淺談海浪發(fā)電技術(shù)

蘇維成+吳有志+張勇+楊杰

摘 要；海浪發(fā)電指的是依靠海洋波浪來(lái)發(fā)動(dòng)電力資源，而海洋波浪潛藏著巨大能量，并且是源源不斷的可用自然清潔能源。文章通過(guò)介紹海浪發(fā)電裝置的設(shè)施構(gòu)造、用途功能、國(guó)內(nèi)外對(duì)比現(xiàn)狀，還有未來(lái)發(fā)展前景，具體的分析了海浪能發(fā)電的理論研究和具體實(shí)踐的發(fā)展方向，得出了海浪發(fā)電技術(shù)對(duì)未來(lái)國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響的理論。

關(guān)鍵詞：能源；方向；海浪

中圖分類號(hào)：P743.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）34-0025-02

海浪是海水的波動(dòng)現(xiàn)象。由于近岸海域海底具有坡度和復(fù)雜的地貌，深海涌浪傳來(lái)后，被分解為水平和上下兩種海水運(yùn)動(dòng)。每個(gè)海浪的波峰形成向岸運(yùn)動(dòng)的水流，波谷則形成后退的水流，當(dāng)相鄰前進(jìn)和后退海浪相遇時(shí)，就“合成”為夸張的一道道從不重復(fù)的“海波”，其大小、長(zhǎng)短和位置都從不重復(fù)，所以其實(shí)我們常說(shuō)的“無(wú)風(fēng)起浪”和“無(wú)風(fēng)三尺浪”的說(shuō)法沒有錯(cuò)，事實(shí)海上有風(fēng)沒風(fēng)都會(huì)出現(xiàn)波浪。

當(dāng)海面上刮風(fēng)產(chǎn)生了海浪的時(shí)候，水能就以海浪產(chǎn)生的動(dòng)能的形式來(lái)表現(xiàn)出來(lái)，曾經(jīng)有人對(duì)世界上各大海洋大約海浪高度為1米，周期1秒的海浪進(jìn)行估計(jì)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，全球海浪能功率大約為700億千瓦，有25億千瓦可以被開發(fā)利用，與潮汐能相似。海浪中有如此多的豐富的能量，如果將海浪中的這些動(dòng)能變成了人類使用的電能，把這些曾經(jīng)危害人類的“大風(fēng)大浪”轉(zhuǎn)化成為人類服務(wù)的能量，海浪發(fā)電是繼風(fēng)力及太陽(yáng)能發(fā)電后，成為致力于開發(fā)利用可再生能源的主要渠道之一。海浪發(fā)電裝置可充分利用海岸線和充足陽(yáng)光的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)可再生能源，海浪發(fā)電不同于風(fēng)力發(fā)電，雖然都是可再生自然清潔能源，但是兩者的發(fā)電量卻存在極大不同。首先，兩者位置都是固定的，雖然風(fēng)力和海浪時(shí)大時(shí)小，但總體來(lái)說(shuō)，還是風(fēng)力較弱些，而海浪則可以說(shuō)是無(wú)時(shí)無(wú)刻的。雖然說(shuō)海浪也是依靠風(fēng)力大小而引起波動(dòng)的，但是同樣能量下，海浪發(fā)電的功率則會(huì)大些。能量密度高加上有浪時(shí)間長(zhǎng)，算下來(lái)全年的發(fā)電量是很客觀的。而海浪能，其實(shí)就是利用海浪巨大的沖擊力沖擊特定裝置，使裝置運(yùn)行把這股沖擊力轉(zhuǎn)化成電能，供人類家庭用電或者工業(yè)生產(chǎn)，極大的節(jié)約能源，同時(shí)有效地保護(hù)自然環(huán)境，海浪具有面積廣、沖擊力大、能量轉(zhuǎn)換形式清晰等一系列優(yōu)點(diǎn)。雖然一些深海的海洋能量是難以利用的，但在靠近海岸線的地方的波浪能可以作為有效的資源。一些情況比較好的沿海地區(qū)的波浪能資源儲(chǔ)蓄量大概也有2TW，保守估計(jì)，世界上能夠被開發(fā)利用的波浪能能夠達(dá)到2.5TW。在碧波萬(wàn)頃的海洋里， 海浪巨大的沖擊力有著無(wú)限的開發(fā)潛力！

針對(duì)海浪發(fā)電系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，我們已經(jīng)確定了兩種有效的方案，圓桿運(yùn)動(dòng)方案和球殼運(yùn)動(dòng)方案。這兩種方案的傳動(dòng)都是機(jī)械類傳動(dòng)，兩者的方案后期都大致一樣，都是當(dāng)能量達(dá)到一定程度以后，可以將能量匯總到幾個(gè)相同的功能載體，這樣可以有效地實(shí)現(xiàn)能量的匯流轉(zhuǎn)動(dòng)。

先說(shuō)圓桿運(yùn)動(dòng)方案，首先在淺海中構(gòu)架起一個(gè)連架臺(tái)，圓桿是其內(nèi)部的重要組成部分，桿內(nèi)施加磁場(chǎng)，當(dāng)海浪打在浮子上，圓桿上下移動(dòng)切割磁場(chǎng)內(nèi)的磁感線，將其中切割磁感線所產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)化成電能，由于浮子的頻率與海浪相差無(wú)幾，產(chǎn)生共振現(xiàn)象其震動(dòng)幅度也會(huì)相應(yīng)地增大。

球殼運(yùn)動(dòng)是通過(guò)使球殼在海浪中來(lái)回運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行發(fā)電的裝置，由于球殼內(nèi)有其他重物使重物的速度與球殼本身速度不一致，這樣可以使重物發(fā)生擺動(dòng)，通過(guò)增速裝置，超越離合器將重物的擺動(dòng)轉(zhuǎn)化為單一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，然后傳遞給發(fā)電機(jī)發(fā)電，由于擺動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩比較大，如圖所示，使其通過(guò)海浪里進(jìn)行分流發(fā)電，因?yàn)檠b置存在于球殼內(nèi)部，從而不用擔(dān)心發(fā)電裝置是否會(huì)生銹。對(duì)外界破壞具有較強(qiáng)的抵抗力，如果遇到一些自然災(zāi)害，可以通過(guò)向水艙內(nèi)注水使球殼下沉到水面以下，避免球殼受損害，從而實(shí)現(xiàn)有效持續(xù)發(fā)電供給。

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。振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置主要包括前港、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(dòng)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(lái)加強(qiáng)水柱的動(dòng)蕩，氣室內(nèi)的水柱被波浪推動(dòng)從而做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且擁有特定的頻率。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(huì)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)水柱在共振狀態(tài)的情況下，水柱波浪與入射波浪一起相互作用，讓入射波浪的波浪高度有所增加，但振蕩體背部的波浪高度卻有所減小，從而可以增加波能轉(zhuǎn)換裝置的效率。

將海浪轉(zhuǎn)化成供人們使用的能量，源源不斷地供人類使用，是人們多年來(lái)夢(mèng)寐以求的夢(mèng)想。1964年，世界上研制了第一個(gè)海浪發(fā)電裝置，雖然電量只有60瓦，但是成為了整個(gè)人類世界新能源開發(fā)的里程碑。此后，芬蘭、加拿大、丹麥和美國(guó)等一些國(guó)家也開始從事研究海浪發(fā)電，并取得了豐碩的成果，我國(guó)在這方面雖然起步比較晚，發(fā)展還是挺快的，微型波力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成熟，發(fā)電裝置處于商品化，小型岸式的波力發(fā)電技術(shù)也可以同發(fā)達(dá)國(guó)家相提并論了。種種海浪發(fā)電歷程從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，海浪發(fā)電才剛剛起步，擁有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，雖然在某一些方面還有很多不足，但其發(fā)展前景還是非常樂(lè)觀的。

但是在目前，國(guó)內(nèi)外海浪發(fā)電的研究成果幾千項(xiàng)，但發(fā)電成本依然很高，距離商業(yè)市場(chǎng)還很遠(yuǎn)！海浪發(fā)電似乎進(jìn)入一個(gè)止步不前的困境，這就引入了我們的深深的思考！由于波能并不是十分穩(wěn)定，想要它成為直接為人類所用的能源還要相當(dāng)一段時(shí)間。目前，據(jù)估算，全球通過(guò)用海浪發(fā)電量?jī)H有0.4萬(wàn)千瓦，而通過(guò)風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電的電量有2千億千瓦，從而可以看出其相差還是很大的。所以，海浪發(fā)電的發(fā)展道路還是很長(zhǎng)的。到目前為止，全世界范圍內(nèi)還沒有可商品化發(fā)電的方案誕生出來(lái)，但是分散利用海浪動(dòng)能的方向還是有的，海洋這么大，所以充分利用海浪動(dòng)能的機(jī)會(huì)還是有的，相信在不久的將來(lái)把離散的動(dòng)能聚攏起來(lái)還是可以做到的。

海浪發(fā)電裝置目前的研究方向主要針對(duì)海事領(lǐng)域，針對(duì)海事系統(tǒng)的船舶、無(wú)人雷達(dá)、海上通訊基站等設(shè)施供電。不過(guò)，隨著該項(xiàng)目的優(yōu)化研究，波能發(fā)電可投入更廣泛的領(lǐng)域。由于波浪能屬于取之不盡的海洋能源，而且大連具備良好的波浪能利用環(huán)境，該項(xiàng)目一旦投入量產(chǎn)，還可用于民用供電，屆時(shí)將有效緩解目前全球面臨的能源危機(jī)。這一裝置能有效收集波浪能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，可緩解全球范圍內(nèi)的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題。

這一裝置能有效收集波浪能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，且具備低成本、無(wú)污染、節(jié)約能源的特點(diǎn)，可緩解全球范圍內(nèi)的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題。據(jù)了解，多節(jié)漂浮式波能發(fā)電裝置目前的研究方向主要針對(duì)海事領(lǐng)域，針對(duì)海事系統(tǒng)的船舶、無(wú)人雷達(dá)、海上通訊基站等設(shè)施供電。不過(guò)，隨著該項(xiàng)目的優(yōu)化研究，波能發(fā)電可投入更廣泛的領(lǐng)域。由于波浪能屬于取之不盡的海洋能源，而且大連具備良好的波浪能利用環(huán)境，該項(xiàng)目一旦投入量產(chǎn)，還可用于民用供電，屆時(shí)將有效緩解目前全球面臨的能源危機(jī)。

洶涌澎湃的海浪正給人類送來(lái)源源不斷的電能。我們合理有效地利用自然資源，對(duì)于更進(jìn)一步解決世界面臨的資源短缺，能源不足，環(huán)境污染等一系列問(wèn)題都有重要的社會(huì)發(fā)展意義。隨著海浪發(fā)電技術(shù)等日益成熟，海浪發(fā)電將會(huì)在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用。相信在不久的將來(lái)，我們可以用科技力量創(chuàng)造出更好的世界！

參考文獻(xiàn)：

[1]焦永芳，劉寅麗.海浪發(fā)電的現(xiàn)狀及前景[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010（12）：46-47.

[2]楊家武，辛玉超，楊帆.海浪發(fā)電的典型裝置和發(fā)展趨勢(shì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015（9）：73-74.

[3]張瑩.海浪發(fā)電用永磁直線同步電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[D].東南大學(xué)，2008：4-5.endprint