波浪能量采集及自供能海洋无人机电系统研究进展

海洋环境传感器、航行器/机器人等无人机电系统可用于海洋军事侦察、资源探测、生态监测、海洋大型设备设施状态监测等,有益于海洋生态保护、海洋经济发展和海洋权益维护.长期有效供能是制约海洋无人机电系统在辽阔海域作业的瓶颈难题.电池电量有限且污染环境,线缆供电成本高且限制了海洋机电系统的机动性.波浪能是最丰富并且可以被大规模利用的可再生能源之一.将波浪能量转换为电能,可以实现海洋环境机电系统的自供能传感、控制与驱动,具备可持续、灵活便捷和节能环保的优势,有望破解海洋无人机电系统供能瓶颈难题.此外,随着化石能源面临着枯竭和严重的环境问题,开发海洋能源能够缓解能源危机、减少环境污染并促进经济发展.文章全面论述波浪能量采集、基于波浪能量采集的自供能海洋无人机电系统和海洋无人机电系统的研究进展,讨论目前自供能海洋无人机电系统面临的关键挑战并进行展望,为解决海洋无人机电系统长期有效供能难题提供多维度参考,推动自供能传感、控制与驱动等技术的发展与应用,助力海洋无人机电系统应用于深海远海.

摆式海洋波浪能量转换原理与应用

摆式海洋波浪能量转换装置具有转换效率高、成本较低等优点,将会越来越多地用于发电系统并接入电网。该文介绍摆式海洋波浪能发电装置的基本原理,综述国内外几种典型的摆式波浪发电装置及其运行情况,包括日本推摆式波浪发电装置、中国大管岛悬挂摆式波浪发电装置、芬兰WaveRoller海浪发电机和英国WRASPA波浪发电装置等的液压转换原理和特点。

海滩修复工程影响下的低能海岸波浪能量时空分布特征研究

本研究基于第三代海浪模式SWAN(Simulating Wave Nearshore),对茅尾海及其邻近海域波浪场进行了为期1 a的数值模拟,利用实测资料验证了该模型的可靠性。根据模型计算结果分析了茅尾海海域波浪要素的时空分布特征,在此基础上进一步探讨了波浪能量的输入耗散过程以及海滩修复对波浪能量空间分布的影响。研究发现茅尾海海域年平均有效波高空间分布不均,湾外年平均有效波高约0.2-0.4 m,湾内仅0.05-0.15 m,且存在较明显的季节变化特征,夏季波高大于冬季。研究区海域夏季波能输入与耗散项均大于冬季,全年主要的波能耗散过程为底摩擦耗散且空间分布不均,存在波能耗散密集区和稀疏区。海滩修复前后海滩前沿波浪能量分布变化显著,海滩修复后滩面前沿纵向轴线分布波高平均增加23.7%,波能增加63.0%,横向轴线上波高增加百分比随离岸距离的变大而逐渐减小,最大波高增加百分比为13.9%,最大波能增加43.8%。研究结果表明合理的海滩修复工程能够有效提升作用于滩面的波浪能量,从而改善修复海滩的动力条件,降低海滩泥化风险,有利于提高海滩质量。该研究可为低能海岸的海滩修复工程提供一定的科学依据。

从水下开发利用波浪的能量

一个缩小比例的在水下开发利用波浪能量的发电设备已经试验成功,发明这个水下波浪发电设备的荷兰公司现在正筹划对实际样机进行试验。这种阿基米得波浪发电机利用水面上的长波浪造成的水压力变化发电。绝大多数的波浪能发电机都是安装或者漂浮在海水表面。

汕头近岸区的台风波浪(一)实测记录的分析

作者选择了汕头近岸区某测点的台风（包括热带风暴和强热带风暴，下同）波浪从下列三个方面进行分析研究：（一）实测记录的分析；（二）后报台风波浪及其基本特征；（三）各种重现期台风波浪要素的确定。力图为该近岸区海岸工程设计中必须考虑的水动力参数提供依据。本文，着重分析了实测台风波浪能量的分布，给出台风过程波浪能量随频率和方向的变化；波浪能量的集中程度以及台风过程测点出现波高最大值时波浪能量随频率和方向的分布等。从实测资料的分析揭示台风波浪能量的结构。

汕头近岸区的台风波浪 (二)后报台风波浪及其基本特征

本文采用《受陆岸影响浅水区台风风浪的推算方案》后报影响汕头近岸区的台风风浪，并以此与Ｔｈｏｍｐｓｏｎ关于波型的判据和合田良实的不同波型能量集中度的规定相结合，计算台风混合浪，经与现场实测资料相比较，效果良好；依４４年台风浪的后报结果，可以得到各场台风过程的波高。

工程海域波浪特征分析方法比较

通过选取两个典型海外工程项目案例,分别采用波浪特征参数法和波浪谱法对工程海域波浪条件进行分析,并比较这两种方法在作业波浪条件、波浪特征认知程度上的差异,以及对海港水域平面布置产生的影响。对于波浪能量在频域及方向上存在多峰谱情况的海域,基于全谱的波浪特征参数系列数据有可能出现以下两种情况:1)主峰波向掩盖次峰波向;2)主峰波向错配次峰周期。对于上述两种情况,若仅采用波浪特征参数法对工程海域作业波浪条件进行分析,并指导海港水域平面布置,则极可能忽略或误判个别敏感波向、关键频域段的部分波浪能量,从而误导设计,为后续项目运营埋下隐患。对于以上情形,宜采用波浪谱法深入分析工程海域波浪能量在整个频域及各个方向上的详细分布及构成,并对关键波向、关键频域段的波浪能量进行量化,评估其对海港水域平面布置的影响,从而最大程度地避免由于波浪输入条件误判带来的风险。

采用初级永磁直线电机的波浪发电技术研究

提出一种用于波浪发电的新型圆筒形初级永磁直线发电机,其次级结构简单,绕组和永磁体均位于初级。给出了发电机基本结构和组合结构,对所提出电机的基本原理进行了分析。采用瞬态有限元方法对所提出电机的空载特性和负载特性进行了仿真分析,给出了仿真结果;与传统典型的动子永磁型电机直线同步发电机进行了对比分析;并采用直线同步发电机样机验证了有限元仿真的正确性。分析结果表明所提出电机具有电压正弦度高、定位力小、转换效率高、低速发电性能好的特点,比较适合作为海浪发电机。

漂浮式波浪发电系统波浪能模拟及参数计算

基于线性叠加法模拟了不同风速下的波浪波形,提取了波浪力能,分析了浮筒的受力情况,进而在保证漂浮式波浪发电系统稳定运行的情况下计算了不同波浪浪高下的浮筒尺寸、质量与发电机功率之间的关系,并应用仿真软件进行了仿真研究,结果对漂浮式波浪发电系统的各参数设计具有重要的指导意义。

从泥沙角度分析绥中油港码头海域波浪条件

对绥中油港码头海域，从泥沙运动的观点分析海区的波浪能量分布。

基于数值模拟的厦门湾波浪特征研究

本研究使用成熟的SWAN模型对厦门湾的波浪场进行了1a的数值模拟,通过与同期的珍珠湾波浪观测数据进行对比验证了模型的可靠性.根据模型的计算结果,分析了厦门湾年平均和夏、冬两季平均波高和波向的分布特征,厦门湾的风浪和涌浪组成,珍珠湾波浪观测海域主要的波浪能量生成和能量耗散过程.结果表明,厦门湾年平均有效波高较小,且有较明显的季节变化特征,夏季厦门湾平均有效波高较小,且湾内波向多为偏南向;冬季厦门湾平均有效波高相对较大,厦门岛北侧和东侧海域波向均为NE向.厦门湾湾内以风浪为主,涌浪较小,风浪、涌浪比较大,均在3以上;从湾外向湾内,风浪、涌浪比逐渐增加,至厦门湾南岸和泉州石井镇附近海域,风浪、涌浪比增加到5~6;在厦门湾东部和北部海域,风浪、涌浪比均在10以上.珍珠湾海域波浪最主要的能量耗散过程是由底摩擦引起的能量耗散,虽然冬季风速较大,但夏季风能输入的能量和白帽破碎耗散的能量均大于冬季;因冬季波浪相对较大,夏季底摩擦耗散的能量要小于冬季.

聚焦波浪在浅堤上传播变形高精度数值模拟研究

基于开源程序REEF3D,通过建立高精度二维数值波浪水槽,系统研究了聚焦波浪在浅堤上传播变形的规律,着重分析了聚焦波浪通过浅堤的水动力过程及能量变化规律,讨论了不同波浪要素对聚焦波浪传播特性的影响。除此之外,还考虑了双浅堤布置对聚焦波浪传播变形的影响。研究结果表明:极端波浪通过浅堤时,堤顶水深越小,波浪主频能量衰减越显著。在给定堤顶水深条件下,聚焦点与浅堤的相对位置对聚焦波浪能量的衰减影响较小。在双浅堤布置条件下,随着浅堤间距的增加,上下游浅堤的相互影响逐渐减弱,高频段的波浪能量也随之减小。

并网AWS波浪发电场等效建模

提出了阿基米德波浪摆(AWS)发电场的等效建模方法,重点研究波浪力输入等效。提出基于波浪最大能量捕获控制策略下AWS波浪力输入和输出有功功率之间的稳态关系,由于等效前后的发电场输出有功功率应该相等,在规则波浪和不规则波浪2种情况下,反推获得等效模型的波浪力输入,同时计及功率补偿。搭建了波浪能发电场详细模型,并将其等效为一台AWS波浪能发电单元。仿真结果表明,单机等效模型的稳态有功输出和故障时动态响应均与详细模型高度吻合。

深水波浪破碎与气体交换速率之间的关系

表面更新理论给出气体交换速率k与海面附近的海水湍动能耗散率呈1/4次方关系,而波浪能量耗散率Dt与湍动能耗散率密切相关。本文利用两种海浪谱耗散模型——Hasselmann模型和Phillips模型,结合深水浮标海浪频谱的观测数据计算了波浪能量耗散率。以前人给出的k与海面上10m高度处的风速U10关系式的平均值为标准,采用最小二乘的方法得到了k与Dt的经验关系。在此基础上,进一步利用SWAN和WAVEWATCHIII海浪数值模式计算了理想深水情况下的波浪能量耗散率,探讨了由海浪模式计算的波浪能量耗散率与气体交换速率之间的关系。结果表明,与SWAN模式相比,WAVEWATCHIII海浪数值模式结果与实际观测更为接近。

英国首座海底波浪能发电场诞生

据报道,英国首座波浪能发电场预计在2018年有望开始提供电力。此处波浪能发电场位于英国康沃尔郡,名为＂Ceto 6＂,以希腊神话中海神的名字命名。Ceto 6主要在水下运转,海岸上看不到设备,因而避免了风暴的侵袭。

半潜钻井平台气隙频域分析

以两座半潜钻井式平台为研究对象,基于线性波浪绕射/辐射理论,利用频域方法预报平台气隙,引入不对称因子α考虑实际波浪的不对称现象和非线性绕射效应,并进行相应的敏感性分析,分析α对半潜钻井平台气隙结果的影响,计算平台在一系列不规则海况中的气隙,不规则海况波浪能量与平台运动的关系,结果表明,α对半潜平台气隙预报有很大影响,当考虑波浪不对称现象和非绕射现象时,平台气隙将变得危险;当不规则海况的波浪能量集中区域接近于平台垂向相对运动的共振区域时,即使海况的有义波高不是很大,平台也会发生危险气隙。

波浪对Ekman层的能量输入

基于海洋Ekman层流速剖面结构受波浪影响的3点观测事实,研究了波浪对Ekman层的机械能输入,在常涡粘系数的假定下得到了波浪对Ekman层能量输入的解析表达式.研究结果表明,海洋Ekman层的机械能输入包括两部分:一是风应力对Ekman层的直接能量输入,其受波浪的影响;二是波浪对Ekman层的能量输入,其与风应力、波浪参数和波向与风应力的相对方向有关.估计了波浪对Ekman层能量输入的大小,结果显示,在中高风速和中高纬度条件下,波浪对Ekman层的能量输入与不考虑波浪影响的Ekman层风能输入相比较可达10%以上,在绕极流区可达20%以上;在波浪方向与风应力方向不一致时波浪的能量输入更为显著.给出了波浪对非定常Ekman层能量输入的计算公式.研究结果在研究海浪的大尺度效应方面有启示意义.

第四讲 海浪的谱特征

天然海浪是一种极其复杂的运动过程,不但用规则波不能代表它,即使是不规则波各波要素的统计分布,也只能反映海浪的外观表视特征,而不能说明海浪的内部结构。所谓内部结构,就是研究海浪的能量随频率(ω=2π/T)及方向θ(来波向)的分布情况。海浪谱对于研究海岸泥沙运动、海浪预报及海工建筑物的动力分析问题等都是重要工具。

大湖路堤

本文叙述美国两条铁路干线,以长距离高路堤通过大盐湖的多年经验。湖水位的涨落,密度大的水,狂风激浪,造成了复杂的路基问题。了解大湖路堤遭受的损害,领会各项整治技术措施的效果,可作为处理同类工程时的借鉴(译者)。南太平洋(SP)铁路与联合太平洋(UP)铁路至1987年4月,大盐湖水位降低了2英尺(1英尺=30.48厘米)才算解除了险情。

什么是侵蚀海岸

我们通常所说的海岸,实际上就是海洋与陆地相互接触、相互作用和相互影响的地带。一般可以这样理解,海岸指的是遭受波浪为主的海水动力作用的沿岸广阔范围,它可从波浪所能作用到的深度起,一直向陆地延伸到暴风浪所能到达的地带。根据海岸的物质组成及控制海岸发育的主导因素。