摘 要

占地球表面面积71％的海洋中包含的可再生能源储量巨大，随着世界能源需求的快速增长，人们开始非常关注海洋波浪能的开发和利用。其中因具有较宽的响应频域范围，较高的转换效率，简单的结构，低廉的造价，浮力摆波浪能发电装置在近年来发展十分迅速。本文利用势流理论，使用AQWA 软件系统地研究了浮力摆式波浪能装置的频域水动力特性。并在此基础上使用WEC-SIM软件着重研究了波浪参数（波高、周期）和 PTO 参数（阻尼系数）等对摆式波能发电装置转换效率的影响。

本文对已经成功商业化的波浪能发电装置进行技术研究，为后续的波浪能发电装置的开发设计提供一定的参考作用，将推进摆式波浪能发电装置在我国的成功应用,并且将有助于可再生能源利用技术在我国的发展。

关键词：波浪能；浮力摆；AQWA；WEC-SIM；转换效率

Abstract

The ocean that accounts for 71% of the earth's surface contains huge reserves of renewable energy. With the rapid growth of energy demand in the world, the development and utilization of ocean wave energy has attracted much attention. Among them, the flap-type wave power generation device has a wide response frequency range, high conversion efficiency, simple structure, and low construction cost, which has been rapidly developed in recent years. Based on the potential flow theory, the hydrodynamic performance of the flap-type wave power generation device in frequency domain is studied systematically by using AQWA software. Based on this, the influence of wave parameters (wave height, cycle) and PTO parameters (damping coefficient) on the conversion efficiency of the flap-type wave power generation device is studied by using WEC-SIM software.

In this paper, the technology research of wave energy power generation device which has been commercialized successfully is carried out. It will play a certain role in promoting the successful application of the flap-type wave energy utilization technology in China and contribute to the development of renewable energy utilization technology in China.

Key Words：wave energy; flap-type; AQWA; WEC-SIM; conversion efficiency

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究的意义 2

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 国外研究现状 3

1.2.2 国内研究现状 6

1.3 研究内容 7

第 2 章 基本理论 8

2.1 规则波介绍 8

2.2 微幅波理论 8

2.3 边界元法 11

2.4 时域运动方程 11

2.5 AQWA介绍 12

2.6 WEC-SIM介绍 12

2.7 本章小结 13

第 3 章 浮力摆水动力特性数值模拟研究 15

3.1 模型建立 15

3.2 数值计算验证及结果分析 17

3.2.1 纵摇方向上的转动力矩的验证 17

3.2.2 激振力 17

3.2.3 附加质量 18

3.2.4 辐射阻尼 19

3.3 摆板厚度对其水动力特性的影响 20

3.3.1 激振力对比 21

3.3.2 附加质量对比 22

3.3.3 辐射阻尼对比 22

3.4 本章小结 23

第 4 章 浮力摆波能发电装置的转换效率分析 24

4.1 WEC-SIM中的具体分析流程 24

4.2 瞬时功率计算结果 25

4.3 PTO 参数（阻尼系数）对平均功率的影响 25

4.4 波浪参数（波高、周期）对平均功率的影响 26

4.4.1 改变波高对平均功率的影响 26

4.4.2 周期对平均功率的影响 27

4.5 摆板厚度对平均功率的影响 28

4.5.1 平均功率随阻尼系数的变化对比 29

4.5.2 平均功率随波高的变化对比 30

4.5 本章小结 31

第 5 章 结论与展望 33

5.1 主要结论 33

5.2 未来展望 33

参考文献 35

致 谢 37

第1章 绪论

• 1. 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

现如今我国的经济发展越来越好，但能源供应与社会需求之间的矛盾却越来越凸显，再加上我国为了更快的发展对能源越来越依赖，能源紧缺的现状严重束缚我国经济更进一步的发展。21世纪的今天，国际能源形势非常紧张，为了自身发展世界各国还需要大量的能源，但能源储备量却是有限的，传统化石能源对气候变化和环境污染的影响也引起了担忧，而发生在上个世纪的石油危机事件也使人们认识到了能源的重要性^[1]。因此，全球各国都迫切的需要调整能源结构，尽快找到可代替的环保、安全的可再生能源。

工业革命以后，人们开始使用机器劳动替代手工劳动，然而正因为这样，传统能源如石油、煤炭、天然气等被迅速耗费，地球生态环境被严重破坏失衡，特别是温室气体如二氧化碳的大量排放招致的全球变暖、冰山融化等事件，严重威胁到人类社会的可持续发展计划^[2]。在21世纪，中国虽然是能源总量第二大国，但是人均能源拥有恰恰相反，我国人均煤炭、水资源人均资源量仅仅约为世界平均水平的一半，而人均天然气、石油拥有量更是不足一成。作为发展中国家，我国还在快速发展，需要更多的能源来支持，但与此同时，我国还存在着许多问题，如能源资源散布地区与其能源需求不相匹配、能源结构不低碳、能源开发技术装备不够先进等，我国能源结构的不合理主要表现在高碳结构上，这就是我国能耗等重要指标远远高于发达国家的直接原因，我国环境保护的压力和能源供需之间的矛盾也因此被进一步加大，所以可以看出我国在构建一个稳定、经济、环保的能源供应结构上困难重重^[3]。因此，我国现在非常需要找到安全、稳定、绿色的可代替性新能源，建立合理、低碳的能源结构。

化石能源的紧缺及其对环境的影响使寻找替代的可再生能源成为全世界尤其是中国的首要任务。21世纪是海洋的世纪，人们不可避免的会想到从大海中寻找开发资源。海洋，约占地球表面积的七成，其中储存的能源相当可观，包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等。海洋能作为一种经济效益较高且潜力巨大的可再生能源，拥有总蕴藏量大、清洁、环保、不需要燃料等其余能源所不具备的优点。表1.1中给出了几种常见海洋能能源的储量，从表中很容易就得出，相比于其他能源，波浪能的实际可开发量较大，为,且在海洋中波浪能储量不可估量，海洋中的储存量也几乎不因时间变化而发生改变，波浪能从而一跃成为非常具有发展前景的新能源^[4]。