摘 要

近年，常规能源所反映的问题日益突出。海洋占据着地球表面的71%，其中蕴含着巨量的波浪能。对于远海岛礁和港口，为保护内水域不受外部波浪的严重影响，常需布置多个浮式防波堤。由于存在多浮体水动力干扰，防波堤之间存在将强的间隙共振，间隙内的波高急剧增大，出现了波能汇聚的现象。振荡浮子式波能发电装置发电效率受浮子运动的影响。因此，利用浮式防波堤间汇集的波能发电成为了提高波能发展装置发电量的一种手段。

本课题针对浮式防波堤间的波浪汇聚现象，研究在间隙间布置振荡浮子式波能发电装置的可行性。本研究先确定了防波堤间布置波能发电装置的三种工况，再利用Gambit软件建模分析；然后利用DIFFRACT软件对建好的模型进行水动力特性分析，得出波能发电装置的能量转换效率；最后对比有无防波堤条件下波能发电装置的效率的变化，得出本研究内容是否可行的结论。

关键词：浮子式波能发电装置；波能俘获宽度；水动力特性；对比分析

Abstract

In recent years, the problems reflected by conventional energy sources have become increasingly prominent. The ocean occupies 71% of the earth's surface, which contains a huge amount of wave energy. For remote island reefs and ports, it is often necessary to arrange multiple floating breakwaters in order to protect the internal waters from the serious influence of external waves. Due to the hydrodynamic interference of multiple floating bodies, there will be strong gap resonance between breakwaters, and the wave height in the gap will increase sharply, resulting in the phenomenon of wave energy convergence. The power generation efficiency of Oscillating float type wave energy generator is affected by float motion. Therefore, the use of wave energy gathered between floating breakwaters to generate electricity has become a means to increase the power generation of wave energy development devices.

According to the phenomenon of wave convergence between floating breakwaters, this subject studies the feasibility of arranging floating wave energy generators between gaps. In this study, three working conditions of wave energy generating devices arranged between breakwaters are determined first, and then Gambit software is used for modeling and analysis. Then using DIFFRACT software to analyze the hydrodynamic characteristics of the built model, the energy conversion efficiency of the wave energy generator is obtained. Finally, comparing the efficiency changes of wave energy power generation devices with and without breakwater, we can draw a conclusion whether the research content is feasible.

Key Words：Oscillating float type wave energy generator；wave energy capture width；hydrodynamic characteristics；comparative analysis

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2波能转换装置 3

1.2.1振荡体 4

1.2.2 点吸收器 5

1.2.3振荡水柱 5

1.2.4越浪 6

1.3波能发电装置与海上水工建筑物结合的现状 6

1.3.1波能发电装置与海洋平台结合 6

1.3.2波能转换装置与防波堤相结合 7

1.4研究内容及目标 9

第二章 基本理论 11

2.1规则波 11

2.2微幅波理论 12

2.3边界元法 13

第三章 建立防波堤间布置波能发电装置的模型 14

3.1对发电装置的频域水动力分析 14

3.1.1有关振荡浮子式波能发电装置的基本理论 14

3.1.2具有多个波能发电装置的频域公式 14

3.2 波能转换效率公式 15

3.2.1振荡浮子型 15

3.2.2 多浮子型 15

3.3建模分析过程 16

3.3.1主要分析建模步骤 16

3.3.2尺寸选取 17

3.3.3 各工况划分 17

3.3.3.2工况二 18

第四章 不同工况下波能发电装置的发电效率 19

4.1单个波能发电装置的效率分析 19

4.1.1建模 19

4.1.2分析 19

4.2 防波堤间布置两个波能发电装置发电效率分析 21

4.2.1 有防波堤 21

4.2.2 无防波堤 24

4.2.3 对比分析 27

4.3 防波堤间布置三个波能发电装置发电效率分析 27

4.3.1 有防波堤存在 27

4.3.2 无防波堤存在 32

4.3.3 对比分析 37

4.4 防波堤间布置四个波能发电装置发电效率分析 37

4.4.1 有防波堤存在 37

4.4.2 无防波堤存在 43

4.4.3 对比分析 49

第五章 结论 50

参考文献 51

致 谢 53

第一章 绪论

• 1. 课题研究背景及意义

能源作为社会发展的基础与动力，保障了国家的强盛与发展。常规能源在近年来的使用过程中暴露的以环境污染为主的问题日益突出，而全球资源的分布不均匀导致了当今世界环境格局的不断动荡。由此，能源问题已经成为了全球各个领域的焦点问题。

21世纪以来，海洋能源的利用受到了广泛的关注。其中，海洋波能作为一种绿色无污染的可再生能源，成为了英国、瑞典、葡萄牙、中国、日本等国的关注焦点。各种形状各异，种类繁多的波能转换装置也相继被研发出来，如筏式波能转换装置、振荡浮子式波能转换装置、振荡水柱波能转换装置等。

随着人类社会的快速发展，传统化石能源也暴露出来一些致命的劣势，如：第一点，随着人类物质生活的不断提高，对于能源的需求量也是越来越大。但是开采传统能源的难度在逐渐增加，随着油田、易开发的煤矿开始枯竭，已知的储量也变得稀少，不少地区的能源储量已经只剩几十年。在化石能源枯竭之前，对于开采成本也越来越高，产生了能源枯竭问题。第二点，这些化石能源在使用过后会产生二氧化碳等其他对环境产生严重污染的气体，不仅会有温室效应，而且很容易产生粉尘和酸雨等危害，对于环境及人的健康都拥有很大的伤害^[1]。

可再生能源相对于传统化石能源具有一定的优势。可再生能源包括太阳能、风能、波浪能等，这些能源分布面积极广，人类可以在任何地方获得这些能源，不需再去探寻和开发，所以这些能源的储量巨大。第二点，可再生能源在使用的过程中，不会对环境造成污染，而且减少了温室效应对地球气候的影响，是一种环境友好型能源。

在人类对新能源的渴望下，海洋波浪能具有广阔的开发前景。在“节能减排”口号的 呼吁下，在可持续发展战略的需求下，可再生能源的研究和开发就受到了从未拥有过的重视和期待，在此基础上，可再生能源得到了蓬勃发展。跟太阳能、风能等这些可再生能源比，海洋波浪能在发展上相对滞后。但是海洋占地球表面积的 70.8%，它蕴含着巨大的能量，而且源源不绝，前景无限。现阶段加大对海洋波浪能的开发和发展，是改善清洁能源使用结构的关键，具有很高的研究价值^[2]。

海洋能是世界上最为丰富的能源之一，具有广阔的应用前景。海洋能是目前为止被证明为最为清洁并且可以再生并可预测的能源，具有着较煤炭、石油等不可再生能源所不具备的优点与潜力。

我国的能源分布结构较为失衡，其特点是煤矿储量占据了绝大的部分，而已经探测出的油田与气田极少。而仅仅依靠煤炭作为能源是不够的，而随着现如今社会的发展，对能源的需求量日益增大，我国作为一个能源大国，对于新能源的需求量比较大，尤其 在我国经济快速发展的东部沿海地区，但是这些地区对于能源的需求量也是巨大的。这些地区与海洋相连，可以充分的运用丰富的海洋能源来弥补能源上的缺口，对于缓解我国能源上的消耗是具有很大的可持续发展的意义。

我国是一个具有1.8万千米海岸线的国家，又是一个港口大国，在利用海洋上风能与波浪能的方面具有很大的优势。。理论上所能计算的我国沿岸和近海及毗邻海域的所有海洋能资源总储量约为6.1087×10¹¹ kW，其中技术可利用量约为9.81亿kW，见表1.1。

表1.1 我国各类海洋能资源储量

波浪能作为海洋能的主要可利用种类之一，具有着广阔的开发与利用前景。其开发与利用可以实现能源供给的海陆互补，减轻沿海地区发展所需要使用大量能源所带来的压力，并且有助于发展低碳经济并且提升国际竞争能力。

全球年平均功率密度的图形分布如图1.1所示^[3]。箭头表示功率密度向量的最佳平均方向。波能的最大分布记录为高，集中在南部大陆地区。

图1.1 波浪能密度的全球分布

如今，获取波浪能的最大问题是确保技术的可靠性并降低成本。沿着这些路线，海岸工程师的设计目标已经开始从防御波浪能转向收集波浪能，在某些情况下两者都有^[4]。

1.2波能转换装置

如图1.2示，波能转换装置可以根据几个方面进行分类，包括操作位置、波能条件和工作原理^[5]。波能转换装置部署位置如图1.3所示^[6]。

图1.4取自López^[7]，显示了世界各地正在开发的各种波能转换装置的细目。最流行的装置是基于点吸收器的概念。

越浪

振荡水柱

点吸收器

激振体

波能转换装置概念

图1.2波能转换装置的概念

图1.3波能转换装置部署位置

图1.4 波浪能发展百分比

1.2.1激振体（Wave activated bodies）

当波动体通过波相互作用驱动时，振荡体提取能量。振荡体的布置在于部分浮动条件，并且该装置平行于主要波方向放置。如图1.5所示，其形体遵循通过波的形状。当波通过振荡体传播时，这种现象会重复出现。运动的效果允许使用液压或机械传动从动能提取到电力。浮动体的阵列配置使用可以保持并允许物体移动的万向节牢固地连接。

振荡体概念首先由克里斯托弗·科克雷尔爵士通过发明科克雷尔筏引入。其设计很简单，它由一系列筏子组成，它连接在液压活塞上，可以作为铰链机构和动力系统。木筏列的最佳数量设定为3^[8]-[9][10]，提供了良好的整体效率。

图1.5 振荡体概念模型

1.2.2 点吸收器（Point absorber）

点吸收器定义为浮动或浸没体，以结合垂荡，横荡和纵荡相对于旋转波运动。这种点吸收器类型能够捕获来自多个方向的波。通常，点吸收器装置包括两个不同的部件，第一个是浮子，第二个是吸收器单元或功率单元。

其发电原理为：当波峰和波谷穿过浮子单元时，由于压力的不同，浮子单元将同时在升沉方向上作出反应。这种起伏运动随后驱动发电机发电。

利用浸没点吸收器发电的一个例子是阿基米德波浪摆动装置。该设备的第一个原型已经建成，最大瞬时功率为2兆瓦，并在葡萄牙北部海岸进行了测试^[11]-[12]。浮点吸收器概念基于部分潜水浮标的运动。这种运动由波面的波动驱动。与海洋波长相比，部分浸没的浮标通常具有较小的直径尺寸，并且它可以单独或以阵列的形式工作。

另一个通过浮动点吸收器发电类型的例子是海洋动力技术动力浮标。该装置通过浮动浮标相对于垂直翼梁运动经历的垂直运动产生电力。为了改善其质量惯性矩，垂直翼梁单元需要较重的质量。40千瓦额定功率的海洋动力技术设备已在太平洋和大西洋成功测试。、

点吸收器概念下的另一个发明例子是WaveStar波能发电装置，它由一系列浮动浮标组成。WaveStar已在丹麦西海岸成功测试，能够产生600千瓦的功率。

1.2.3振荡水柱（Oscillating water column）

振荡水柱是最著名的波浪能提取概念之一。该概念利用振荡波原理，通过在捕获室内的压力上升和下降而形成。振荡水柱配备有两个开口，其中第一个开口允许水在起伏方向上循环，而第二个开口允许空气在水平方向上膨胀和缩回。通常，振荡水柱概念的开口位置被放置于低于低潮条件下设定的最低水位。

空气涡轮机放置在第二开口处以捕获双向空气流。用于这项工作的最常见类型的空气涡轮机组是韦尔斯涡轮机，因为它能够在一个方向上提供吸力和吹气效果。

振荡水柱概念最初是由日本的Yoshio Masuda^[13]在20世纪60年代和70年代发明的，而第一个用于岛屿社区的75千瓦海岸线波浪能转换器首先于1988年在艾莱岛建造。在物理结构上，该装置的前向壁倾斜30度角，其下边缘位于最小水深以下1米处。

被命名为 Ocean Swell Powered Renewable Energy的波能发电装置的额定功率输出约为2兆瓦^[14]。这种钢结构装置使用两个反向旋转井和风力涡轮机分别产生动力，以收获海洋自然膨胀和风流。 该装置的进一步发展基于具有可选风力涡轮机应用的混凝土结构。另一方面，“巨鲸”号波能发电装置是在日本开发的，其基于三个气室单元，每个单元并排放置在浮动结构的前壁。该设备的总功率估计约为120千瓦，第一气室60千瓦，第二和第三气室发电机30千瓦。

1.2.4越浪（Overtopping）

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：