《海洋波浪能手册》延斯·彼得·科弗德 著 , [丹麦] 亚瑟·佩尔夏 译 , 刘臻 译|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《海洋波浪能手册》

【作　者】延斯·彼得·科弗德 著 , [丹麦] 亚瑟·佩尔夏 译 , 刘臻 译

【页 数】 257

【出版社】 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社 , 2021.04

【ISBN号】978-7-5661-3013-6

【价 格】90.00

【分 类】波浪能-手册

【参考文献】 延斯·彼得·科弗德 著 , [丹麦] 亚瑟·佩尔夏 译 , 刘臻 译. 海洋波浪能手册. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社, 2021.04.

图书封面：

图书目录：

《海洋波浪能手册》内容提要：

海洋波浪能储量丰富、分布广泛、能流密度高，未来将在可再生能源供给中发挥重要作用。波浪能的开发与利用属于新兴行业，发展迅速。本书从实用化角度出发，呈现了波浪能装置及阵列场开发过程中必须涉及的不同内容，具体包括：波浪能装置的技术与经济开发、波浪能资源评估、波浪能经济学、装置水动力学、能量摄取系统、系泊系统，以及装置的试验与数值模拟。 本书可供海洋可再生能源与海洋工程等学科或相关专业的高年级本科生与研究生阅读，也可供海洋能特别是波浪能领域的研究人员、技术人员及管理人员参考。

《海洋波浪能手册》内容试读

第1章绪论

亚瑟·佩尔夏(Arthur Pecher)与延斯·彼得·科弗德(Jens Peter Kofoed)

1.1引

言

广泛使用由海洋波浪能转换得来的廉价电力将是一项令人难以置信的成就。波浪能转换装置本身既令人兴趣盎然，其社会效益也尤其显著：

◆作为一种可持续的、取之不尽的能量来源，波浪能未来将在可再生能源的构成中做出重要贡献。整体看，波浪能丰富了可再生能源的构成并增加了其总量，有益于提升其可利用性并降低人类对化石能源的依赖。

◆采用波浪能供电将使海洋国家在能源问题上更加自立，从而减少对进口石油的依赖。

◆波浪能将创造一个新的领域门类，包括创新与就业。

◆波浪能电力可在离岸海域生产，无须占用土地，视觉冲击也较小。

随着世界能源需求日益增长而化石能源储量逐年减少，波浪能将变得更为重要。对波浪能的需求，将在其电力价格具备竞争力之时真正开始，并日渐增长。

1.2成功的产品创新

整体而言，成功的产品创新通常具有三个要素：技术上的可行性，经济上的实用性，终端用户的可用性与需求性。换言之，一项新的功能性技术应拥有具有积极意义的商业案例与社会实用价值。由于开发者的出发点不同，上述关键要素无须在同一时期并行发展。无论如何，在一项创新技术成功进入市场之前，各要素仍需以某种和谐的方式出现（图1-1，受文献[1-3]启发）。

海洋波浪能手册

技术

商业

何行性倒

实用性

设计创新

人文(何用性、需求性

图1-1成功产品设计创新的三要素

世界各国对可再生能源均有巨大需求，并希望其构成不断丰富。全球对风能、太阳能等可再生能源的投资总额仍在不断迅速增长。部分国家已经意识到了波浪能的巨大潜力与效益，对波浪能与其他能种一起进行投资开发。推动技术开发的资本主要来自其开发过程中的政府补贴与资本投资，而公开市场的拉动力则来自激励机制，例如税收支持（上网电价补贴）4-]

过去25年间，世界各国开发了大量的利用波浪能的技术。仅欧洲海洋能源

中心(EMEC)统计在册的开发者即有256个，由此可见一斑6。多数技术均可归

类至若干不同类别，这也从侧面说明了开发者们付出的巨大努力（详见第2章）。

最后一个影响产品创新成功的因素是波浪能技术在有/无激励机制的市场框架下的商业潜力或经济可行性。商业案例应基于成本（投资费用与运营成本）及发电量核算（详见第4、第5章）。在展示一个具有积极意义的商业案例之前，应大量收集用于上述计算的相关证据及波浪能开发的经验。虽然某些投资者可

能由于波浪能装置(WEC,简称装置)的巨大商业潜力而被说服，但为了进入更广

阔的市场，仍然需要离岸全尺度装置良好的全程跟踪记录。这对于装置来说相当困难，因为与风能相比，其投放成本尤其高昂且耗时又长。这是由于海上施工环境严酷，需要采用稀缺的特种船舶与设备，应在技术优化与开发过程之间谨慎平衡。因此，建议在开发过程中持续评估技术或装置的商业潜力。若不开展这项工作，开发也就没有推进的必要了。

·2·

第1章绪

论

1.3波浪能装置与工作环境

波浪能装置是由海洋波浪环境中摄取能量并将其转化为可用能量（如电能）的设备。

海洋波浪在理论上已有较完备的解释，大量文献也进行了详细描述。然而，在实践中，即使对某一特定的离岸位置，也难以完全准确描述、复制并预测其波浪环境条件。这是由波浪本身高度的复杂性及大量对其具有显著影响的环境参量（详见第3章）造成的。

图1-2简略描述了各种气象学与物理海洋学的参量对海洋环境的影响及

一台漂浮式装置的主要子系统)。

风

大气压

湿度

波浪

温度

运动

密度

盐度

到岸距离

海底地形

海底构成

图1-2影响装置的气象学与物理海洋学的参量及装置的主要子系统

从一般的角度看，即使可按照不同工作原理进行分类（详见第2章），多数装置仍是类似的。由于工作环境与目标相同，它们大多也具有相同的子系统（图1-3)

装置中的主要子系统在文献[7-9]中已有全面介绍，主要包括：

◆水动力子系统：与波浪直接接触的波能吸收系统（详见第6章）。根据技术原理不同可分为若干类别，例如，振荡体式、振荡水柱式及越浪式。该子系统与能量摄取及反作用子系统相连接，并主动传递作用力与运动。

·3·

海洋波浪能手册

波浪集中机构

水动力子系统

冷却器

压缩机

发电机

能量摄取(PTO)子系统

蓄能器

控制子系统

反馈

能量转换

校准

支撑结构

系治机构

反作用子系统

基础

波浪能装置

工作界面

PTO

子系统

工作界面

电网

电力传输

环境

载荷

国5半

工作界面工作界面

海床

仪器仪表与控制

环境载荷

电方

令信号

作用方，力矩与运动

图1-3装置设计分解

注：图片由海洋能装置计划(Equimar,上图)8)和挪威船级社(DNV,下图)9)提供。

◆能量摄取(PTO)子系统：将水动力子系统捕获的波能转换为电能（详见

第8章)。该子系统根据工作原理可分为若干类别，其中最常见的包括液压

PTO、直驱机械PTO、直线电机、空气涡轮及低水头水轮机。

◆反作用子系统：利用系泊系统维持装置相对于海底所处的位置，并为

PTO系统提供参考点，为水动力系统提供支撑，如固定参考系或支撑结构（详见

·4…

第1章绪论

第7章)。

◆控制及仪器仪表子系统：系统中的智能部分，用于控制装置并进行参数测量。该子系统主要包含用于机电自动化过程中的处理器，数据获取、通信及传递的传感器与人机界面。

上述不同的子系统及它们之间的相互连接可以不同方式呈现，其中水动力子系统和反作用子系统如图1-3所示。

1.4波浪能的经验法则

本节的经验法则包含了一系列经提炼的关键指标，对于评价装置技术或项

目极具价值，主要包括装置的基本特征、经济性、设计、PT0及工作环境，更详细

的内容可参考随后的章节。

1.4.1装置的基本特征

本节描述的装置特征是保证其具备长期运行商业潜力的关键要素[。◆生存性：装置需要可靠的系泊系统，若存在能够有效降低极限载荷的被动安全系统则更好。采用被动方式，安全机构无须使用额外电力或其他外部设备即可自动激活。

◆可靠性与可维护性：装置应便于接近和检查绝大多数关键部件。此外，若多数维护工作可在装置上完成而无须拖曳回港，将大有裨益。

◆整体发电性能：装置应采用高效的波能捕获与PTO技术。生产的电力

足够平滑且具有较高的容量因子。否则，能量将在波浪向电力传递的转换链中损失过多。

◆可扩展性：全尺度装置的装机容量应达到数兆瓦级以保证其经济可行性。为了持续降低平准化发电成本（度电成本），装置应具有可扩展性，这也意味着可在未来扩展其尺度（类似海上风机）。许多装置仅在小尺度达到最优尺寸，

导致其无法达到数兆瓦级(>5MW)。扩展并不包括增加装置台套数，因为这样

做无法对基建与技术的平均成本产生显著影响，因而也无法降低装置或相关项目的度电成本。

◆环境效益：装置应成为可持续的能源系统并具有显著的环境效益，尽量减少对环境产生的影响。

·5

海洋波浪能手册

1.4.2经济性的经验法则

(1)对于水深30m的1000MW离岸海上风电场，与成本有关的指标（详见第5章与文献[11-12])包括：

◆单位兆瓦投资费用约为400万欧元。◆运营成本约为30欧元/(MW·h)。

◆平准化发电成本约为120欧元/(MW·h)。

◆作为基础性的投资费用，一台3.6MW海上风机一般的开发、基建与运

行成本约为720万欧元。这其中包括开发与批准费用、安装与运行费用及一部分电站辅助设施的费用，但不包括塔架、基础与技术本身的费用。该部分成本约占投资费用的45%13)

◆一台3.6MW波浪能装置相应的基础投资费用可能稍少一些，约为600

万欧元，特别是安装费用将大幅减少。对于小型装置，一台750kW装置的预期成本约为200万欧元。

(2)对于波浪能装置的年发电量(annual energy production,AEP),一种快速

且较为准确的（±50%）估算方法是，将平均波功率等级(P)、吸收器宽度

(widh)、全过程效率(n2w,基于所有波浪条件的加权平均值)、可利用率(availability）与年发电小时数(hours)相乘而得，即

AEP=Pvx widthx availability x hours

以一台功能已优化的点吸收装置为例，假设运行环境良好，其年发电量（此处使用的指标值为结合上下文中其他经验规则给出的数值)可按下式计算

AEP=40kW/m×15m×20%×95%×8766h=999MW·h/a

根据上式可得，装置的平均功率为114kW,考虑其装机容量为750kW,装置的容量因子为15%。

假设补贴上网电价为150欧元/(MW·h),则其经济收益为15万欧元/a。若假设一台装置尺寸扩大10倍，按照相同计算原则，其发电量及收益也可

以增加10倍，而容量因子将明显提高，约为30%（约为3.6MW)。接入同一系

统的吸收体数量越多，装置容量因子也越大。这是由于多单元设置将显著平滑整体的吸收功率，因为在同一波浪通过不同吸收体时不同单元之间存在时间差。

因此，多单元共用PTO系统的峰均功率比也将明显减小。

(3)针对两种尺寸的装置，分别考虑其基础投资费用（不包括技术本身与运营成本)与收益，将发现小装置需要约13年收回其基础投资费用，而大装置只需

要大约4年。这也清晰地说明，装置需要足够大（到兆瓦级，即≥1MW),才能具

有经济可行性。多组小装置也能匹敌一组大装置的假设，并未考虑经济上的合

·6

···试读结束···