海浪發(fā)電的典型裝置和發(fā)展趨勢

楊家武 辛玉超 楊帆

摘 要：由于環(huán)境問題的日益突出，化石能源短缺的迫切需要，因此，海浪作為一種新型可再生的綠色資源，日益受到世界各國的高度重視。如何高效利用海浪資源成為了各國在尋求新能源道路上所遇到的巨大瓶頸，但隨著波能轉(zhuǎn)換技術(shù)日趨成熟，轉(zhuǎn)換效率的逐步提高，海浪發(fā)電裝置凸顯出越來越大的商業(yè)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值，其研究現(xiàn)狀可謂是百家爭鳴，發(fā)展前景上也是大有可為。本文主要介紹了利用波浪發(fā)電的典型裝置，分析了波浪能研究與利用的發(fā)展方向和趨勢。

關(guān)鍵詞：海浪發(fā)電 波能轉(zhuǎn)換裝置 發(fā)展方向 趨勢

中圖分類號：P743 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（c）-0072-02

Typical of wave power device and its development trend

Yang Jiawu Xin Yuchao Yang Fan

（The northeast forestry university， mechanical and electrical engineering college ，Harbin heilongjiang ，150040，China）

Abstract：As the environmental issues becoming serious increasingly and the dwindling fossil fuels becoming needed urgently， wave power， as a renewable green energy， is attracting more and more attention around the world.How to efficiently use the wave resource has become the countries seeking new energy on the road encountered a huge bottleneck， With the wave-to-energy conversion technology matures and the conversion efficiency increases gradually， This paper describes a typical use of wave power devices. It also analyzes the developing direction in the future.

Key Words：Wave power；Wave energy conversion device

近年來，由于環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，能源短缺的迫切需要，如何減少碳排放量，如何優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，減輕對傳統(tǒng)化石能源的依賴已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。為了解決這些問題，人們早已把可發(fā)展領(lǐng)域擴(kuò)展到可再生能源范圍，如太陽能，風(fēng)能等。海洋占據(jù)了地球71%的面積，集中了97%的水量，其中蘊(yùn)含著大量的能源與資源，隨著國際社會對海洋能關(guān)注度的不斷攀升，海洋開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，如今海洋已經(jīng)成為了研究開發(fā)可再生資源的熱點(diǎn)對象。

海洋能源主要指的是海洋中依附于海水所特有的的可再生能源，例如潮汐能、海流能、溫差能、潮流能、波浪能和鹽差能等。其中波浪能是品位最高的海洋能[1]，因?yàn)樗陂_發(fā)的過程中對環(huán)境的影響和破壞作用最小而且是以機(jī)械能的形式存在。有研究報(bào)道，全世界的波浪能儲量理論值約為109kW量級，是現(xiàn)階段世界發(fā)電量的數(shù)百倍，有非常廣闊的應(yīng)用前景，因此成為了世界各國海洋能開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。

我國雖然是海洋大國，但對于海洋的開發(fā)利用起步比較晚，對于海浪發(fā)電技術(shù)的研究尚在試驗(yàn)階段，但隨著中國夢的提出，對于如何從海洋大國變成海洋強(qiáng)國，如何快速進(jìn)軍“藍(lán)色能源”領(lǐng)域已成為我國正在努力的方向，《國家“十二五”海洋科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》的頒布為也我國海洋事業(yè)的發(fā)展提供了巨大的政策支持，值此契機(jī)，我國對于海浪發(fā)電技術(shù)的研究與開發(fā)必將會有長足的進(jìn)步，在爭取早日實(shí)現(xiàn)中國夢的道路上，優(yōu)先實(shí)現(xiàn)我國的海洋夢。

1 海浪發(fā)電的典型裝置

波浪能開發(fā)利用的主要方式是海浪發(fā)電，通過研究發(fā)現(xiàn)，開發(fā)利用波浪能的裝置形狀各異，種類繁多，專利的發(fā)明也是數(shù)不勝數(shù)，這些裝置主要是根據(jù)以下幾種機(jī)理研發(fā)的，即利用物體在波浪作用下的振蕩和搖擺運(yùn)動產(chǎn)生的能量；利用波浪壓力的變化所產(chǎn)生的能量或者利用波浪的上升將波浪能轉(zhuǎn)換成水的勢能等[2]。自1970年到現(xiàn)在，波浪能發(fā)電裝置雖然種類繁多，但真正走出實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)逐步接近實(shí)用化水平，被認(rèn)為最具有應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的不外乎以下幾種，包括：振蕩水柱式裝置（oscillating water column wave energy converter以下簡稱OWC）、擺式裝置、筏式裝置、收縮波道裝置、振蕩浪涌轉(zhuǎn)換裝置、鴨式裝置等，其中OWC技術(shù)最為常用[3]。

1.1 振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置（OWC）

該轉(zhuǎn)換裝置根據(jù)振蕩水柱停泊的方式分成固定式和漂浮式。固定式又分為近岸式和離岸式兩種，裝置建造在岸邊的稱為近岸式，建造在海里的稱為離岸式[4]。振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置的原理及結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括前港、氣室、風(fēng)道及渦輪機(jī)。在入射波浪的作用下，氣室內(nèi)的水柱受力發(fā)生振蕩，使水柱上方的空氣往復(fù)地推動風(fēng)道，從而使渦輪機(jī)產(chǎn)生機(jī)械能量進(jìn)行發(fā)電。該裝置的特點(diǎn)是依靠波浪的共振作用來加強(qiáng)水柱震蕩。由于波浪的推動作用氣室內(nèi)的水柱進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動，且具有固定的頻率，當(dāng)入射波浪的頻率與水柱的固有頻率相同或者接近時(shí)，將會產(chǎn)生共振作用，使氣室內(nèi)水柱的振幅加大。有報(bào)道指出，當(dāng)水柱處于共振狀態(tài)時(shí)，入射波浪與水柱的共同作用使得入射波浪的波高增加，而振蕩體背部的波高減小，從而增加了波能轉(zhuǎn)換裝置的效率。

振蕩水柱式裝置的優(yōu)點(diǎn)是：裝置中相對脆弱的機(jī)械部分只與空氣接觸，不與波浪接觸，因此抗惡劣氣候的性能好，故障率低且使用壽命長。但其缺點(diǎn)也很明顯：（1）建造該裝置所話費(fèi)的費(fèi)用比較昂貴。（2）該裝置的轉(zhuǎn)換效率低，將波浪能轉(zhuǎn)換為電能的總效率約為10%～30%。

1.2 擺式波能轉(zhuǎn)換裝置

該裝置的原理是在波浪的推動下，將波浪能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或勢能，再利用裝置的運(yùn)動部件直接對外做功轉(zhuǎn)換為電能。屬于固定式波能轉(zhuǎn)換裝置，包括水室擺板機(jī)構(gòu)、機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、發(fā)配電機(jī)構(gòu)三個部分。首先，第一部分是實(shí)現(xiàn)波能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程，第二部分是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，第三部分是將電力輸送的過程[5]。其中第一部分是技術(shù)的關(guān)鍵所在，其中提高水動力與能量轉(zhuǎn)換效率是該裝置研究開發(fā)的重點(diǎn)。

擺式波能轉(zhuǎn)換裝置的優(yōu)勢有很多：結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，能夠適應(yīng)惡劣的海洋環(huán)境，且有較高的波能轉(zhuǎn)換效率。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率與振蕩水柱式裝置相比較不穩(wěn)定，受擺板后去流段長度的影響較大。

1.3 收縮波道式波能轉(zhuǎn)換裝置

該裝置的原理是基于聚波理論研發(fā)的。聚波理論最早是由來自挪威的Budal和Falnes提出。收縮波道式波能裝置及原理如圖2所示，該裝置具有一個高位水庫和一個收縮波道[6]。收縮波道是兩道呈對數(shù)螺旋形狀的正交曲面，用鋼筋混凝土做成，兩道墻在高位水庫內(nèi)相接，從海里一直延伸到高位水庫。當(dāng)波浪進(jìn)入收縮波道時(shí)產(chǎn)生聚波作用，增大波浪的高度越過鋼筋混凝土墻進(jìn)入高位水庫。然后通過一個低水位的水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

收縮波道式波能裝置的優(yōu)點(diǎn)為：沒有活動部件參與波能的轉(zhuǎn)換，出力穩(wěn)定，可靠性好，幾乎不受波高和周期的影響，維護(hù)費(fèi)用低，轉(zhuǎn)換效率在65%～75%之間。缺點(diǎn)為對地形和地勢要求極高，在一般海洋情況下不易廣泛推廣。

1.4 振蕩浮子式轉(zhuǎn)換裝置

振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置是現(xiàn)階段比較典型的轉(zhuǎn)換裝置，主要有英國Awsocean Energy公司研制的阿基米德波浪擺裝置，丹麥的Wave Star公司的Wave star裝置，美國的OPT（ocean power technologies）公司研制的裝機(jī)容量40kW的Power Buoy波力裝置，瑞典的Aqua buoy以及我國開發(fā)的50kW岸式振蕩浮子式波浪能電站等[7]。振蕩浮子式裝置的結(jié)構(gòu)以及原理如圖3所示。電磁轉(zhuǎn)換器隨著浮子運(yùn)動吸收能量，通過電磁轉(zhuǎn)換器將波浪能轉(zhuǎn)換成電能。

振蕩浮子式波能采集裝置的優(yōu)點(diǎn)是：所需成本、地形條件和建造難度均較低、轉(zhuǎn)化的效率較高；缺點(diǎn)是：浮子受外界沖擊容易發(fā)生損壞。該采集裝置所占面積較小，適用于一些提供電源的場合。

1.5 其他波能轉(zhuǎn)換裝置

除了上述裝置外，Salter“點(diǎn)頭鴨”式波能轉(zhuǎn)換裝置、整流式波能轉(zhuǎn)換裝置以及筏式與液壓系統(tǒng)的組合式等是目前應(yīng)用較為成功的波浪能轉(zhuǎn)換裝置，它們所利用的原理基本相同。從上文可以知道，振蕩水柱式波能裝置在實(shí)際應(yīng)用中是最普遍的波能裝置，因?yàn)樵撗b置在結(jié)構(gòu)上具有較好的可靠性等優(yōu)點(diǎn)在歐洲、日本、北美等這些波能密度高的國家得到廣泛應(yīng)用。但它的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率較低，投資費(fèi)用過高，在如中國這樣的波能密度較低的國家，采用這種低效、高成本的裝置就顯得不太理想，如何降低成本、提高轉(zhuǎn)換效率成為波浪裝置走向市場的關(guān)鍵。

2 海浪發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢

綠色能源的巨大儲量吸引了世界上越來越多國家的青睞，除了越來越受歡迎的太陽能和風(fēng)能，海洋能源也收到了眾多國家的青睞，各個國家紛紛在海域“跑馬圈地”，想從“藍(lán)色油田”中找到商機(jī)。事實(shí)上，全球都在思考如何“駕馭”擁有巨大能量的海浪，在海浪發(fā)電這一領(lǐng)域可謂是百家爭鳴，百花齊放，逐漸的呈現(xiàn)出發(fā)展方向多極化，觸及領(lǐng)域多樣化的發(fā)展趨勢，但由于海浪本身的不穩(wěn)定性和建造發(fā)電設(shè)施高昂的成本等因素的制約，海浪發(fā)電技術(shù)發(fā)展的總體趨勢仍然是向著高效率、高可靠性和低成本方向發(fā)展。

如果僅靠著單一的波浪能發(fā)電裝置方案，高昂的成本代價(jià)將很難維系其發(fā)展，而把海浪發(fā)電技術(shù)同更多的海洋資源、能源開發(fā)利用技術(shù)結(jié)合起來，不但可以降低其本身的開發(fā)成本，也使得整個體系發(fā)揮更強(qiáng)大的生命力。例如研發(fā)以海浪能發(fā)電技術(shù)為核心其他技術(shù)，如海水淡化，優(yōu)質(zhì)燃料的生產(chǎn)，利用深海水發(fā)展?jié)O業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)，壩區(qū)灘涂開發(fā)等，開發(fā)利用這些海洋能系統(tǒng)的副產(chǎn)品，研發(fā)轉(zhuǎn)換海浪能和海洋上豐富的太陽能、風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)。在有條件的海島上建立綜合利用可再生能源的示范基地以及為海上平臺（燈塔等）提供電源供應(yīng)等[8]。

3 結(jié)語

該文著重介紹了波浪發(fā)電的典型裝置，分析了波浪能研究與利用的發(fā)展方向，也對波浪能發(fā)電商業(yè)化進(jìn)程中可能遇到的問題進(jìn)行了簡單的闡述。

在能源結(jié)構(gòu)體系中，和常規(guī)能源相比，海浪能的利用可謂任重而道遠(yuǎn)，但隨著越來越嚴(yán)峻的能源危機(jī)，全球環(huán)境問題的不斷加劇，由于海洋巨大的能儲優(yōu)勢，海浪能的開發(fā)利用顯示出了巨大的發(fā)展空間，成為了全世界都在關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域，不論是對解決我國面臨的能源問題有重大的戰(zhàn)略意義，也對世界能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也有著不可替代的作用。

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