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波浪能发电,从原理到未来,海洋能源的潜力与挑战

 

 

波浪能作为一种可再生能源,具有巨大的潜力来应对全球气候变化和能源需求。波浪能技术的研究涵盖了多个知识领域,包括波浪特征、浮标形状优化、动力输出系统设计、实验优化、波浪能转换器(WEC)阵列和控制策略。这些领域的研究为波浪能技术的发展奠定了坚实的基础。

近年来,波浪能技术取得了显著进展,特别是在点吸收波浪能转换器(PA-WEC)方面。研究表明,振荡水柱技术在该领域处于领先地位,拥有788篇出版物和1027项专利。PA-WEC在浮标优化和控制策略方面显示出巨大的创新潜力,特别是通过集成人工智能(AI)和机器学习技术来提高系统的控制和监控能力。

尽管波浪能技术取得了显著进展,但仍面临诸多挑战。例如,准确的波浪气候数据、优化的浮子几何形状以及极端天气条件下的稳健控制策略都是亟待解决的问题。此外,如何有效地集成AI、遥感和机器学习技术以提高PA-WEC的效率也是一个重要的研究方向。

未来,波浪能技术的发展将依赖于多学科的协同创新。通过集成AI和机器学习技术,可以显著提高波浪能转换器的效率和可靠性。此外,随着全球对可再生能源需求的增加,波浪能技术将在实现联合国可持续发展目标(SDG-7、SDG-13和SDG-14)方面发挥重要作用。

 

参考文献:A Azam,A Ahmed,M Yi,Z Zhang,Z Zhang,T Aslam,SA Mugheri,M Abdelrahman,A Ali,L Qi,Wave energy evolution: Knowledge structure, advancements, challenges and future opportunitiesRenewable and Sustainable Energy Reviews ( IF 16.3 ) Pub Date : 2024-08-27 , DOI: 10.1016/j.rser.2024.114880

 

 

一、波浪能量的本质是什么?主要知识领域有哪些?面临哪些挑战?

波浪能是指海洋表面波浪运动所蕴含的能量。当风吹过海面时,会形成波浪,这些波浪中蕴含着巨大的动能和势能。这种能量可以被捕捉并转化为电能,为人类提供清洁、可再生的能源。

波浪能发电的核心在于波浪能转换装置。波浪能的转换通常分为三个步骤:捕获波浪、将波浪能转化为机械能、机械能转化为电能。

  • 捕获波浪:波浪能捕捉装置通常被放置在海洋中,设计用于最大化捕捉波浪的动能。捕捉装置的类型和设计因地理条件和技术路线的不同而有所不同。例如,有些装置采用浮筒来跟随波浪的上下运动,有些装置则利用波浪的水平推进力。
  • 能量转换:波浪的机械能通常通过液压系统、空气压缩系统或直接驱动发电机的机械系统进行转化。这一步骤将波浪的能量集中并转化为机械能。
  • 电能生产:机械能最终通过发电机转化为电能。这些电能可以直接用于当地供电,也可以通过电缆输送到岸上并接入电网。

波浪能技术是一门涉及多个学科的交叉学科,其研究内容广泛而深入。

1. 波浪特征:研究波高、波长、周期、传播速度等波浪参数的统计特性,以及它们与风速、水深等环境因素的关系。分析波浪的频谱特性,了解不同频率波浪对波浪能装置的影响。建立波浪数学模型,模拟波浪的产生、传播和衰减过程。

2. 浮标形状优化:研究浮标在波浪作用下的运动规律,包括升沉、摇摆和俯仰等。利用计算流体力学(CFD)软件对不同形状的浮标进行数值模拟,分析其水动力性能。采用优化算法,如遗传算法、粒子群算法等,对浮标形状进行优化设计,以提高其能量捕获效率。

3. 动力输出系统设计: 研究将波浪的机械能转化为电能的各种机制,如液压系统、气动系统、机械传动系统等。设计高效的发电系统,包括发电机、变频器、储能装置等。应用功率电子技术对发电系统进行控制,实现高效的能量转换。

4. 实验优化:建立波浪水槽,进行小尺度波浪能装置模型试验,验证数值模拟结果,并优化装置设计。在实际海洋环境中进行波浪能装置的原型试验,评估其性能和可靠性。利用传感器采集波浪、装置运动和发电数据,进行数据分析,优化装置参数。

5. 波浪能转换器(WEC)阵列:研究不同WEC在阵列中的布局方式,以提高整体发电效率和降低成本。分析阵列中WEC之间的相互作用,包括波浪的散射、绕射和反射。设计合理的控制策略,协调各个WEC的运行,提高阵列的整体性能。

6. 控制策略:设计MPPT控制算法,使WEC能够在各种海况下实现最大功率输出。针对波浪的随机性和不确定性,设计自适应控制算法,使WEC能够实时调整工作状态。研究WEC的故障诊断方法,并设计容错控制策略,提高系统的可靠性。

此外,波浪能技术的研究还涉及海洋环境影响评估、经济性分析等。

未来,开发新型高效的WEC,以适应不同的海况和应用场景; 将波浪能装置与海洋牧场相结合,实现多功能利用;波浪能与风能、太阳能等其他可再生能源的互补利用,构建多元化的能源系统等方向将是研究重点。

以下是一些波浪能实际案例:

瑞典公司NoviOcean通过其创新的波浪、风能和太阳能混合技术,正在寻求资金支持以扩大其解决方案的规模。这种混合技术不仅有助于提高能源生产的效率,还能减少对单一能源形式的依赖,从而增强能源系统的稳定性和可持续性。

2024年7月19日,Ocean Energy Group Ireland项目世界首个电网规模波浪能装置在夏威夷的试验场部署,该波浪能装置波浪能装置尺寸为 125 x 59 英尺,吃水深度超过 30 英尺,拥有重达826吨的波浪能转换浮标OE-35,潜在额定发电量高达 1.25 兆瓦,该项目耗资 1200 万美元。

浙江舟山的“舟山海上波浪能发电示范项目”被认为是国内具有代表性的项目之一,“舟山号”由中科院广州能源所研发设计,是我国目前单台装机功率最大的波浪能发电装置。该项目利用波浪能转化为电能,供给当地的电网使用。

由美国公司Ocean Power Technologies(OPT)开发的PowerBuoy浮标,已完成向中东客户运送具有 AI 功能的 Merrows PowerBouy (PB) 准备工作,代表了这一领域的前沿创新。

最近,欧盟批准了一项名为WEDUSEA的1960万欧元波浪能项目,该项目旨在推进大规模波浪能的商业化。WEDUSEA项目由爱尔兰公司OceanEnergy协调,联合了来自英国、爱尔兰、法国、德国和西班牙的14个合作伙伴。该项目获得了欧盟Horizon Europe计划和Innovate UK的共同资助。

Ondas de Peniche (ONDEP) 项目获得了欧盟Horizon Europe资助的1900万欧元,用于在葡萄牙海域部署一个2兆瓦的波浪能阵列。该项目将使用四个WaveRoller波浪能转换器,旨在推动波浪能技术的商业化和大规模应用。

波浪能技术虽然具有巨大的潜力,但目前仍面临着诸多挑战。

从技术上来看,将波浪的机械能高效转化为电能仍然是技术难点。海洋环境复杂多变,波浪的随机性很大,这给能量转换装置的设计提出了更高的要求;海洋环境具有强腐蚀性,要求波浪能装置的材料具有良好的耐腐蚀性能,以保证装置的长期稳定运行;海洋环境恶劣,波浪能装置需要承受海浪的冲击、海生物的附着等,因此对设备的可靠性要求很高;波浪能装置的控制系统需要实时监测海况和装置运行状态,并进行相应的调整,这增加了系统的复杂性。

波浪能技术的发展虽然面临诸多挑战,但其巨大的潜力和对可持续发展的积极意义,使其成为全球能源研究的热点。

二、什么是点吸收波浪能转换器?存在哪些挑战?

点吸收波浪能转换器(Point Absorber Wave Energy Converter,PA-WEC) 是一种常见的波浪能转换装置。它通常由一个相对较小的浮体组成,在波浪作用下上下浮动,并通过机械装置将这种运动转化为电能。由于其结构相对简单,且能够有效地捕捉波浪能量,因此受到了广泛的研究和关注。

PA-WEC的工作原理相对简单。当波浪经过时,浮体会上下浮动,带动连接在浮体上的机械装置。这种机械运动可以通过液压系统、气动系统或直接驱动发电机来产生电能。

较于其他类型的波浪能转换装置,PA-WEC的结构相对简单,易于设计和制造。PA-WEC对波浪方向的适应性较强,能够在各种海况下工作。PA-WEC可以采用模块化设计,方便运输和安装。

近年来,PA-WEC在技术上取得了显着进展,主要体现在以下几个方面:

  • 新型浮体设计: 研究人员不断探索新型浮体形状和材料,以提高能量捕获效率和减小结构应力。例如,采用复合材料制成的浮体,具有高强度、轻质和耐腐蚀等优点。
  • 高效能量转换系统: 通过优化液压系统、气动系统和发电机的设计,提高能量转换效率。例如,采用永磁同步电机作为发电机,可以实现高效的能量转换。
  • 智能控制系统: 采用智能控制算法,实时监测海况和装置运行状态,实现对装置的实时控制,提高发电效率和设备寿命。
  • 阵列布局优化: 研究多个PA-WEC组成的阵列的最佳布局方式,以提高整体发电效率和降低成本。
  • 与其他能源的耦合: 将PA-WEC与其他可再生能源,如太阳能、风能等,进行耦合,构建多能源互补系统,提高系统的稳定性和可靠性。

尽管PA-WEC具有巨大的发展潜力,但仍面临一些挑战。目前PA-WEC的制造成本较高,限制了其大规模商业化应用;海洋环境恶劣,PA-WEC的长期可靠性需要进一步提高; 虽然PA-WEC的能量转换效率有所提高,但仍有提升空间。

PA-WEC作为一种重要的波浪能转换装置,在技术上取得了显着进展。随着技术的不断成熟和成本的降低,PA-WEC将在未来能源体系中发挥越来越重要的作用。

三、波浪能技术在实现联合国可持续发展目标方面有哪些潜力?

波浪能技术在实现联合国可持续发展目标(SDGs)方面具有巨大的潜力。

1、SDG 7经济适用的清洁能源:波浪能是一种清洁、可再生的能源,可以减少对化石燃料的依赖,降低温室气体排放。波浪能技术可以为沿海和岛屿地区提供稳定的电力供应,帮助这些地区实现能源自给自足。

2、SDG 9 产业、创新和基础设施:波浪能技术的发展需要多学科的协同创新,推动了新材料、新控制策略和新型能源转换器的研发。波浪能项目的实施需要建设相关基础设施,促进了沿海地区的经济发展和就业机会。

3、SDG 11:可持续城市和社区:波浪能技术可以为沿海城市提供稳定的能源供应,增强城市在面对自然灾害时的韧性。通过提供清洁能源,波浪能技术有助于城市实现绿色发展目标。

4、SDG 13气候行动:通过替代化石燃料,波浪能技术有助于减少二氧化碳排放,从而减缓气候变化的影响。波浪能技术的发展可以促进沿海地区的经济发展,提高这些地区应对气候变化的能力。

波浪能技术不仅在能源领域具有重要意义,还在环境保护、经济发展和社会进步方面发挥着重要作用。

 

四、展望未来,波浪能产业将呈现怎样的发展态势?

未来,波浪能产业有望迎来蓬勃发展。随着全球对清洁能源的需求日益增长,以及技术的不断进步,波浪能作为一种清洁、可再生的能源,其发展前景广阔。

1、技术创新加速:

  • 新型波浪能转换装置: 将涌现出更多高效、可靠、适应性强的波浪能转换装置,如柔性浮体、海底膜式装置等。
  • 智能控制系统: 借助人工智能、大数据等技术,实现对波浪能装置的智能化控制,提高发电效率和可靠性。
  • 材料科学的突破: 新型材料的应用将提高波浪能装置的耐腐蚀性、耐久性和能量转换效率。

2、成本的持续下降:

  • 规模化生产: 随着波浪能产业的扩大,规模化生产将降低装置的制造成本。
  • 技术进步: 新技术的应用将提高生产效率,降低成本。
  • 政策支持: 各国政府对波浪能产业的政策支持将推动成本的下降。

3、示范项目的增多:

  • 大规模示范: 将建设更多的大规模波浪能发电示范项目,验证技术的可行性和经济性。
  • 多功能示范: 波浪能装置将与其他海洋工程,如海水淡化、养殖等,结合起来,实现多功能利用。

4、产业链的完善:

  • 上下游产业的协同发展: 波浪能产业链的上下游企业将加强合作,形成完整的产业生态。
  • 标准化体系的建立: 将建立完善的波浪能设备标准和认证体系,促进产业健康发展。

5、与其他能源的互补:

  • 微电网: 波浪能将与风能、太阳能等其他可再生能源共同组成微电网,提高能源系统的稳定性和可靠性。
  • 储能技术的结合: 波浪能与储能技术的结合,可以解决波浪能间歇性的问题,提高能源的利用率。

随着全球对清洁能源的需求日益迫切,波浪能作为一种清洁能源,受到越来越多的关注。新材料、新工艺、新技术的不断涌现,为波浪能的发展提供了技术支撑。沿海地区对清洁能源的需求不断增长,为波浪能提供了广阔的市场。随着技术的不断进步、成本的不断降低以及政策的支持,波浪能将在全球能源结构中占据越来越重要的地位。

需要注意的是,波浪能产业的发展是一个长期过程,需要全社会的共同努力。

 

五、思考

如何开发更轻质、更耐腐蚀、更能适应复杂海洋环境的新型材料,以提高波浪能装置的性能和寿命?如何设计更优化的浮体结构,以最大化捕捉波浪能量并减少结构应力?

是否有更先进的能量转换机制,能更高效地将波浪的机械能转化为电能?例如,利用压电材料、磁流体等新型技术。

如何更好地考虑波浪、结构、流体之间的耦合作用,建立更精确的数值模拟模型?如何将波浪能装置与其他海洋工程(如海水淡化、养殖)进行耦合,实现多功能利用?

 

这些有趣的问题旨在激发你的思考,助你更深入地理解,希望能为你带来新的启示和帮助~~~

 

 

 

 

 


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