波浪能商業(yè)化需解三大難題

□ 顧永強 陳晉峰

近年來，隨著科技進(jìn)步和能源短缺加劇，波浪能這種清潔綠色能源的開發(fā)利用也從“幕后”走向“前臺”，并已初具商業(yè)化趨勢?，F(xiàn)在世界各國紛紛開始因地制宜，著力尋求當(dāng)?shù)乜色@得的廉價能源。

波浪能具有能量密度高、分布面廣等優(yōu)點。它是一種取之不竭的可再生清潔能源。尤其是在能源消耗較大的冬季，可以利用的波浪能能量也最大。小功率的波浪能發(fā)電，已在導(dǎo)航浮標(biāo)、燈塔等獲得推廣應(yīng)用。我國有廣闊的海洋資源，波浪能的理論存儲量為7000萬千瓦左右，沿海波浪能能流密度大約為每米2～7千瓦。在能流密度高的地方，每1米海岸線外波浪的能流就足以為20個家庭提供照明。

我國波能開發(fā)潛力巨大

我國海域遼闊，海浪能源豐富，年均波力功率在3千焦/米以上。我國波電開發(fā)較晚，1975年制成1千瓦波電浮標(biāo)，在浙江省嵊山島試驗。自1985年起，我國研制了多種小型產(chǎn)品，其中有600多臺作為航標(biāo)燈用，并出口到日本等國。后來開發(fā)了20千瓦岸基固定式、5千瓦漂浮式、8千瓦擺板式等波電站。20世紀(jì)90年代，中科院廣州能源所在廣東汕尾建造100千瓦岸基固定式波電站，于2000年建成發(fā)電。此后，廣州能源所又在山東、海南、廣東建造了3座1000千瓦級此種電站。

我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，由此帶來能源緊缺，電力不足。水電周期太長，還存在淹汲、移民等問題；火電燃料有限，且存在溫室效應(yīng)問題；核電成本太高，存在安全問題。所以國家非常重視清潔的可再生能源的開發(fā)利用，如風(fēng)力發(fā)電、海洋發(fā)電等。

近年來，國家加大了對海洋波浪能開發(fā)利用的支持力度，推進(jìn)波浪能開發(fā)利用的研究、應(yīng)用和管理工作。在“十一五”國家科技支撐計劃中，海洋波能開發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范被列為重點項目，共設(shè)有100千瓦漂浮式波浪能電站關(guān)鍵技術(shù)研究與示范、100千瓦擺式波浪能電站關(guān)鍵技術(shù)研究與示范等6個研究課題。

從總體上看，我國潮流能、溫差能資源豐富，能量密度位于世界前列；潮汐能資源較為豐富，位于世界中等水平；波浪能資源具有開發(fā)價值；離岸風(fēng)能資源和海洋生物質(zhì)能資源具有巨大的開發(fā)潛力。

專家介紹，我國在波浪能利用方面處于世界領(lǐng)先地位，有十分廣闊的前景。我國根據(jù)目前國內(nèi)外波浪能現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)以及優(yōu)缺點，又提出了一種新的波浪能發(fā)電裝置振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置。與現(xiàn)在這套振蕩水柱波浪能發(fā)電裝置相比，它的效率更高、建造難度和成本更低、抗臺風(fēng)能力更強。

2011年2月，山東省日照市與清華大學(xué)達(dá)成意向，將在日照海域合作開展潮流能發(fā)電示范項目。在日照市貫徹落實《山東半島藍(lán)色經(jīng)濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》的實施方案討論稿中提到，作為“十大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”的重要項目之一，日照市或?qū)⒁?guī)劃建設(shè)波浪能發(fā)電。

離岸越近可利用波浪能越大

統(tǒng)計學(xué)家在20世紀(jì)70年代采用氣候觀測船和浮標(biāo)的數(shù)據(jù)，計算出離岸處50米深、1米寬水域的波浪所攜帶的能量大約平均40千瓦，這比10米水深處波浪所攜帶的能量密度要高出一倍。自那以后，該行業(yè)普遍將目光聚焦于離岸200～10000米深海域的波浪能，認(rèn)為產(chǎn)生的波浪能越大，越能夠彌補能發(fā)電所需的高昂維護費用以及將電力回傳到大陸所耗費的資金。

然而最近，英國貝爾法斯特女王大學(xué)的馬修·富勒表示，波浪能的利用還可以離大陸更近些。富勒使用世界海洋現(xiàn)代計算機模型，計算出近海不同區(qū)域所產(chǎn)生的實際波浪能。他發(fā)現(xiàn)距離海岸500米～2000米區(qū)域的波浪能所攜帶的能量，已經(jīng)達(dá)到更遠(yuǎn)海域可用波浪能的80%～90%。富勒認(rèn)為可開發(fā)能量密度達(dá)到每1米寬水域18.5千瓦，而岸邊更近距離海域波浪所含的能量密度已經(jīng)達(dá)到每1米寬水域16.5千瓦。過去深水海域波浪能更大的“真知”主要源于上世紀(jì)70年代的海洋數(shù)據(jù)。富勒認(rèn)為那些數(shù)據(jù)高估了離岸海域的波浪能，在過去計算時，科研人員使用的是在強烈風(fēng)暴下的數(shù)據(jù)，而事實上，即使有狂風(fēng)暴雨，波浪能設(shè)備產(chǎn)生的電能也微乎其微，因為在極端條件下設(shè)備會調(diào)整為自保模式。

此外，先前人們還假設(shè)離岸波浪是有主要方向的，就像近岸海域的波浪傾向于朝岸邊移動，但富勒表示，波浪趨向岸邊主要是淺海床產(chǎn)生的折射海浪，而這一現(xiàn)象在離岸較遠(yuǎn)的海域則不會發(fā)生。相反，較遠(yuǎn)海域的波浪來自四面八方，這也就意味著發(fā)電場中一些設(shè)備采集的波浪會被其他不同方向的波浪抵消，而岸邊更近的發(fā)電場則可以把波浪采集發(fā)電設(shè)備排成一列，避免出現(xiàn)抵消的情況。

對于該發(fā)現(xiàn)，英國愛丁堡大學(xué)的伊恩·布萊登表示，富勒的數(shù)據(jù)令人信服。他說，“許多開發(fā)商目前仍鐘情于深海水域（的波浪能開發(fā)），而且似乎不愿改變他們的方向，因為在這方面已經(jīng)進(jìn)行了太多投資”。

富勒強調(diào)，現(xiàn)在很少有波浪能采集設(shè)備的設(shè)計能夠安置在離岸不遠(yuǎn)的水域，因為深海波浪上下激蕩，更容易被開發(fā)，而淺海波浪蘊藏的能量主要來源于來回的運動。但富勒也表示，已經(jīng)有一些設(shè)備能夠適應(yīng)淺水波浪能采集，比如愛丁堡的海藍(lán)碧綠電力公司開發(fā)的“牡蠣”波浪采集器以及芬蘭AW能源公司開發(fā)的波碾器等。

三大難題需破解

但是，波浪能的利用并不容易。波浪能是可再生能源中最不穩(wěn)定的能源，波浪不能定期產(chǎn)生，各地區(qū)波高也不一樣，由此造成波浪能利用上的困難。利用波浪能發(fā)電要依靠波浪發(fā)電裝置，但是由于海浪具有力量強、速度慢和周期性變化的特點，100多年來，世界各國科學(xué)家提出300多種設(shè)想，發(fā)明了各種各樣的波浪能發(fā)電裝置，但是普遍發(fā)電功率很小，而且效果差。

想要充分地利用波浪能發(fā)電，有幾項難題需要解決。一是獨立發(fā)電問題。最早的波浪能發(fā)電裝置需要與柴油機并聯(lián)工作，這樣會造成污染。后來則需要依靠電網(wǎng)，先把波浪能轉(zhuǎn)化的電能供應(yīng)到電網(wǎng)上，然后才可以利用，這樣又會受到電網(wǎng)覆蓋范圍的限制，造成發(fā)電成本高昂、發(fā)電功率小、質(zhì)量差等問題。二是穩(wěn)定性問題。由于受技術(shù)限制，波浪能發(fā)電裝置只能將吸收來的波浪能轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的液壓能，這樣再轉(zhuǎn)化的電能也是不穩(wěn)定的。英國、葡萄牙等歐洲國家采用昂貴的發(fā)電設(shè)施，仍無法得到穩(wěn)定的電能。三是控制問題。由于波浪的運動沒有規(guī)律性和周期性，浪大時能量有剩余，浪小時能量供應(yīng)不足。這就需要有一種設(shè)備在浪大時將多余的波浪能儲存、再利用。