波浪能發(fā)電裝置綜述

王世明　楊倩雯

【摘 要】隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展、人口的激增和社會的進步，人類對能源的需求日益增長，波浪能因為優(yōu)越的可再生性、環(huán)保性及巨大的貯藏量而成為重點研究對象。近年來，對于波浪能的開發(fā)與利用的技術上發(fā)展非常迅猛，取得了相當卓越的進步。本文將對波浪能能源概況進行介紹，著重分析幾種不同原理波浪能發(fā)電裝置的關鍵技術，并對相關利用方式以及效率數(shù)據(jù)進行舉例分析。我國現(xiàn)已成為世界第二經(jīng)濟大國，對能源需求進一步增大?；Y源屬不可再生資源，難以滿足能源進一步需求，且化石資源大規(guī)模利用必加重環(huán)境污染，加速地球變暖?？梢姡祟悓Σɡ四艿瓤稍偕鍧嵞茉吹男枨蟊厝辉鰪?，從長遠來看，波浪能的利用具有重大潛力，加大波浪能研究開發(fā)具有重要的意義。

【關鍵詞】波浪能；發(fā)電裝置

1 波浪能概述

波浪所蘊涵的能量主要是是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面的寬度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源。波浪能是由風把能量傳遞給海洋而產(chǎn)生的，它實質上是吸收了風能而形成的。能量傳遞速率和風速有關，也和風與水相互作用的距離有關。臺風導致的巨浪，其功率密度可達每米迎波面數(shù)千kW，而波浪能豐富的歐洲北海地區(qū)，其年平均波浪功率也僅為20-40kW/m中國海岸大部分的年平均波浪功率密度為2-7kW/m。全世界波浪能的理論估算值也為109kW量級。利用中國沿海海洋觀測臺站資料估算得到，中國沿海理論波浪年平均功率約為1.3107kW。但由于不少海洋臺站的觀測地點處于內灣或風浪較小位置，故實際的沿海波浪功率要大于此值，其中浙江、福建、廣東和臺灣沿海為波能豐富的地區(qū)。

波浪能發(fā)電一般是利用波浪的推動力，使波浪能轉化為推動空氣流動的壓力（原理與風箱相同，只是用波浪做動力，水面代替活塞），利用海面波浪的垂直運動、水平運動和海浪中水的壓力變化產(chǎn)生的能量推動空氣渦輪機葉片旋轉而帶動發(fā)電機發(fā)電。波浪能發(fā)電系統(tǒng)一般包括能量采集系統(tǒng)和能量轉換系統(tǒng)，能量吸收裝置吸收波浪能并將其轉換成規(guī)則運動形態(tài)（如直線運動、圓周運動）的機械能，再通過能量轉換裝置將規(guī)則運動形態(tài)的機械能轉換成電能輸出。

2 波浪能開發(fā)意義

海洋占地球表面積70%，集中了97%的水量，蘊藏著大量的能源，包括波浪能、潮汐能、海流能、溫差能、鹽差能等。其中，波浪能由于開發(fā)過程中對環(huán)境影響小且以機械能形式存在，是品位最高的海洋能。利用波浪能發(fā)電可為邊遠海島和海上設施等提供清潔能源，還可利用波浪能提供的動力進行海水淡化，從深海提取低溫海水進行空調制冷以及制氫等。因為太陽輻射的不均勻加熱與地殼冷卻及地球自轉造成風，風吹過海面又形成波浪，因此海洋波浪是由太陽能源轉換而成的，波浪所產(chǎn)生的能量與風速成一定的比例。波浪能是近期在海洋能源利用中研究最多的能源形式，因為其是海洋能蘊藏最為豐富的能源之一，隨著人類不斷的研究與試驗，波浪能的利用也慢慢走向了商業(yè)化的道路。

波浪能比較其他能源有如下優(yōu)點：（1）分布最廣；（2）可再生，只要有太陽能的存在，即會產(chǎn)生風能，從而會不斷地產(chǎn)生波浪能；（3）波能流密度最大，最高在某些地方可達到100kW/m，可利用程度非常高；（4）潔凈無污染；（5）有按周期性變化的規(guī)律可循，從而為其標準化利用打下基礎；（6）以機械能形式出現(xiàn)，是海洋能中品位最高的能量。波浪能的這些優(yōu)點意味著：波浪能相對其他海洋能源，利用更加方便，裝置可以更加小巧廉價，可以為沿海地區(qū)、海洋平臺和遠海領域的提供能源。

3 波浪能發(fā)電技術原理及波能轉化裝置分類

波浪能發(fā)電系統(tǒng)有很多種形式，總體上可以分為三級，第一級與波浪直接接觸捕獲波浪能，將波浪能轉換成發(fā)電系統(tǒng)所能接受的實體能量，通常表現(xiàn)為在波浪運動下的起伏機械能，如浮子、擺板等裝置；第二級為中間轉化和傳輸系統(tǒng)，把起伏的機械能傳輸?shù)降谌龢O進行發(fā)電；第三級即發(fā)電系統(tǒng)和輸出電力系統(tǒng)，通常為發(fā)電機。這三級是相互聯(lián)系，相互作用的。最重要的是第一級的波浪能捕獲系統(tǒng)，波浪能捕獲的多少直接影響到后面二、三級系統(tǒng)的轉化效率和發(fā)電量。第二級主要起穩(wěn)向、增速、穩(wěn)速的作用。第一級與第二級之間很多時候具有一定的距離，必須有第二級在兩者之間起到連接和能量傳遞作用。

第一級轉化是：捕捉波浪的垂蕩運動或水平運動的能量轉化為發(fā)點裝置所持有的能量。這樣，波浪能發(fā)電系統(tǒng)必須有一對實體去接觸波浪能，即接觸波能體（受能體）和定體，受能體直接接觸波浪運動，捕捉波浪傳來的能量，定體相對于受能體是固定的，運動與受能體一致或滯后一個相位差。一般而言，受能體以定體是多種做樣、各種形式的，通過這個組合來實現(xiàn)第一級能量轉換。

第二級中間轉化是：可以認為它是一、三級之間的“橋梁”，把第一級和第三極能量轉換連接起來。第一級轉換的波浪能一般是不穩(wěn)定的，達不到最終轉換的動力機械的要求。中間轉換系統(tǒng)主要起著穩(wěn)向、增速和穩(wěn)速的關鍵作用，另外有的波能發(fā)電裝置如離岸式波能發(fā)電裝置第一級與第三極之間有一段距離，此時，中間轉換還起著能量儲存和運輸作用。中間轉換裝置按照不同的實體可以分為：機械式、水力式、氣動式等。

第三極轉換裝置即終極轉化是：把機械能轉換成電能，基本上采用常規(guī)技術發(fā)電，最新的發(fā)電技術有液態(tài)金屬磁流體發(fā)電技術等，應為發(fā)電機是在工況變化大的環(huán)境下工作，發(fā)電效率會受到一定影響，不會很高。最終轉換也可以不發(fā)電，直接把機械能輸送到工作裝置，這樣可以省去機械能—電能—機械能環(huán)節(jié)，能夠簡化結構，提高效率。

長期以來，世界各地出現(xiàn)了形形色色的海洋波能轉換裝置，其種類是各種海洋開發(fā)裝置中最多的，因此對它們進行分類的標準也很多。按照工作的場所，可以分為海岸式波浪能轉換裝置和海洋式波浪能裝換裝置；按照波浪能轉換裝置吸收波浪能的方式來分的話，大略可以分為垂直擺蕩式、空腔共振式、壓力式等。

（1）浮體

用于安裝發(fā)電設備，使裝置能浮于海面，為漂浮式的波浪能發(fā)電裝置所必須。浮體必須具有一定的容積與浮力，結構要堅固，能耐海水腐蝕，外形能適應波浪環(huán)境；還要能承載全部發(fā)電設備，使整個裝置浮動于海面之上。

（2）波浪能接收器

用于接收或吸收波浪的能量。由于波浪能是一種散布在海面的低密度能量，故該部件尺寸要足夠大，或組成陣列，以吸收較多的波浪能。波浪能接收器吸收波浪能力的效率低是衡量整個裝置性能優(yōu)劣的主要指標。

（3）波力放大器

這是由波浪能接收器所吸收的分散波浪能變成集中能量的設備，其作用是把波浪能接收器接收的分散的波浪能變成集中地能量。通常用氣筒、油壓泵、水壓泵等來完成。例如在氣柱振蕩式波浪能發(fā)電裝置中，需要把流經(jīng)空氣渦輪的氣流速度加大，最多從lm/s左右提高到lOOm/s，才能驅動空氣渦輪高速旋轉，帶動發(fā)電機發(fā)電。

（4）原動機一發(fā)電機

它們的作用是完成波浪能向電能的裝換。原動機可用空氣渦輪、液壓馬達、水輪機等。發(fā)電機可用交流發(fā)電機，也可用直流發(fā)電機。

（5）電器控制與自動控制設備

主要用來保護整個裝置，在無人看管的條件下正常運行。例如在惡劣的海況條件下運轉、防護海水的侵蝕、在潮濕環(huán)境中保持電氣設備的良好絕緣性能等。

（6）錨泊系統(tǒng)

漂浮式波浪發(fā)電裝置必須在海面上定位，才能正常運轉發(fā)電。這就必須通過纜繩和錨將整個裝置系在海底。這就是錨泊系統(tǒng)的作用。

根據(jù)國際上最新的分類方式，波浪能技術分為：振蕩水柱技術、振蕩浮子技術和越浪技術。其中振蕩水柱技術利用波浪驅動氣室內水柱往復運動，再通過水柱驅動氣室內的空氣，進而由空氣驅動葉輪，得到旋轉機械能，進一步驅動發(fā)電裝置，得到電能。這種技術可靠性較高，但效率低。振蕩浮子技術利用波浪的運動推動裝置的活動部分產(chǎn)生往復運動，驅動機械系統(tǒng)或油、水等中間介質的液壓系統(tǒng)，再推動發(fā)電裝置發(fā)電。越浪技術是利用水道將波浪引入高位水庫形成水位差（水頭），利用水頭直接驅動水輪發(fā)電機組發(fā)電。

1）振蕩水柱式波浪轉化裝置

振蕩水柱技術是利用一個水下開口的氣室吸收波能的技術。波浪驅動氣室內水柱往復運動，再通過水柱驅動氣室內的空氣，進而由空氣驅動葉輪，得到旋轉機械能，或進一步驅動發(fā)電裝置，得到電能。

隨著研究的發(fā)展和深海開發(fā)的需要，漂浮式振蕩水柱的研究也開始出現(xiàn)。對漂浮式波能轉換裝置的研究成果主要有三類，BBDB，Sloped Buoy和Spar Buoy。日本學者Yoshio Masuda對固定式振蕩水柱波能轉換裝置進行了改進設計，出現(xiàn)了后彎管浮子（BBDB）式漂浮式振蕩水柱型波能轉換裝置。中國、韓國、丹麥和愛爾蘭等國家都對這種類型的波能轉換裝置進行了研究和實驗，目前最主要的應用主要是海上航標燈。2006年愛爾蘭建成了一座1/4比例的海試模型。Might Whale是日本建造的漂浮振蕩水柱式波能轉換裝置，長50m，寬30m，吃水12m，排水量約4400t，裝機功率110KW。于1998年建造成功并開始運行。其工作原理同1976年建造的Kaimei相同，不同的是Kaimei的發(fā)電機是縱向布置的，前排的發(fā)電量較大，后面的就相對較小。而Might Whale則改變了這一布置方式，采用并排布置，提高了波能的發(fā)電效率。Sloped Buoy和Spar Buoy也是基于振蕩水柱的概念而設計的波能轉換裝置，這兩種類型的裝置研究文獻和工程應用相對較少。

我國對振蕩水柱波能轉換裝置的研究主要由中科院廣州能源所承擔，從20世紀90年代至今已經(jīng)建成的主要有珠海大萬山3KW波力電站，1996年升級至20KW。2001年在廣東省汕尾市遮浪鎮(zhèn)建成了首臺100KW的振蕩水柱式波能發(fā)電裝置。

振蕩水柱式裝置的最大優(yōu)點就是：透平機組等相對脆弱的機械部分只與往復流動的空氣接觸，不與波浪接觸，因而比與波浪直接接觸的直接式波能裝置的抗惡劣氣候性能好，故障率低。但其缺點也很明顯，（1）建造費用昂貴。固定式裝置通常是用鋼筋混凝土澆筑而成。由于施工環(huán)境惡劣，建造氣室等水下結構時風險較高，因此除了材料成本外，還要考慮天氣等因素的影響所造成的機械、人工停工等待及返工的費用。而漂浮式裝置成本主要體現(xiàn)在材料上。漂浮式裝置一般為鋼結構的，再加上其系泊系統(tǒng)，造價并不比固定式的便宜。（2）轉換效率低。該裝置通過壓縮空氣驅動透平對外做功，由于往復流中空氣透平的效率較低，裝置將波浪能轉換為電能的總效率約為10%-30%。就不同類型的振蕩水柱式波能裝置而言，固定式裝置通常比漂浮式裝置的轉換效率高些，抗風浪能力強些，且易于管理。但固定式裝置通常要現(xiàn)場施工，受天氣、海浪、漲落潮等自然因素影響較大，建造的質量難以保障，失敗的可能性較大。而漂浮式波能裝置可以在船廠建造，施工條件較好，建造質量高，但效率稍低，抗浪能力較差，電能需要通過海底電纜輸出或就地使用，不易于管理。

2）振蕩浮子式波能轉換裝置

振蕩浮子技術是利用波浪的運動推動裝置的活動部分——鴨體、筏體、浮子等產(chǎn)生往復運動，驅動機械系統(tǒng)或油、水等中間介質的液壓系統(tǒng)，再推動發(fā)電裝置發(fā)電。振蕩浮子技術包括鴨式、筏式、浮子式、擺式、蛙式等諸多技術。在歐洲，振蕩浮子式波能裝置被稱為第三代裝置，與固定在岸邊的第一代波浪能裝置和離岸但轉換效率不高的第二代波浪能裝置相比，主要有以下優(yōu)勢：

①因為與波浪直接接觸，能量轉換次數(shù)少，多利用振動本身轉化電能，所以能量轉換效率較高；②振蕩浮子波能發(fā)電裝置的單體占用面積小，對波浪場的影響小，對海洋水動力環(huán)境的影響一般可忽略不計；③振蕩浮子形式靈活，還可以結合波浪水文條件進行點陣化設計排布，整個組合型裝置的總功率與浮子個數(shù)的多少有關，結構形式多樣。同時受水深條件的限制小，特別是在超過40m的深水區(qū)也可以正常工作。但與第一代波能裝置相比，振蕩浮子式裝置結構部件較多，加之錨固系統(tǒng)較復雜，因此近年來才得到較大發(fā)展。目前，該類裝置的研發(fā)主要集中在歐美日等國家。

目前波浪發(fā)電的主要問題是能量轉換效率低，導致發(fā)電成本高。效率包括從波浪能到機械能，以及從機械能到電能的轉換過程。由于波浪的變化性以及機械裝置的慣性，從運動的波浪中攝取最多的能量是一個復雜的系統(tǒng)控制問題。針對效率問題的研究，已有很多專家提出基于裝置的設計和優(yōu)化的解決方案，但大都是基于浮子的設計和優(yōu)化的解決方案。

3）越浪式波能轉換裝置

越浪技術是利用水道將波浪引入高位水庫形成水位差（水頭），利用水頭直接驅動水輪發(fā)電機組發(fā)電。越浪式波能發(fā)電裝置較其他形式的波能轉換裝置有其明顯優(yōu)勢，引浪面及蓄水池提供的穩(wěn)定水頭，將不穩(wěn)定的波浪能轉換為平穩(wěn)而持續(xù)輸出的電能，可克服波能發(fā)電過程中輸出功率不穩(wěn)定的問題。同時，該裝置可與防波堤等海工建筑物聯(lián)合開發(fā)，從而大大降低投入成本。越浪型波能發(fā)電裝置已成為世界各國的研究熱點。

4 我國波浪能發(fā)展現(xiàn)狀及前景

我國波浪能發(fā)電技術研究始于20世紀70年代，于1975年研制成1臺1kW的波浪能發(fā)電浮標，在浙江省嵊山島進行了試驗。80年代以后獲得較快發(fā)展，1984年廣州能源所研制成功6W小型波浪能發(fā)電裝置，用于導航燈標，隨后按不同導航燈標的要求，又開發(fā)了系列產(chǎn)品。目前在我國沿海航線已安裝了數(shù)百臺這種小型波浪能發(fā)電裝置.與日本合作研制的后彎管型浮標發(fā)電裝置，已向國外出口，該技術屬國際領先水平。

中國第一座試驗波浪能電站位于南中國海的珠海市大萬山島，1989年試建成功。裝機容量為3kW的多振蕩水柱型沿岸固定式波浪能電站。1989年，1990年及1991年分別對其做了三次海上運行試驗，研究了實海況下氣室、透平及電機的性能.試驗結果表明，該電站具有很好的實海況性能。波浪能電站的平均“總效率”大都在10%～35%，最大值接近40%.在該電站原有結構基礎上，廣州能源研究所已將其改建成一座20kW的波浪能電站，并于1996年2月試發(fā)電成功，逐步完善后將向島上提供補充電源。

總而言之，我國波浪能發(fā)電雖起步較晚，但發(fā)展很快。微型波浪能發(fā)電技術已經(jīng)成熟，小型岸式波浪能發(fā)電技術已進入世界先進行列。在波浪能發(fā)電規(guī)模方面，世界上已從102kW，103kW級發(fā)展到104kW級的應用，而我國目前仍停留在10kW，102kW級的水平上，至2020年的遠景目標也只是發(fā)展到102kW～103kW級的波浪能電站，波浪能開發(fā)的規(guī)模遠小于挪威，英國等，因此小型波浪能發(fā)電距實用化尚有一定距離。

海水淡化、波能供給對于解決邊遠海島和臨海干旱國家的能量供應有重要意義。當前，人類對淡水需求日益增加，海水淡化能夠大大緩解人們淡水需求的壓力。特別對于偏遠島嶼而言，波能發(fā)電裝置可實現(xiàn)電能供給和淡水供應，可促進島嶼的開發(fā)與利用。

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[責任編輯：楊玉潔]