基本介紹
開發可再生能源，減少對化石能源的依賴既能滿足我國的可持續發展戰略，也能對環境保護有積極作用。在浩瀚的海洋里，蘊藏著極為豐富的自然資源和巨大的“海洋能”，其中波浪能的研究和利用還處於初始階段。於是我們小組基於國家大學生創新訓練項目，基於現階段海洋波浪能發電裝置的研究，設計了一種可以同時利用海浪的勢能和動能的發電裝置，以期提高波能發電裝置的能量採集效率，同時聚波渦輪式海洋波浪能發電裝置也可為島礁開發供電，減少成本和對化石能源的依賴。
我國波浪資源
我國海洋能資源非常豐富，而且開發利用的前景廣闊。全國大陸海岸線長約18,000km;還有6,000多個島嶼，其海岸線長約14,000km;整個海域面積490萬km。如果將我國的海洋能資源轉化為利用的動力值，至少可達1.5億。
現階段我國大力開發的南海島礁，大多數都是遠離大陸的孤立島礁，太長距離多自設柴油發電機。然而柴油的供應增加了交通運輸的成本和壓力，而且單一的柴油機發電會對島礁脆弱的綠色生態造成破壞。利用波浪能發電裝置開發利用島礁附近海域的波浪能資源，進一步還能套用於島礁的漁業、制淡、旅遊、運輸等方面，對開發與管理海島、保持海島自然生態環境具有重大意義。
從介紹我國波浪能資源密度入手，初步驗證我們設計的裝置開發利用前景;通過分析現階段部分具有聚波性能的越浪式波浪能發電裝置，引出我們裝置克服了現階段大多數海洋波浪能發電裝置單一能量採集形式的弱勢;最後通過基本計算論證我們裝置的工作環境條件。
結構組成
聚波浪渦輪式發電裝置，分為發電部分、底板支撐部分、自偏轉部分和能量採集部分。整體結構包括底部支撐板，底部支撐板由通過底部軸連線的上層板架和下層板架組成，底部支撐板中央處有轉軸和支柱，上層板架可繞其轉動。還包括外圍的導浪板和集浪板，導浪板自下而上寬度變窄，且呈傾斜的角度安裝，在導浪板上部連線有集浪板;導浪板底部與底部支撐板之間有空隙;在中心支柱上，安裝有渦輪，渦輪上連線有皮帶，皮帶轉動時帶動皮帶輪轉動，皮帶輪與發電機連線，發電機設定在支柱上部;在支柱頂部設定有迎風板。
能量採集部分
由波浪功率密度簡化公式是:
海水密度P是1.025g/cm3, PW單位取km/m,告是三一有義波高，即有效波高，單位取mo T。為波能周期一般我們會用較為簡潔的係數法Te=aT。為譜峰周期，當波浪譜型為JONSWAP譜，且譜峰因子y=3.3時，a=0.9 0
通常認為波浪能流密度大於2kw/m時為可以開發利用，說明全球大部分海域的波浪能流密度屬於可利用範圍。
中國沿海海域位於北太平洋西部，中國沿海的的波能功率密度基本在2-7kw/ m之間，屬於波能較低的海域。如果裝置單一採集波浪的動能或者勢能，則波浪能發電裝置效率不會很高，再考慮到裝置較高的成本，整體工程收益較低。
再結合現分析階段與我們設計原理相似的越浪式波浪能發電裝置。越浪式波浪能發電裝置，比較突出的主要有挪威的收縮水道式電站TAPCHAN、丹麥的龍式波能發電裝置Wave Dragon以及挪威開發的岸線錐形槽波能發電裝置SSG。收縮波道式波浪能發電裝置，也叫聚波水庫式波浪能發電裝置(taped channel常縮寫為APCHAN)。
聚波理論最早由挪威特隆姆大學的Falnes和Budal。聚波水庫裝置利用喇叭型的收縮波道作為一級能量轉換裝置。波道和海連通的一面開口寬，然後逐漸收縮通至貯水庫。波浪在逐漸變窄的波道中，波高不斷地被放大，直至波峰溢出邊牆，將波浪能轉換成勢能貯存在貯水庫中。進而再利用水池和海平面的落差，帶動水輪機轉動，水輪機作為二級能量轉換裝置，帶動發電機發電。聚波水庫裝置的優點是一級轉換沒有活動部件，可靠性好，維護費用低，系統出力穩定，幾乎不受波高和周期的影響;不足之處是電站建造對地形有特殊要求，不易推廣，而Wave Dragon的漂浮式設計克服了地形要求的限制。
碟形越浪式波浪能發電裝置的碟形引浪面設計能夠吸收不同入射方向的波浪;同時，裝配在碟形引浪面坡道的導流葉片既可以防止波浪向兩側滑落，又可以抬高波浪的爬升，有助於波浪的越過，增加裝置的波能轉換效率。
這些裝置都證明了聚波坡道的設定，是利用波浪的勢能的很好的一種方式，我們的設計也是以聚波理論為指導基礎。但是現階段的越浪裝置都只利用了波浪的勢能，能量採集形式過於單一，能量採集效率不高。而其他形式的波浪能發電裝置，例如振盪水柱式、浮力擺式和筏式，一般只採集垂直或者水平運動的動能，沒有很好的採集波浪的勢能，波浪能採集效率低，而且能量轉換環節過多，能量傳遞效率過低。
自偏轉部分
上層海洋的主要運動是風應力驅動的直接結果，所以海浪中風浪占有主要地位。風浪一旦生成需要從風中攝取能量，海氣間進行動量交換，直到波浪內部消耗的能量隨著波齡尺寸的增大，渦動鑽性成為影響風浪成長的主要因素)與從風中攝取的能量達到平衡，而達到充分成長狀態，趨於飽和。風主要是從法向方向和切線方向傳遞能量給波浪，法向方向的壓力不對稱性歸因為氣流流線於避風側波面分離，法向壓力的水平分量與波浪運動方向相同。切向方向上，根據流體力學的觀點，當空氣和海水兩種不同的流體相互接觸並發生相對運動時會產生粘性力，兩者相互作用會產生界面波，切向粘性力的水平分量也和波浪運動方向一致困。所以即便實際觀測時，風區具有極大的不確定性，但風浪方向基本和風向是一致的，為我們的裝置設計原理提供了理論依據。
我們從風機的偏航裝置得到靈感，偏航即當風機的正方向與自然風風向發生一定的角度偏移時，風機會自動偏航至與自然風風向一致的位置，以確保風機能得到最大的迎風面從而提高風機的的發電效率，做到風能的最大可利用率圖。
基於風浪基本同向的理論依據及風機尾舵的實際套用，我們在設計裝置時，增加了自偏轉裝置。聚波坡道的越浪量與波的傳播方向相關，當波況為多向波時，越浪量會減少，在海洋中波浪的流動方向不是一成不變的，自偏轉裝置是利用了波浪流動方向基本與風向一致現象，當風向改變時自偏轉裝置的上端的擋風板會受風力轉動，直至與風向同向，與此同時渦輪的方向也會隨著擋風板方向改變而改變，使得渦輪正好處於波浪能量最多的一個導浪板處從而提高了該裝置的整體發電量與發電效率。
展望
由於聚波渦輪式海洋波浪能發電裝置工作範圍更廣，我們可利用該設備，以求降低各類海洋工程平台、島礁開發對化石能源的依賴。其次，我們裝置的風力自動轉向裝置在未來可進行智慧型化改造，加裝感測器和智慧型自動遙控裝置，使其更為高效地利用海洋波浪能。最後，通過計算，我們發現設計的裝置由勢能提供的轉矩較少，未來還可進一步把聚波池設計更大一些。
