波浪能開(kāi)發(fā)與利用研究進(jìn)展

劉寅立　焦永芳

摘要：波浪能作為一種清潔可再生的能源越來(lái)越引起人們的關(guān)注，文章敘述了波浪能開(kāi)發(fā)和利用的意義，目前在理論和實(shí)踐方面的進(jìn)展，以及對(duì)未來(lái)的展望。

關(guān)鍵詞：波浪能；可再生能源；波浪力；聚波水庫(kù)裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ051文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）02-0019-02

一、概述

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，由于目前作為主要能源的煤和石油均不具有可再生性，這直接導(dǎo)致了能源危機(jī)不斷地出現(xiàn)，能源的短缺甚至成為社會(huì)發(fā)展的一個(gè)瓶頸，這些都在不斷地提醒人們?nèi)ふ倚碌目稍偕哪茉础Ｒ猿毕?、波浪、溫度差、鹽度梯度、海流等形式存在的海洋能源是地球上最大的能源，而且具有不需要燃料，不污染環(huán)境，可再生等其他能源所不具備的優(yōu)點(diǎn)，這些能源取之不盡，用之不竭。利用海洋能發(fā)電既經(jīng)濟(jì)，又不占用土地，也不污染環(huán)境，具有極高利用價(jià)值，潛力巨大。其中的潮汐能已經(jīng)被人們開(kāi)發(fā)利用，但潮汐能受地域、時(shí)間等限制較大。波浪能在海洋中無(wú)處不在，無(wú)處不有，而且受時(shí)間限制相對(duì)較小，在很大程度上克服了潮汐能的這些缺點(diǎn)，同時(shí)波浪能的能流密度最大，可通過(guò)較小的裝置提供可觀的廉價(jià)能量，又可以為邊遠(yuǎn)海域的國(guó)防、海洋開(kāi)發(fā)等活動(dòng)提供能量，因此，世界各海洋大國(guó)均十分重視波浪能的開(kāi)發(fā)和利用的研究。

波浪能的開(kāi)發(fā)和利用是一個(gè)涵蓋多個(gè)學(xué)科的綜合性問(wèn)題，涉及到機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，空氣動(dòng)力學(xué)，流體力學(xué)，物理學(xué)，數(shù)學(xué)模型，計(jì)算機(jī)模擬，海洋科學(xué)等各領(lǐng)域。

波浪能由風(fēng)把能量傳遞給海洋而產(chǎn)生，通過(guò)摩擦和湍動(dòng)而消散，深水海區(qū)大浪的能量消散速度要大于淺水海區(qū)。波浪能實(shí)質(zhì)上是吸收了風(fēng)能而形成的，能量傳遞速率與風(fēng)速和風(fēng)與水相互作用的距離直接相關(guān)，由于受各種氣候條件的影響，加上風(fēng)能本身具有很大的不確定性，因此波浪能是不穩(wěn)定的一種能源。波浪能以海洋表面波浪所蘊(yùn)含的動(dòng)能與勢(shì)能形式存在，水相對(duì)于海平面發(fā)生位移時(shí)，使波浪具有勢(shì)能，而水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，則使波浪具有動(dòng)能。在太平洋、大西洋東海岸的某些區(qū)域區(qū)域，波浪功率密度可達(dá)到30～70kW/m，部分地方甚至能夠達(dá)到100kW/m，而中國(guó)海岸大部分的年平均波浪功率密度為2～7kW/m。

二、海浪和波浪力的理論分析

研究波浪能的開(kāi)發(fā)和利用，首先就是要研究海浪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，目前對(duì)海浪研究多采用動(dòng)力學(xué)方法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的結(jié)合。動(dòng)力學(xué)方法就是利用流體力學(xué)方程研究理想的規(guī)則波動(dòng)（正弦波動(dòng)、余弦波動(dòng)、斯托克斯波動(dòng)等），把海水視為不可壓縮的理想流體，以說(shuō)明海洋中實(shí)際發(fā)生的一些比較規(guī)則的波動(dòng)現(xiàn)象。利用Longuet-Higgins模型, Fourier-Stieltjes積分模型，Pierson模型等研究波面位移。利用正弦波的疊加，可以解釋一部分海浪在傳播過(guò)程中發(fā)生的變化。研究表明，當(dāng)水域的深度大于半個(gè)波長(zhǎng)（深水）時(shí)，波速幾乎只決定于波長(zhǎng)，水質(zhì)點(diǎn)的軌跡為圓，半徑隨至水面的距離按指數(shù)律減?。凰钚∮诎雮€(gè)波長(zhǎng)時(shí)，波速同時(shí)決定于波長(zhǎng)和深度，質(zhì)點(diǎn)軌跡為橢圓，其長(zhǎng)、短半軸隨深度的增大而減小，但是兩焦點(diǎn)間的距離不變；而當(dāng)水深小于1/10波長(zhǎng)時(shí)（淺水），波速幾乎只決定于水深。正弦波中的水質(zhì)點(diǎn)速度，遠(yuǎn)小于波速，波動(dòng)的動(dòng)能和勢(shì)能相等，單位切面積的鉛直水柱內(nèi)的平均波動(dòng)能量與振幅的平方成正比。波動(dòng)能量沿波向傳播，在深水中的傳播速度等于 1/2波速，在淺水中可增大到等于波速。這種波動(dòng)的特征和外形與規(guī)則而平緩的涌浪相近。而有限振幅波的波面在波峰附近較陡，在波谷附近較平緩，這和實(shí)際海浪更加接近，淺水區(qū)的海浪還具有某些其他理論所描繪的波動(dòng)特征。因?yàn)楹Ｃ娴娘L(fēng)速和風(fēng)向，都隨時(shí)隨地不斷地變化，因此導(dǎo)致海浪并具有隨機(jī)性，故外觀通常是雜亂無(wú)章的，其波高、波長(zhǎng)和周期等物理量都可視為隨機(jī)量。統(tǒng)計(jì)學(xué)方法就是建立在隨機(jī)過(guò)程基礎(chǔ)上的隨機(jī)海浪理論，根據(jù)線性海浪理論，假定海浪為振幅、頻率、波向和相位不同的許多正弦波疊加的結(jié)果，各組成波都具有獨(dú)立的隨機(jī)相位和振幅，將實(shí)際觀測(cè)資料與波動(dòng)理論結(jié)合起來(lái)，利用譜分析方法確定海浪內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)的波譜特征，從而說(shuō)明海浪的內(nèi)外結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計(jì)特征。

俘獲波浪能在理論上需要對(duì)作用在漂浮體上的波浪力進(jìn)行計(jì)算，目前這方面的計(jì)算方法包括切片理論法、壓力積分法、及能量動(dòng)量守恒法，它們的計(jì)算都是基于數(shù)值計(jì)算的方法上進(jìn)行的，其特點(diǎn)是計(jì)算工作量較大。解析的方法常用的是弗汝德一克雷洛夫假定法，就是假定入射波動(dòng)場(chǎng)原來(lái)的波壓強(qiáng)分布不因潛體的存在而改變。先計(jì)算出未受擾動(dòng)的入射波壓強(qiáng)對(duì)浮體的作用力，再利用反映附加質(zhì)量效應(yīng)的繞射系數(shù)進(jìn)行修正，而繞射系數(shù)需要通過(guò)多次地試驗(yàn)給予確定。根據(jù)對(duì)海浪垂直波浪力的計(jì)算，目前選擇浮子的理想幾何形狀包括長(zhǎng)方體、垂直圓柱體、水平圓柱等。目前的海浪發(fā)電機(jī)是大多是利用海浪的上下垂直位移作為動(dòng)力。

三、目前的實(shí)踐

利用波浪能發(fā)電就是通過(guò)波浪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電，將以水的動(dòng)能和勢(shì)能形式存在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。通常波浪能要經(jīng)過(guò)三級(jí)轉(zhuǎn)換：第一級(jí)為受波體，用以吸收波浪能；第二級(jí)為中間轉(zhuǎn)換裝置，它優(yōu)化第一級(jí)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生出足夠穩(wěn)定的能量；第三級(jí)為發(fā)電裝置，將穩(wěn)定的能量轉(zhuǎn)化成為電能。波浪能利用關(guān)鍵的波浪能轉(zhuǎn)換裝置一般包含兩個(gè)部分：采集系統(tǒng)用來(lái)吸收波浪能；轉(zhuǎn)換系統(tǒng)用來(lái)把吸收的波浪能轉(zhuǎn)換為某種特定形式的機(jī)械能或電能，目前關(guān)于波浪能轉(zhuǎn)換的各種專利已超過(guò)1500項(xiàng)。

通常采集系統(tǒng)的形式有振蕩水柱式、振蕩浮子式、擺式、鴨式、筏式、收縮坡道式、蚌式等，同時(shí)通過(guò)波浪繞射或折射的聚波技術(shù)，以及通過(guò)系統(tǒng)與波浪共振的慣性聚波技術(shù)等可以在一定程度上提高波浪能俘效率。能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有空氣葉輪、低水頭水輪機(jī)、液壓系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)以及發(fā)電機(jī)等，通常通過(guò)可控葉片、變阻尼、整流、定壓等方法提高轉(zhuǎn)換效率，通過(guò)能量緩沖和調(diào)勵(lì)磁等方法用來(lái)提高能量質(zhì)量。

目前的振蕩水柱波能裝置都利用空氣作為轉(zhuǎn)換的介質(zhì)，能量的采集通過(guò)氣室完成，氣室的下部開(kāi)口在水下與海水連通，氣室的上部開(kāi)口（噴嘴）與大氣連通。在波浪力的作用下，氣室下部的水柱作強(qiáng)迫振動(dòng)，壓縮氣室的空氣往復(fù)通過(guò)噴嘴，將波浪能轉(zhuǎn)換成空氣的壓力勢(shì)能能和動(dòng)能，在噴嘴安裝一個(gè)空氣透平并將透平轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)相連，可利用壓縮氣流驅(qū)動(dòng)透平旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種方式裝機(jī)容量1kW以下的波能轉(zhuǎn)換裝置已經(jīng)走向商業(yè)化，用于為導(dǎo)航浮標(biāo)供電，裝機(jī)容量數(shù)十到數(shù)百千瓦的波浪能裝置在英國(guó)、挪威、葡萄牙和中國(guó)等國(guó)也已經(jīng)成功地建成并投入使用。這類(lèi)裝置采用空氣傳遞能量，避免波浪對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的直接打擊，但另一方面空氣葉輪轉(zhuǎn)換效率較低，因而發(fā)電不是很穩(wěn)定。

擺式波能裝置是在波浪的作用下，通過(guò)擺體作前后或上下擺動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換成擺軸的動(dòng)能。與擺軸相連的通常是液壓裝置，它將擺的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成液力泵的動(dòng)能，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種裝置的轉(zhuǎn)換效率較高，但維護(hù)較為困難。

聚波水庫(kù)裝置利用喇叭型的收縮波道，波浪在逐漸變窄的波道中，波高不斷地被放大，直至波峰溢過(guò)邊墻，將波浪能轉(zhuǎn)換成勢(shì)能貯存在貯水庫(kù)中，可用水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是一級(jí)轉(zhuǎn)換沒(méi)有活動(dòng)部件，可靠性好，維護(hù)費(fèi)用低，系統(tǒng)出力穩(wěn)定，但對(duì)地形有要求相對(duì)苛刻。

除了上述裝置外，目前較為成功的波浪能裝置還有振蕩浮子式、筏式與液壓系統(tǒng)的組合。比如英國(guó)的Pelamis裝置采用筏式和液壓系統(tǒng)，采用了蓄能器，輸出穩(wěn)定，抗風(fēng)浪沖擊能力強(qiáng)，裝機(jī)容量能夠達(dá)到700kW，是目前世界上裝機(jī)容量最大的波浪能裝置，但為俘獲波浪能效率不高。

通過(guò)振蕩浮子將波浪能轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)液壓泵的往復(fù)（不穩(wěn)定）機(jī)械能，再通過(guò)蓄能穩(wěn)壓系統(tǒng)將不穩(wěn)定的液壓能轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的液壓能，通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電，整個(gè)轉(zhuǎn)換效率為50%左右，高于振蕩水柱式波能裝置，建造成本和難度上也低于同等容量的振蕩水柱波能系統(tǒng)。正是由于振蕩浮子吸收波浪能的效率較高，制造相對(duì)簡(jiǎn)單，液壓裝置的能量轉(zhuǎn)換效率較高，因此振蕩浮子與液壓系統(tǒng)的組合具有良好的發(fā)展前景。英國(guó)、美國(guó)、荷蘭、瑞典、丹麥、中國(guó)均開(kāi)展了振蕩浮子式波浪能裝置的研究。

四、前景展望

波浪能的開(kāi)發(fā)利用將具有很廣泛的應(yīng)用價(jià)值，目前的海浪發(fā)電的裝置可為海水養(yǎng)殖場(chǎng)，海上燈船，海上孤島，海上氣象浮標(biāo)，石油平臺(tái)等提供能源，還可以并入城市電網(wǎng)提供工業(yè)或民用的能源。波浪能開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵是在降低發(fā)電成本的同時(shí)，提高發(fā)電的穩(wěn)定性，發(fā)展波浪能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，使用戶直接使用波浪能。廣州能源研究所研制的波浪能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)第一次實(shí)海況試驗(yàn)已經(jīng)獲得成功，波浪能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)在抗沖擊、穩(wěn)定發(fā)電、小浪發(fā)電等方面均達(dá)到預(yù)期效果：發(fā)電功率6千瓦，發(fā)電穩(wěn)定性優(yōu)于柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，達(dá)到用戶直接使用的水平。由于海洋的特殊性，目前世界上已有的利用海洋能發(fā)電的研究和實(shí)踐，還有很多問(wèn)題需要解決：能量分散不易集中，投資巨大，發(fā)電量都不大，總效率低。

波浪能是一種密度低、不穩(wěn)定、無(wú)污染、可再生、儲(chǔ)量大、分布廣、利用難的能源。由于目前波浪能的利用地點(diǎn)大都局限在海岸附近，因此還容易受到海洋災(zāi)害性氣候的侵襲。由于開(kāi)發(fā)成本高，規(guī)模小，社會(huì)效益好但經(jīng)濟(jì)效益一般，投資回收期相對(duì)較長(zhǎng)，這些都在一定程度上束縛了波浪能的大規(guī)模商業(yè)化開(kāi)發(fā)利用和發(fā)展，但隨著理論和實(shí)踐方面的不斷發(fā)展成熟，波浪能開(kāi)發(fā)利用的前景將是十分廣闊的。

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基金項(xiàng)目：天津科技大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目20060225資助；天津科技大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目20070207資助。

作者簡(jiǎn)介：劉寅立（1975- ），男，遼寧沈陽(yáng)人，天津科技大學(xué)講師。