型试验、发电量测试及参数修正　/ 131

　6.7　仿真模拟试验及参数修正　/ 151

　　　6.7.1　测试设备与仪器　/ 151

　　　6.7.2　结果与分析　/ 153

第7章　波浪能发电装置试验　/ 155

　7.1　陆地试验　/ 156

　　　7.1.1　陆地模拟实验平台　/ 156

　　　7.1.2　小比例模型实验　/ 164

　　　7.1.3　海试样机的陆地测试与实验　/ 166

　　　7.1.4　整机的陆地联调　/ 174

　　　7.1.5　数据分析　/ 174

　7.2　海试　/ 176

　　　7.2.1　海试地点　/ 176

　　　7.2.2　波浪能发电装置的投放　/ 176

参考文献　/ 183