波浪能發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

劉延俊，賈　瑞，張　健

（1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 高效潔凈先進(jìn)制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東　濟(jì)南　250061；2.山東大學(xué) 海洋研究院，山東　濟(jì)南　250100）

波浪能發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

劉延俊1,2，賈瑞1，張健1

（1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 高效潔凈先進(jìn)制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250061；2.山東大學(xué) 海洋研究院，山東濟(jì)南250100）

海洋波浪能由于具有可再生、綠色環(huán)保和儲(chǔ)量豐富的特點(diǎn)，已經(jīng)引起越來越多國家的重視。文中介紹了波浪能的定義、成因和特點(diǎn)，對波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行分類總結(jié)，闡述各類裝置工作原理及特點(diǎn)?；谏鲜隹偨Y(jié)，分析了波浪發(fā)電裝置需要解決的問題，對世界波浪能發(fā)電裝置發(fā)展進(jìn)行展望。

波浪能；波浪能發(fā)電裝置；研究現(xiàn)狀；發(fā)展前景

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對能源的需求日益增長。但隨著傳統(tǒng)能源的日益短缺，能源問題逐漸成為世界性問題。為了解決能源供應(yīng)在社會(huì)發(fā)展中所遇到的瓶頸問題，尋找可替代、可再生、清潔的新能源已成為全球各國的共識(shí)。而海洋占據(jù)地球表面積的71%，蘊(yùn)藏著儲(chǔ)量巨大的可再生能源，主要包括海洋風(fēng)能、潮汐能、波浪能、海流能、溫差能和鹽差能等[1]。其中海洋波浪能在海洋中無處不在，洶涌澎湃的海洋波浪蘊(yùn)藏著極大的能量。據(jù)估算，全世界波浪能的理論值約為109kW量級，是當(dāng)今世界發(fā)電量的數(shù)百倍[2]。波浪能由于具有可再生、綠色環(huán)保和儲(chǔ)量豐富的特點(diǎn)，日益受到世界許多國家的重視。

1　波浪能簡介

波浪能是指海洋表面波浪所具有的動(dòng)能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運(yùn)動(dòng)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(fēng)把能量傳遞給海洋而產(chǎn)生的，它實(shí)質(zhì)上是吸收了風(fēng)能而形成的。能量傳遞速率和風(fēng)速有關(guān)，也和風(fēng)與水相互作用的距離（即風(fēng)區(qū)）有關(guān)。水團(tuán)相對于海平面發(fā)生位移時(shí)，使波浪具有勢能，而水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)則使波浪具有動(dòng)能。貯存的能量通過摩擦和湍動(dòng)而消散，其消散速度的大小取決于波浪特征和水深。深水海區(qū)大浪的能量消散速度很慢，從而導(dǎo)致了波浪系統(tǒng)的復(fù)雜性，使它常常伴有局地風(fēng)和幾天前在遠(yuǎn)處產(chǎn)生的風(fēng)暴的影響。波浪可以用波高、波長（相鄰的兩個(gè)波峰間的距離）和波周期（相鄰的兩個(gè)波峰間的傳播時(shí)間）等特征來描述。

波浪能作為一種可再生能源，相比于其他可再生能源（風(fēng)能、太陽能），具有以下優(yōu)點(diǎn)：①波浪能在可再生能源中具有最高的能量密度[3]；②波浪能開發(fā)利用中產(chǎn)生很小的負(fù)面環(huán)境影響[4]；③波浪傳輸很長的距離，而其能量的損失卻很小；④波浪能利用設(shè)備可以在90%的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，而風(fēng)能利用設(shè)備和太陽能利用設(shè)備只有約20%～30%的時(shí)間可以運(yùn)行[5]。

2　波浪能發(fā)電技術(shù)

波浪能利用裝置的種類繁多，有關(guān)波浪能裝置的發(fā)明專利超過1 500種，大部分的發(fā)明專利在日本、北美和歐洲申請。但這些裝置均是源于幾種基本原理，即：利用物體在波浪作用下的振蕩和搖擺運(yùn)動(dòng)；利用波浪壓力的變化；利用波浪的沿岸爬升將波浪能轉(zhuǎn)換成水的勢能等。

按照位置分類，波浪能發(fā)電裝置可分為：岸線波浪能利用裝置、近岸波浪能利用裝置和離岸波浪能利用裝置。按類型分類，波浪能發(fā)電裝置可分為：消耗式、截止式和點(diǎn)吸收式。

本文按照裝置的工作原理的不同，介紹波浪能發(fā)電裝置的研究現(xiàn)狀。

2.1擺式消耗型波浪能發(fā)電裝置

擺式消耗型波浪能發(fā)電裝置的原理是：在波浪的推動(dòng)下，使裝置的浮力擺隨著波浪的運(yùn)動(dòng)而來回?cái)[動(dòng)從而產(chǎn)生動(dòng)能，經(jīng)液壓缸加以收集后，再由設(shè)置在岸上的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。芬蘭AW-Energy公司總結(jié)發(fā)明并研制出全球第一臺(tái)利用海底波浪動(dòng)能來發(fā)電的裝置——WaveRoller，如圖1所示。2007年在葡萄牙Peniche對WaveRoller進(jìn)行了海試試驗(yàn)[6]。由于隨著水深的增加，流體質(zhì)點(diǎn)速度逐漸減小，故這類裝置只能安裝在淺水區(qū)域。這類裝置采用水下安裝，建造成本較高，維護(hù)也較困難。

圖1　WaveRoller

2.2擺式截止型波浪能轉(zhuǎn)換裝置

擺式截止型波浪能發(fā)電裝置是利用裝置的運(yùn)動(dòng)部件，在波浪的推動(dòng)下，通過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,如圖2所示。擺式截止型發(fā)電裝置的液壓部件一般是與裝置的擺體的軸相連接，將擺體動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤毫?，用來發(fā)電。擺體的鐘擺式規(guī)律運(yùn)動(dòng)符合波浪推力大和頻率低的特點(diǎn)[7]。因此，擺式截止型波浪能發(fā)電裝置轉(zhuǎn)換效率較高，頻率響應(yīng)范圍寬，結(jié)構(gòu)簡單易制造。但由于設(shè)備處于海洋環(huán)境中，裝置內(nèi)機(jī)械、液壓等部件容易損壞，維修難度較大，成本較高。

圖2　擺式截止型波浪能發(fā)電裝置示意圖

2.3漂浮式擺式消耗型波浪能轉(zhuǎn)換裝置

此類型裝置是完全封閉的，浮動(dòng)窗體內(nèi)部有一個(gè)可以移動(dòng)的質(zhì)量體，當(dāng)波浪作用在移動(dòng)船體上時(shí)，移動(dòng)船體和其內(nèi)部的移動(dòng)質(zhì)量體開始做相對運(yùn)動(dòng)，兩者的相對運(yùn)動(dòng)通過液壓裝置（PTO）驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[8-9]。如圖3所示。裝置所有的移動(dòng)部件都在浮動(dòng)船體內(nèi)，移動(dòng)部件不與海水接觸，避免了海水的侵蝕，維護(hù)費(fèi)用和抗擊自然災(zāi)害的能力較強(qiáng)。內(nèi)部質(zhì)量體的運(yùn)動(dòng)壓縮液壓油，不論質(zhì)量體如何運(yùn)動(dòng)，液壓缸都不會(huì)滿沖程，所以避免對液壓缸端點(diǎn)的沖擊，這樣也增強(qiáng)了裝置適應(yīng)惡劣海況的能力。

圖3　漂浮擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置

但是為了在波浪作用時(shí)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，需要將裝置的尺寸設(shè)計(jì)得很大，建設(shè)成本很高。而且海浪的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)使得擺的擺動(dòng)時(shí)間與海浪的運(yùn)動(dòng)時(shí)間不一致，會(huì)使得發(fā)電效率較低。

2.4消耗型筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置

筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置由鉸接的閥體和液壓系統(tǒng)組成。裝置漂浮于海面，液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)置于鉸接處，波浪帶動(dòng)筏體沿著鉸接處彎曲，轉(zhuǎn)換為液壓力，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。圖4為海蛇波浪場示意圖。

圖4　海蛇波浪場示意圖

消耗型筏式波浪能裝置的優(yōu)點(diǎn)是具有較好的整體性，抗波浪沖擊能力較強(qiáng)，具有較好的能量傳遞效率，發(fā)電穩(wěn)定性好。但其長度方向順浪布置，迎波面較小，與垂直于浪向的同等尺度的波浪能裝置相比，筏式裝置吸收波浪能的能力較為遜色，單位價(jià)值材料所獲取的能量較小，導(dǎo)致實(shí)體尺寸過大[10]。

2.5鴨型波浪能轉(zhuǎn)換裝置

此裝置的形狀和運(yùn)行特性類似鴨的運(yùn)動(dòng)，故稱為鴨式波浪能發(fā)電裝置，如圖5所示。該裝置用浮子繞中心軸線的縱搖代替升降，利用入射波的運(yùn)動(dòng)使得動(dòng)壓力有效地推動(dòng)鴨身繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，流體靜壓力的改變也使接近鴨嘴的浮體部分作上升和下沉往返運(yùn)動(dòng)，由于這兩種壓力所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)是同相位的，在波浪運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)，點(diǎn)頭鴨將動(dòng)能和位能二者同時(shí)通過液壓裝置轉(zhuǎn)化出去，然后再由液壓/電力系統(tǒng)把動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能。鴨型波浪能轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換效率較高，理想情況下接近90%，但在不規(guī)則波作用下，系統(tǒng)效率較低[11]。但裝置較復(fù)雜，可靠性較差，結(jié)構(gòu)脆弱，安全性較低。

圖5　鴨式波浪能轉(zhuǎn)換裝置

2.6振蕩水柱式波浪能轉(zhuǎn)換裝置

振蕩水柱式波浪能轉(zhuǎn)換裝置是通過波浪的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換為空氣的運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行發(fā)電的。原理如圖6所示。在波浪力的作用下，氣室中的水柱上下運(yùn)動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換為空氣的壓力和動(dòng)力，來推動(dòng)空氣渦輪運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行發(fā)電。振蕩水柱波浪能轉(zhuǎn)換裝置的優(yōu)點(diǎn)是關(guān)鍵轉(zhuǎn)換裝置不與海水接觸，壽命長，可靠性高，主要部件工作在水面以上，便于檢查維修。但此類裝置轉(zhuǎn)換效率較低，建造難度較大，成本較高。

圖6　振蕩水柱式波浪能轉(zhuǎn)換裝置

2.7振蕩浮子式點(diǎn)吸收型波浪能轉(zhuǎn)換裝置

振蕩浮子式裝置是在振蕩水柱式裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置，由浮體、能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)和保護(hù)裝置等部分構(gòu)成。浮體在波浪作用下上下運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換為液壓或機(jī)械能進(jìn)行發(fā)電。由于其較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的建造成本，在世界上引起了廣泛重視，英國的阿基米德波浪擺、美國的PowerBuoy等已經(jīng)建成，如圖7～圖8所示。

圖7　阿基米德波浪擺

圖8　PowerBuoy

3　波浪能發(fā)電裝置存在的問題及前景展望

雖然波浪能發(fā)電裝置種類繁多，波浪能發(fā)電裝置的研究與開發(fā)已取得了一定的成果，但是相比于太陽能、風(fēng)能等清潔能源，并沒有在生活中普及開來，主要是存在以下問題：

（1）可靠性。波浪發(fā)電裝置工作于海洋環(huán)境中，巨浪、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣將會(huì)造成裝置的破壞、失效或者下沉；由于海水的腐蝕性和海洋生物附著，會(huì)使得波浪發(fā)電裝置部件失效等。因此，在海洋惡劣環(huán)境中，波浪發(fā)電裝置的生存可靠性較低，這是波浪能發(fā)電裝置必須解決的難題。

（2）穩(wěn)定性。海洋所蘊(yùn)藏的可再生能源中，波浪能是最不穩(wěn)定的能源，它不能定期產(chǎn)生，而且時(shí)刻在變化。大多數(shù)波浪能發(fā)電裝置是采用三相交流發(fā)電機(jī)，但波浪的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，使得發(fā)電機(jī)輸出電壓的幅值、頻率及相位均不穩(wěn)定，導(dǎo)入電網(wǎng)會(huì)增加電壓控制難度。

（3）發(fā)電效率。波浪能發(fā)電裝置需要將波浪能進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換、中間轉(zhuǎn)換和二次轉(zhuǎn)換，波能轉(zhuǎn)換效率過低，能量消耗大[12]。而且，海洋波浪的時(shí)刻變化，波浪能的能量分散不易集中，會(huì)造成裝置的發(fā)電效率較低。

（4）發(fā)電成本。波浪能發(fā)電的廣泛普及面臨的最大問題就是波浪能發(fā)電裝置的成本太高。據(jù)有關(guān)專家計(jì)算，海洋波浪能的發(fā)電成本比常規(guī)熱電高出10倍[7]。而且，由于波浪能發(fā)電裝置尺寸較大，建造、布放和維修成本都較高，波浪能發(fā)電裝置在商業(yè)應(yīng)用的道路上還有很長的路要走。

隨著波浪能技術(shù)研究的進(jìn)步，波浪能利用技術(shù)已經(jīng)歷了理論研究、裝置發(fā)明、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?、海況實(shí)驗(yàn)等階段，取得了一定進(jìn)展，但與風(fēng)能、太陽能相比，波浪能發(fā)電裝置還遠(yuǎn)沒有達(dá)到民間普及狀態(tài)。因此，世界各國都在積極研究多種多樣波浪能發(fā)電的高新技術(shù)，來提高波浪能發(fā)電裝置的生存能力、發(fā)電效率和可靠性，降低發(fā)電成本。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對能源的需求會(huì)越來越大。人類將會(huì)面臨化石資源枯竭、環(huán)境污染、地球變暖等后果。因此，積極開發(fā)波浪能等可再生能源將是未來獲取能源的重要手段，加大對波浪能研究、開發(fā)和利用對國家能源長期發(fā)展具有重要意義。

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Research Status and Prospect of the Wave Power Generation Technology

LIU Yan-jun1,2,JIA Rui1,ZHANG Jian1
1.School of Mechanical Engineering,Shandong University,Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture, Ji'nan 250061,Shandong Province,China; 2.Institute of Marine Science and Technology,Shandong University,Ji'nan 250100,Shandong Province,China

Ocean wave power has been concerned by more and more countries since it is recognized as a clean, green,renewable and eco-friendly energy.This paper introduces the definition,genesis and characteristics of wave energy,classifies and summarizes various wave power generation devices,and elaborates their working principles and features.In addition,this paper indicates the key problems that need to be addressed,and looks to the future development trend of wave power generation devices in the world.

wave energy;wave power generation device;research status;prospect

P743.2

A

1003-2029（2016）05-0100-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.020

2016-03-06

山東大學(xué)前沿和新興學(xué)科團(tuán)隊(duì)導(dǎo)向類項(xiàng)目資助（2014QY006）；山東大學(xué)交叉學(xué)科培育項(xiàng)目資助（2016JC035）

劉延?。?965-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)椴ɡ四馨l(fā)電技術(shù)、深海探測技術(shù)與裝備開發(fā)、流體動(dòng)力控制。E-mail：lyj111ky@163.com