波浪能利用发展历史与关键技术

波浪能作为一种新型清洁能源,近年来得到各国的重视。文章从波浪能利用的发展历史、波浪能资源的评估手段、波浪能转换装置的种类及代表性装置等几个角度,对国内外研究现状进行了阐述;总结了波浪能发电技术中关于流体动力特性非线性计算、装置稳能技术、阵列发电场设计、与其它新能源结合应用等研究方向及技术难点;最后对波浪能利用技术的未来进行展望。     

基于ERA5的黄渤海附近海域波浪能资源时空特征分析

波浪能资源是一种重要的海洋可再生能源,开发利用波浪能资源可以有效的缓解常规能源短缺问题带来的能源问题以及环境污染问题。对波浪能资源进行科学评估是进行海洋能资源利用的前提条件,本文利用欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasting,ECMWF）第五代再分析数据集（ECMWF Reanalysis v5 ERA5）,采用新的波浪能评估公式,对黄渤海海域1980—2018年间波浪能资源展开评估,主要计算指标包括波浪能可开发量频率、富集量频率、变异系数以及可利用波高占比等,结果显示：黄渤海区波浪能资源具有明显的季节性,秋冬季节较高,春夏季节较低,冬季是波浪能资源开发的最佳季节;波浪能富集区域主要集中在渤海海峡外侧、成山头东部以及长江口外海区域。在此基础上确定了波浪能资源的重点开发利用区,为后续的波浪能开发提供参考。     

山东省周边海域波浪能资源评估

采用第三代海浪模式SWAN对2001-2010年期间山东省周边海域的波浪状况进行了数值模拟。波浪能数值模拟值与台站观测值的比对结果表明模拟值可靠、实用。分析发现山东省周边海域平均波能流密度以2 000W/m以下为主,低于中国南部海域及欧美沿岸波能流密度。选取12个典型代表点,从波能流密度大小、变化特征、稳定性等角度分析了不同代表点的波浪能情况,发现山东周边波能流密度受气候变化影响近10年来呈上升趋势。综合不同区域波浪能大小及需求情况,建议选取山东半岛东部海域、蓬莱外围岛屿近渤海中部海域和渤海中部海域作为波浪能开发利用的首选区域。其中成山头东部海域波能流密度在冬季高达5 000 W/m,在该季节大部分区域可归为一类资源丰富区。基于此,建议开发利用中小规模的波浪能供电设备或供电设施。     

中国大陆沿岸波浪能分布初步研究

波浪能作为可持续利用的清洁能源,日益被人们所关注,本文基于WAVEWATCHⅢ全球波浪模式,建立了较高精度的中国沿岸海域波浪数学模型,重点对中国大陆沿岸-30m等深线上的波浪能分布进行了研究,在已有研究成果的基础上进一步细化了中国沿岸海域波浪能的时空分布规律,为合理开发、利用波浪能提供了一定的数据支持。研究认为,中国沿岸波浪能储量相对较小,南北分布以长江口为界,以南海域波能整体较大,波能季节性差异明显,在开发利用时,需要对工程区域的波浪能特征充分论证,科学合理地选用波浪能转化设备,防止造成巨大经济损失。     

近22年南海波浪能资源模拟研究

利用目前国际先进的第三代海浪模式WAVEWATCH-Ⅲ(WW3),以CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场为驱动场,对近22年南海的波浪能资源进行模拟研究。综合能流密度大小、能级频率、有效波高(significantwave height,SWH)和能流密度的长期变化趋势以及能流密度的稳定性等各方面,发现我国南海尤其是南海北部海域蕴藏着较为丰富、适宜开发的波浪能资源;并探索性地构建了一套资源评估系统,对南海的波浪能资源进行综合分析,寻找资源的相对优势区域,为海浪发电、海水淡化等波浪能资源开发工作提供科学依据。结果表明:1)南海大部分海域的能流密度在2—16kW m 1,大值区分布于吕宋海峡—中南半岛东南海域一线。2)近22年期间,南海大部分海域的SWH以0.005—0.025m a 1的速度显著性逐年线性递增,大部分海域的波浪能流密度以0.05—0.55kW m 1 a 1的速度显著性逐年线性递增。3)南海大部分海域2W m 1以上能流密度出现频率在60%以上。4)南海大部分海域波浪能流密度各月的变异系数Cv基本都在0.9以内,稳定性较好,大部分海域的月变化指数Mv指数在6以内,季节变化指数Sv指数在4以内。5)南海北部为波浪能资源的相对优势区域。     

利用波浪谱理论计算我国近岸波浪能方法研究

简述了当前被较多应用于我国近岸波浪能计算的简化公式会带来较大计算误差的事实,指出了这是因不合理假设和化简造成的结果。在此基础上,提出了利用波浪谱计算我国近岸波浪能的计算思路,同时利用波浪谱参量与实测数据比对,间接证明了该思路的合理性。     

我国近海波浪能资源调查与评估

简述了波浪能资源调查与评估研究的历史情况和研究现状,着重介绍了"908"海洋能专项任务中有关波浪能资源的调查与评估工作的方式方法。基于专项任务中所获得的50个站点的1 a连续实测数据,结合SWAN模式给出了我国近海波浪能平均功率密度的分布情况,统计出离岸20 km一线波浪能理论蕴藏量,并选划出了具有代表性的波浪能开发利用站点,同时对波浪能资源评估日后的研究方向和研究内容进行了讨论并提出了建议。     

中国海波浪能资源分析

以10年QSCAT/NCEP混合风场数据为输入,采用WAVEWATCH-Ⅲ波浪模式,对中国海1999-2009年的海浪场进行了数值模拟,通过计算得到该海域的波浪能功率密度,对波浪能资源进行综合分析,得出中国海波浪能资源的地理分布特征以及各海区的季节变化情况.     

中国海域波浪能资源分布及波浪能发电装置适用性研究

首先全面综述了国内外波浪能资源开发利用现状,系统总结了目前国内外海洋波浪能资源发电技术中应用的主要波浪能资源开发装置及存在问题;基于ERA-Interim再分析数据,给出了中国海域的平均波浪能流密度和季节特征,从而获取高波能资源分布区域,得到了中国海域波浪能资源分布富集区域;结合不同海岸岸线及海底类型,综合给出了中国波能资源富集区域中发电装置适用建议、高峰发电季节。对提高我国波浪能资源开发利用、推动海洋可再生能源行业的发展具有重要意义,也为实用化、商业化海洋波浪能资源选址提供了科学依据。     

一种计算有限水深波能功率的新方法

海洋波浪能平均功率的准确计算是波浪能开发和利用的基础。实践中,波浪能转换装置一般安装在有限水深区域。对于随机波,只有当详尽的波浪谱已知的时候,有限水深区的波能功率才能被准确计算出来。由于种种原因,实践中波浪的实测数据大多以散点图或有义波高和统计波周期的形式给出,而波浪谱信息有时则很难获得。基于这种情况,传统上人们利用无限水深条件下的相关公式来估算有限水深区域的波能功率,但这种做法会造成较大的误差。本研究显示,对于50 m水深的理论波谱JONSWAP谱来说该误差高达14.6%。为了提高波能功率计算的准确性,本文提出了一种基于能量频率的一阶和二阶近似算法,可以在未知波浪谱的情况下较为准确地计算不同水深时的波能功率。针对两种理论波浪谱的计算结果表明,本方法在计算有限带宽内的波能功率时计算误差低于2.8%。     

有限水深下独立波群的能量变化试验研究

为了研究独立高斯型波群在中等水深条件下的非线性演化情况,进行了多种波况的物理试验,重点分析了波浪各要素对波群非线性演化的影响。试验结果表明,波陡在波群演化中占主导作用,其次是波群的谱宽,前者引起的非线性主要体现在高阶谐波的能量变化而后者引起的非线性主要体现在自由波能量的变化。频带下移现象只在大波陡情况下才会发生,随着波陡的增加,频带下移发生的相对更早,随着波群的谱变窄,频带下移相对越明显。波陡的增加会使得波群更早的开始分裂。大波陡的波群在演化中会发生破碎,破碎的类型以崩破为主,并且崩破是间歇发生的,连续崩破发生的距离约为1.0～1.5倍波长。此外,破碎引起的能量损耗主要来源于主频和高频成分波,耗散率约10%～18%,平均每个崩破能耗约为初始能量的2%。     

海洋浅层土质剪切波速与深度的关系分析

剪切波速是工程场地地震安全性评价最重要的参数之一。应用测试的大量海洋浅层土质的剪切波速数据,利用最小二乘法通过三种模型探讨了不同土质类型的剪切波速与深度的关系,给出了不同土质类型的剪切波速与深度拟合最佳的统计公式。并与《构筑物抗震设计规范》的推荐公式在某一海域工程场地的测试结果进行对比分析,结果表明:本文所建立的统计公式对剪切波速的预测效果明显好于规范所推荐的统计公式。所推荐的海洋不同土质类型的剪切波速与深度间的统计公式,可供无波速测试的海洋工程场地使用。     

Study on wave energy resource assessing method based on altimeter data——A case study in Northwest Pacific

波浪能是一种重要的海洋可再生能源,在开发波浪能之前需要对波浪能的时空分布状况进行可靠的评估。高度计可以提供比海浪模式更为准确的海浪现场观测结果,可以作为波浪能资源评估的一种新的手段。高度计数据的优势在于对海浪有效波高的观测具有较高的精度。为了发挥高度计数据的特点和优势,实现高度计数据在波浪能资源评估研究中的应用,本文建立了一种适合于高度计数据的局部海域波浪能资源的评估方法,主要包括数据的选择和处理;评价指标体系的建立;区域等级划分标准的建立。然后,以西北太平洋为例论述了该方法的具体应用。研究表明:本文建立的评估方法可以有效的评估研究海域波浪能资源的储量和时空分布状况,可为波能电站的建站选址和波能转换装置的设计和运行提供科学的参考依据。     

集成于海上风电钢管桩基础上的升降式网箱结构波浪场特性研究

对安装在海上风电钢管桩基础上的升降式网箱结构的波浪场特性进行研究,掌握升降式网箱结构内部及结构后方水体的运动特征及速度场变化情况。基于OpenFOAM软件包开发了波、流与孔隙介质结构相互作用的数值计算模型,将网箱结构按等效阻力简化为多孔介质结构,开展升降式网箱结构的波浪场特性研究。研究结果表明：网箱结构对流体具有一定的阻流作用,网箱结构内部速度场得到一定程度的减小,网箱结构背浪侧也有一定的速度衰减区域;对比网箱结构顶部不同潜深条件下的网箱结构内部流场特征,网箱结构顶部潜深在1/4D~1/2D（D为水深）范围内网箱结构内部流场速度最小、流场最为稳定、速度分布均匀,网箱结构向浪侧前方和背浪侧后方流场波动较小。所得结论表明在钢管桩基础上安装升降式网箱结构时需要关注的网箱结构对流场特性的影响,充分考虑网箱结构阻力对流速的作用,掌握极端工况下升降式网箱结构保持优良养殖环境需要下潜的高度范围,以保障升降式网箱的安全。     

常数和变化积雪密度方案诊断计算积雪厚度的敏感性研究

海冰上积雪的分布是影响海冰与大气能量交换以及气候变化的重要因素。当前的CMIP6气候模式（如CESM2和NESM3）采用定常的积雪密度,而专注于模拟雪厚度和密度变化的模式（如SnowModel-LG）则采用经验的变化雪密度公式。对比CryoSat-2卫星观测的积雪厚度发现,从积雪厚度的空间分布与平均值难以判断出变化雪密度对北冰洋积雪厚度模拟产生何种影响,对于变化雪密度模拟积雪厚度的改进及机制有待进一步研究。本文采用随气温、风速等因子变化的雪密度经验公式模型,并利用SNOTEL单站的长时间序列观测资料,对不同影响因子设计如下敏感性实验：A. 考虑所有气象因子的变化雪密度模型;B. 常数雪密度模型;C. 在A中不考虑风对密实化的影响;D. 在A中不考虑气温对密实化的影响。实验A、B、C和D诊断计算的2018年11月1日至2019年5月10日积雪厚度的均方根误差分别为4.2 cm、4.8 cm、25.9 cm和4.2 cm。结果表明,变化雪密度方案A模拟的积雪密度、厚度在平均值上与常数雪密度的结果接近,但其模拟的积雪厚度均方根误差最小,并且能够模拟出积雪厚度在几天到十几天时间尺度上的高频变化,同时减小了这种高频变化对应时段雪厚模拟结果的相对误差,二者具有一定的相关性。此外,还发现气温变化对积雪密实化的影响远小于风。     

Time-domain analysis of second-harmonic generation of primary Lamb wave propagation in an elastic plate

Within the second-order perturbation approximation, this paper investigates the physical process of generation of the time-domain second harmonic by a primary Lamb wave waveform in an elastic plate. The present work is performed based on the preconditions that the phase velocity matching is satisfied and that the transfer of energy from the primary Lamb wave to the double frequency Lamb wave is not zero. It investigates the influences of the difference between the group velocities of the primary Lamb wave and the double frequency Lamb wave, the propagation distance and the duration of the primary Lamb wave waveform on the envelope shape of the time-domain second harmonic. It finds that the maximum magnitude of the envelope of the second-harmonic waveform can grow within some propagation distance even if the condition of group velocity matching is not satisfied. Our analyses also indicate that the maximum magnitude of the envelope of the second-harmonic waveform is kept constant beyond a specific propagation distance. Furthermore, it concludes that the integration amplitude of the time-domain second-harmonic waveform always grows with propagation distance within the second-order perturbation. The present research yields new physical insight not previously available into the effect of generation of the time-domain second harmonic by propagation of a primary Lamb wave waveform.     

基于多星融合高度计数据的中国海波浪能资源评估

Wave energy resources are abundant in both offshore and nearshore areas of the China's seas. A reliable assessment of the wave energy resources must be performed before they can be exploited. First, for a water depth in offshore waters of China, a parameterized wave power density model that considers the effects of the water depth is introduced to improve the calculating accuracy of the wave power density. Second, wave heights and wind speeds on the surface of the China's seas are retrieved from an AVISO multi-satellite altimeter data set for the period from 2009 to 2013. Three mean wave period inversion models are developed and used to calculate the wave energy period. Third, a practical application value for developing the wave energy is analyzed based on buoy data. Finally, the wave power density is then calculated using the wave field data. Using the distribution of wave power density, the energy level frequency, the time variability indexes, the total wave energy and the distribution of total wave energy density according to a wave state, the offshore wave energy in the China's seas is assessed. The results show that the areas of abundant and stable wave energy are primarily located in the north-central part of the South China Sea, the Luzon Strait, southeast of Taiwan in the China's seas; the wave power density values in these areas are approximately 14.0–18.5 k W/m. The wave energy in the China's seas presents obvious seasonal variations and optimal seasons for a wave energy utilization are in winter and autumn. Except for very coastal waters, in other sea areas in the China's seas, the energy is primarily from the wave state with 0.5 m≤H s≤4 m, 4 s≤T e≤10 s where H s is a significant wave height and T e is an energy period; within this wave state, the wave energy accounts for 80% above of the total wave energy. This characteristic is advantageous to designing wave energy convertors(WECs). The practical application value of the wave energy is higher which can be as an effective supplement for an energy consumption in some areas. The above results are consistent with the wave model which indicates fully that this new microwave remote sensing method altimeter is effective and feasible for the wave energy assessment.     

基于波谱密度特性的海浪仿真研究

基于密闭液体的体积变化导致压力变化的特性,研制出了一种高响应、高精度的海浪仿真器,能够模拟海浪对任意水深处的影响作用。在保持微小频率段内总能量相等的条件下,通过规则波的合成,获得了描述已知波谱密度的海浪,并由海浪仿真器模拟出了任意水深处所受到的海浪作用,频谱分析表明模拟海浪具有与真实海浪相一致的波谱密度特性。     

积雪密度演变对北极积雪深度模拟的影响

积雪具有复杂的时空分布,在高纬度地区的气−冰−海耦合系统中扮演了重要的角色。准确的积雪质量平衡计算可以帮助我们更好地理解海冰演变过程以及极区冰雪与大气之间的相互作用。雪密度是影响积雪质量平衡众多因素中的重要因子。现有的一维高分辨率冰雪热力学模型（如HIGHTSI）中,使用常数块体雪密度均值将降雪雪水当量转化为积雪深度。本文参考拉格朗日冰上积雪模型（SnowModel-LG）模式对积雪分层压实的处理,简化为新、旧两个雪层,并在质量守恒条件下同时考虑新、旧雪层深度对压实增密的响应,将该物理过程加入HIGHTSI模式中。利用ERA-Interim再分析数据作为大气强迫,针对北极15个冰质量平衡浮标沿其漂移轨迹模拟了降雪积累期海冰表面雪密度变化对积雪深度变化的影响,在原HIGHTSI设置下分别采用定常块体雪密度均值330 kg/m³（T1试验）、接近实际的常数新雪密度200 kg/m³（T2试验）以及改进后框架下新、旧雪层随时间压实增密的雪密度（T3试验）计算积雪深度,并将模拟结果与浮标观测进行对比。结果表明,本文改进的算法对雪密度变化的处理更为合理,且能较好地再现积雪深度的变化;考虑新、旧雪层深度对压实增密的响应能较好地避免以较低的降雪密度持续过度积累,以浮标观测为标准,分层积雪密度压实计算得到的平均绝对误差相对T2减小了5 cm。