1. 研究目的与意义（文献综述）

随着人类科技的发展，我们已经清楚的认识到，常规化石燃料的无限制使用不但会造成化石燃料的枯竭而且会导致严重的环境污染问题。当今而言，能源短缺以及环境污染是制约着人类社会和经济发展的两大重要因素。而占地球表面积70%的海洋却蕴藏着大量的能源，包括波浪能、海流能、温差能、盐差能等。其中，波浪能由于在开发过程中对环境影响小而且以机械能的形式存在，具有巨大的开发价值，尤其是在航洋航行器方面更是具有深远的意义。利用波浪能发电，不仅可以解决小型海洋航行器的能源供应问题而且还可以为海上设施以及孤岛等提供电力资源。海洋波浪能是一种无污染的、清洁的、可再生的新能源，波浪能能流密度高、储量巨大且分布广泛，是未来海洋能利用发展的主要方向，而我国所具有的海岸线，实现海洋能发电，有重要的战略意义。因此，以小型海洋航行器利用航洋波浪能发电对人类解决能源问题以及环境污染问题具有重大的意义。

波浪所蕴涵的能量主要是是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。台风导致的巨浪，其功率密度可达每米迎波面数千kw，而波浪能丰富的欧洲地区，其年平均波浪功率率20~40kw/m^2中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为2~7kw/m^2。据估算，全世界波浪能的理论值约为 kw量级是现在世界发电量的数百倍，有着广阔的商用前景，因而也是各国海洋研究的重点。日本是个环海岛国，由于国土狭小和资源匮乏 等客观的不利因素，致使日本政府往往能够充分地 认识本国的地理环境条件，异常重视海洋能源的开 发，尤其是波浪能发电技术的理论研究和开发应 用，因此在波浪能发电装置的研究及其制造和使用 上也达到了世界最为先进的水平。据国外组织的粗略估计，日本平均每1ｍ宽海岸的波浪蕴藏着9kw的能量，日本沿海与近海的平均波能为13kw，其波浪产生的能量大致能满足国内能源需求总量的近从20世纪60年代开始，日本就已经开始将12台波浪能发电装置用于实验研究和商业用途，至今仍有4台装置继续工作。到目前为止，具有波浪能发电装置的发电站在日本已达10000余座。这其中包括日本已建成的4座岸基固 定式和防波堤式波浪能电站，单机容量为40kw，在这当中最著名的莫过于在80年代初建 造的“海明”号波浪能发电船，其总装机容量高达1250kw由日本海洋科学技术中心研制的“巨鲸”号波浪发电装置为可动式浮体型，也是波浪能发电装置中的佼佼者。 60年代，日本研制成功用于航标灯浮体上的气动式波力发电装置。此种装置已经投入批量生产，产品额定功率从60瓦到500瓦不等。产品除日本自用外，还出口，成为仅有的少数商品化波能装备之一。该产品发电的原理就像一个倒置的打气筒，靠波浪上下往复运动的力量吸、压空气，推动涡轮机发电。自20世纪70年代世界石油危机以来，世界各国不断地投入大量的人力资金开展波浪能的开发利用研究，并取得了重大的成果。英国是世界上具有最好波浪能源的国家之一， 英国的波浪发电装置每年可以从英国的周边海域 收集高达5.0tw.h的能源。出众的地理资源优 势，再加上因政府对海洋能源前瞻性认识而加大的 研究力度，使英国在20世纪80年代时就已成为世界波浪能及其发电装置研究制造领域的领头羊。英国一直是波浪能发电技术先进的国家，它不仅拥有着世界上最好的波浪能资源，而且在上世纪70年代开始就把波浪发电研究放在能源开发的首位，在80年代初成为世界波浪能研究中心，自2006年开始英国就致力于威尔斯气动透平的利用，原型波力发电机组，导航浮标的波力透平发电组及小型波能转换器的研究。英国曾计划在苏格兰外海波浪场，大规模布设“点头鸭”式波浪发电装置，供应当时全英所需电力。这个雄心勃勃的计划，后因装置结构过于庞大复杂成本过高而暂时搁置。挪威是对海洋波浪发电展开研究与探索较早 的国家之一，由该国发现并提出的相位控制原理以 及创造的喇叭形收缩波道式发电装置等，都对波浪 发电装置的理论研究及其设计制造做出了不可磨 灭的贡献。挪威于20世纪80年代建造的具500kw能量的振荡水柱式和350kw收缩水道式 波浪发电站具有重要的时代意义。尤其是后者，收 缩水道式波浪发电装置的特点是在位于气室的前 面补充建造了一个前港，由此可以使装置利用港口的效应产生聚波的作用，

从而使该装置具有较高的波浪能转换成电能的效率。葡萄牙的波浪发电研究及其装备制造虽然起步较晚，且主要以引进技术与设备为主，但葡萄牙 有着和英国一样天然的利用海洋波浪进行能量转 化和发电的地理优势，且葡国政府近年来也加大 了对波浪能发电研究的重视度和投入力度。葡萄牙于2008年在其西海岸建立大型的海洋能源实 验区，目的是进行有关远海海浪能源的开发与研究，装机容量高达250mw，具有世界波能发电的 先进水平。与此同时，葡萄牙于同年引进了英国 的“海蛇”波浪能发电装置机组，并于海洋能源实验区建立了世界上首个具有真正意义上商业规模的发电站。大约15年前，美国俄勒冈州就着手开发利用波浪能，但由于当时技术限制，波浪能发展计划未能顺利进行。然而据《纽约时报》报道，随着技术进步，美国首个获得商业许可的并网波浪能发电装置日前已经进入了最后的测试阶段，于2012年10月在俄勒冈州正式下水。该装置由海洋电力技术公司设计，8月获得了美国联邦政府的批准，并网之后足以为1000户家庭提供电力。利用海洋波浪能进行养殖、制氢等综合研究是利用海洋能新途径。海洋养殖是国家重要的经济活 动，利用波浪能发电实现养殖海域海况监测、能量 供给、养殖条件的改善具有重要意义。利用波浪能 制氢能间接实现波浪能的储存，可为燃料电池等发电装置提供原料我国对波浪能的研究利用起步比较晚，目前我国东南沿海地区已在试验一些波浪发电装置。我国于1968年在上海开始了专门针对海洋波 浪能源进行发电的研究与实验工作，并以此促进经济、科技与民生的发展，因此利用波浪能发电及其装置的研究与制造工作也成为我国重点的科技攻 关项目。由于国家的大力扶持，加上其极具潜力的 商业价值，目前国内从事波浪能发电领域研究和制造的就有十几家单位，并涌现出一批达到世界水平的发电装置，表$列出了相关机构发电的装置情况。 目前，隶属于中科院的广州能源研究所（ fa/）在波 浪能发电领域是国内的先进单位。广州能源研究 所在1984年研制成功的并拥有自主知识产权的航标式微型波能转换装置具有较高的发电效能，并得以在我国沿海海域进行大规模的投入使用。资料估算得到，中国沿海理论波浪年平均功率约为1.3x10^7kw。但由于不少海洋台站的观测地点处于内湾或风浪较小位置，故实际的沿海波浪功率要大于此值。其中浙江、福建、广东和台湾沿海为波能丰富的地区。

全世界波浪利用的机械设计数以千计，获得专利证书的也达数百件，因此波浪能利用被称为“发明家的乐园”。最早的波浪能利用机械发明专利是1799年法国人吉拉德父子获得的。1854－1973年的119年间，英国登记了波浪能发明专利340项，美国为61项。在法国，则可查到有关波浪能利用技术的600种说明书。早期海洋波浪能发电付诸实用的是气动式波力装置。道理很简单，就是利用波 浪上下起伏的力量，通过压缩空气，推动汲筒中的活塞往复运动而做功。1910年，法国人布索．白拉塞克在其海滨住宅附近建了一座气动式波浪发电站，供应其住宅l000瓦的电力。这个电站装置的原理是：与海水相通的密闭竖管中的空气因波浪起伏而被压缩或抽空稀薄，驱动活塞做往复运动，再转换成发电机的旋转运 动而发出电力。波浪能发电是通过波浪能发电装置首先将波浪能转换为往复机械能，然后再通过动力摄取系统转化成所需的电能。波浪能发电总体效率比较低，提高波能发电装置一级转换和中间转换的效率成为解决问题的关键。一级转换效率较高的波能装置包括博尔特鸭等，这些装置的主要特点是能够吸收波浪多个方向的动能和势能，可见，提高波能发电装置一级转换效率的重要途径是尽可能吸收波浪各个方向的能量。波能发电装置中间转换效率较高的转换 方式主要有机械转换和液压转换，中间转换机构需 匹配波能发电装置的一级转换和二级转换机构，效率提高难度较大。当前，借助电子技术、传感器技 术、先进控制技术等提高波浪能发电装置的效率已 经成为热点。波浪能发电这一技术兴起于上世纪80年代初，西方海洋大国利用新技术优势纷纷展开实验近几年来，随着相关技术的发展以及世界各国科技工作者的努力，航洋波浪能发电技术取得了长足的进步。时至今日，以研究开发出多种波浪能技术，实现波浪能的转化。将波浪能收集起来并转换成电能或其他形式能量的波能装置有设置在岸上的和漂浮在海里的两种。按能量传递形式分类有直接机械传动、低压水力传动、高压液压传动、气动传动4种。其中气动传动方式采用空气涡轮波力发电机，把波浪运动压缩空气产生的往复气流能量转换成电能，旋转件不与海水接触，能作高速旋转，因而发展较快。波力发电装置五花八门，不拘一格，有点头鸭式、波面筏式、波力发电船式、环礁式、整流器式、海蚌式、软袋式、振荡水柱式、多共振荡水柱式、波流式、摆式、结合防波堤的振荡水柱式、收缩水道式等十余种。基于前辈的研究基础和旋转式垂直轴潮流能能量转换装置的设计方法原理，项目组设计了一种卧式浪流一体化发电装置，该装置主要由机架、简化浮筒、鞍形焊件、轮机、主轴、变速箱、发电机、锚链等系统组成，浮筒用鞍形焊件与机架连接，对称 布置于机架两边，简化浮筒两端采用球形面与圆柱体相切连接，有效减小海流阻力，轮机主轴与发电机通过大传动比变速箱直接连接，实现一级大功率传动。浪流捕获装置通过作用在叶片以及叶片包络面上垂直方向的波浪力与水平方向上的潮流力的合力来推动机构旋转，从而实现海洋能量的捕获。根据一级转换系统的转换原理，可以将目前世界上的波能利用技术大致划分为： 振荡水柱技术，摆式技术， 阀式技术，收缩波道技术， 点吸收（振荡浮子）技术，鸭 式技术， 波流转子技术， 虎鲸技术， 波整流技术，波浪 旋流技术波浪能发电平台主要包括： 波浪能发电装置， 载体 平台及坐底式桁架。 波浪能发电装置安装在载体平台上，由于坐载体平台安装在坐底式桁架上，保证了发电作业的环境较为稳定。坐底式平台的高度可以根据所的海域情况进行设计。通过水流发电机驱动发电机发电。为了提高载体平台的利用率以及提高整个发电平台的发电效率，将波浪能发电装置环形阵列安装在载体平台上，这种安装效果在达 到较好的经济性的同时也提高了整个发电平台的稳定性。波浪能发电装置主要包括： 振荡 浮子， 机械传动机构， 水舱及水流发电机组成。 在非工 况条件下，作业时， 振荡浮子随着波浪上下振荡， 作简 谐振动。 通过机械传动结构压载水舱内部的水， 压载水。根据国际上的最新分类方式，波浪能技术分为振荡水柱技术，振荡浮子技术以及越浪技术三种。振荡水柱技术是指利用一个水下开口的气室吸收波能的技术，波浪驱动气室内水柱往复运动，再通过水柱驱动气室内的空气，进而由空气驱动叶轮，得到旋转机械能，或进一步驱动发电装置，得到电能。振荡浮子式技术指利用波浪的运动推动装置的活动部分产生往复运动，驱动机械系统或油、水等中间介质的液压系统，再推动发电装置发电。越浪技术是利用水道将波浪引至高位形成水位差，利用水头直接驱动水轮发电机组发电。在对上述几种波浪能发电装置类别的分析以及目前世界各国利用波浪能发展现状来看，振荡浮子式波浪能发电装置相比较而言具有一定的优势。振荡浮子式发电装置的优点或优势不仅在于其能量间的转换效率较高，而且其建造与实施难度相对较低，减少了水下工作量，有利于节省成本，具有较高的商业经济与实际应用价值。因为其效率高、成本低、可靠性好，这将是今后波浪能发电 装置的重要发展方向。英国、日本、瑞典、丹麦、美 国和中国等国家和地区均不同程度地开展了有关振荡浮子式波浪能装置的研究与开发工作。振荡浮子式波浪能发电装置研究的难点在于浮子形状的设计是否科学合理、二级转换系统是否通畅与高效等问题，需要通过科学严谨的试验得出一套完善的理论数据作为支撑。目前我国已有一批专家学者和科研团队在此领域开展研究工作，并且已经取得了具有较高科学价值的相关数据。可以预见的是，振荡浮子式 波浪能发电装置很有可能就是今后海洋波浪能发电 的重点突破口与发展方向。海水淡化及综合利用是波浪能发展的重要方 向。海水淡化、波能供给对于解决边远海岛和临海干旱国家的能量供应有重要意义。当前，人类对淡水需求日益增加，海水淡化能够大大缓解人们淡水 需求的压力。特别对于偏远岛屿而言，波能发电装 置可实现电能供给和淡水供应，可促进岛屿的开发与利用。虽然波浪能发电装置种类繁多，有些已趋于商业化，但还是存在诸多问题。比如：总发电效率问题（1）从波浪能经过中间机构一般需要二级转化，有的甚至是三级转化，能量损耗大。（2）波浪不稳定，时大时小，浪大时能量有剩余，浪小时能量供应不足。如果加上储存设备，增加了机构的复杂性(3)需要把波浪能转化的电能供应到电网上才 可以使用，受到电网覆盖范围的限制，造成发电成 本高、发电功率小、质量差等问题。（4）波浪能不稳定，转化为电能时也是不稳定的。同时还存在着材料问题，海水具有腐蚀性，而且波浪具有极强的破坏性，波浪能装置工作在波浪最大的地方，恶劣的海洋环境造成的腐蚀以及海洋生物附着可能造成装置某些环节的失效，不锈钢满足抗腐蚀性和耐久可靠性，但是不满足廉价性；工程塑料 在强度上已有了显著提高，但是其耐久性和可靠性 不能达标，材料抗腐蚀性、较好的耐久性以及可靠性及其重要，因此波浪能装置的选材也成为当下需解决的难题。装置的可靠性也存在着很大的不可靠性，如果整个装置非常复杂，那么其在海洋大波浪环境下稳定性会很低，而在海洋环境下发电装置的维护是最大的问题，所以装置的简单可靠是保证可以更长时间运行的必要条件。成本问题是普及和大规模利用波浪发电的最大障碍，据有关专家的计算，现阶段海洋波浪能 的发电成本比常规的热发电高出10倍左右。因此 只有改进波浪能发电的技术。减小发电成本，才能 使波浪能发电真正达到实用化水平，为人们所用。随着波浪

发电装置的增多，将会占用大面积的海面，这必然会对海洋生态系统造成冲击，如果在海面布置大量的发电装置，很可能对海洋生物造成危害，甚至会影响到正常商业航运，所以要适当地选取海洋发电场。今后，波浪能发电装置的设计可能会有不同的发展方向与侧重点，克服以上总结的几个不足，追求更高的效率、更高的可靠性以及降低制造与维修成本，转入大规模商业化运作将是任何波浪能发电装置发 展的主旋律。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

对于这次研究的基本内容可以分为三个部分：

（1）发电系统的机械部分，根据海洋航行器的结构以及技术要求，选择合适的材料以及设计合适的结构满足航行器在各种海况下的材料强度要求，以及确保航行器的机械部分的正常工作。

3. 研究计划与安排

1、熟悉选题内容，进行相关资料整理，准备翻译工作（第1周上半周）

2、确定所要翻译的英文文献，熟悉翻译资料，并完成整个翻译工作，由老师批复修改

后确定该项任务完成（第1周下半周-第2周）

3、在数据库中进行文献整理工作，选定所要参考的文献，完成文献综述报告，并在此基础上完成开题报告，在老师批复修改后确定该项任务完成（第3周）

4. 参考文献（12篇以上）

4、参考文献

[1] 张忠将. 2014机械设计完全实例教程. 北京: 机械工业出版社,2015,1.

[2]刘强.各国开发海洋能源发电现状[j].发电设备，2007.1（6）:11-14.