國外海浪發(fā)電裝置的研究現(xiàn)狀

趙裕明+李巖+王志巖

摘要：海洋波浪能是取之不盡、用之不竭的清潔能源，具有資源分布廣泛、能流密度大等優(yōu)點。利用海洋波浪能發(fā)電能夠改善能源結(jié)構(gòu)和環(huán)境，有利于海洋資源開發(fā)。通過對海浪發(fā)電裝置的技術(shù)原理、特點和技術(shù)現(xiàn)狀做綜述，分析了海浪發(fā)電利用的意義和前景。

關(guān)鍵詞：海浪發(fā)電；海洋波浪能；發(fā)電裝置

中圖分類號：TM31文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.009

0引言

海洋波浪能是清潔的可再生能源，開發(fā)和利用海洋波浪能對緩解能源危機和環(huán)境污染問題具有重要的意義。海洋波浪能發(fā)電系統(tǒng)的運行環(huán)境惡劣，與其他可再生能源發(fā)電系統(tǒng)相比發(fā)展相對滯后。但是隨著海浪發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，近年來，海洋波浪能發(fā)電技術(shù)取得了長足的進步，已有試驗電站開始商業(yè)化運行。隨著海洋波浪能發(fā)電技術(shù)日益成熟，將會有越來越多的海洋波浪能發(fā)電站并入電網(wǎng)運行。

1國外的海洋波浪能發(fā)電技術(shù)

1.1Pelamis波能發(fā)電裝置

Pelamis波能發(fā)電裝置飄浮在水面上工作，如圖1所示。不同型號的“海蛇”長15～180 m不等，直徑約3.5～4 m，15 m長的“海蛇”發(fā)電裝置能夠產(chǎn)生750 kW的電能[1，2]。該裝置每兩個相鄰漂浮裝置之間用兩個自由度鉸鏈連接，裝置的長度方向與海浪的傳播方向一致，浮筒隨波浪上下起伏，關(guān)節(jié)之間便有相對轉(zhuǎn)動，從而推動圓筒內(nèi)的液壓缸作往復(fù)運動，液壓缸將流體壓入儲能器中作短期儲存，液壓馬達在高壓流體作用下旋轉(zhuǎn)帶動電機做功產(chǎn)生電能。

1.2Oyster波能轉(zhuǎn)換裝置

牡蠣 （Oyster）是由英國Aquamarine Power公司和Belfast Queen's University聯(lián)合在英國研發(fā)的一種浮力擺波能轉(zhuǎn)換裝置，如圖2所示。Oyster裝置由固定在海床底的振蕩浮力擺和液壓缸組成[3，4]。Oyster工作水深10～15 m，離海岸約500 m，浮力擺鉸接于水下12 m深的海床上，頂部稍高于海平面。在海浪的作用下，裝置作來回擺動驅(qū)動兩個水壓活塞產(chǎn)生高壓流體，通過海底管路將高壓流體輸送到岸上的蓄能裝置，之后通過水力發(fā)電機將高壓流體轉(zhuǎn)換成電能，該裝置單臺最大可輸出電能300～600 kMW。由于發(fā)電機安裝在岸上，方便維修。

1.3PowerBuoy波能轉(zhuǎn)換裝置

PowerBuoy波能轉(zhuǎn)換裝置是美國Ocean Power Technology公司（OPT）研制的一種點吸收式波能轉(zhuǎn)換裝置。PowerBuoy由直徑1.5 m、高1.5 m的運動浮標以及高9 m的晶石固定浮標組成，由圖3所示。當浮標隨著海浪上下運動時，會帶動基座中的液壓活塞運動，通過回轉(zhuǎn)馬達和發(fā)電機將波浪能轉(zhuǎn)化為電能，并通過海底電纜將電能輸送到岸上。波浪較小時，浮標與晶石之間的阻力要很小，以便能夠吸收能量。波浪較大時，增加移動浮標所需的力量可以更多地獲取波浪能。為了適應(yīng)不同的海況，PowerBuoy使用計算機以10次/s的速率調(diào)整發(fā)電裝置的阻力，從而提高裝置的能量轉(zhuǎn)換效率。2008年9月40 kW的樣機在西班牙試運行。

1.4IPSbuoy裝置

IPSbuoy是由瑞典的Interproject Service公司研發(fā)的一種點吸式的波能轉(zhuǎn)換裝置[5，6]。IPSbuoy裝置是由一個直徑6～8 m的浮標和一個長20 m的水下管組成的。在管體內(nèi)下方設(shè)有能量轉(zhuǎn)換裝置，其內(nèi)部液壓缸活塞與上部浮標相連，當浮標隨海浪運動時帶動活塞運動，壓縮液壓缸內(nèi)的介質(zhì)實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，再通過液壓馬達帶動發(fā)電機運轉(zhuǎn)。該裝置安裝在深度50～100 m的海水中，具體尺寸、型號根據(jù)所處的水深、浪高等而定。該裝置制造成本較低，安裝和維護簡便，能夠?qū)㈦娔茌斔椭陵懙兀材転檫h離海岸的島嶼供電。

1.5Wavebob波能發(fā)電裝置

Wavebob波能發(fā)電裝置是Wave Bob公司研發(fā)的一種軸對稱自適應(yīng)的單點吸收裝置 [7]。該裝置是由兩個共軸的浮體組成，海浪的運動迫使兩個浮體沿軸向產(chǎn)生相對運動，驅(qū)動液壓系統(tǒng)將波浪能轉(zhuǎn)換成機械能再轉(zhuǎn)換成電能。其中內(nèi)部的浮體與同軸的潛體相連，潛體起到固定裝置和平衡海浪頻率的作用。該裝置可以遠程調(diào)控上部浮體的穩(wěn)定物控制裝置，在不改變浮體設(shè)計的前提下，用一個單獨的系統(tǒng)改變裝置的共振頻率，從而實現(xiàn)與入射波特性的最佳匹配。此外，數(shù)字控制系統(tǒng)允許裝置動態(tài)地改變阻尼，從而更好的實時匹配系統(tǒng)。當風浪改變時，通過調(diào)整上部浮體的浮力，使其只轉(zhuǎn)化為設(shè)定的波浪能。單臺Wavebob裝置的最大發(fā)電能力能夠達到1 MW以上。

1.6AWS阿基米德波浪擺裝置

阿基米德波浪擺裝置 （Archimedes Wave swing，AWS）是英國AWS Ocean Energy公司研制的是第一個使用直線電機發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換裝置[8，9，10]。AWS裝置由2個相嵌套的圓筒組成，上部圓筒為浮動吸能裝置，在波浪作用下隨浪運動，下部圓筒固定不動。該裝置安裝于海平面以下，以減少風暴或巨浪對裝置的沖擊破壞。當浮體向下運動時，壓縮腔體內(nèi)的氣體；當浮體處于最低點時，浮力及內(nèi)部壓縮氣體會迫使浮體向上運動。上部圓筒的往復(fù)運動驅(qū)動直線電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能。阿基米德波浪擺裝置的動力輸出系統(tǒng)為永磁直線電機，通過調(diào)整系統(tǒng)的頻率為平均波頻率，直線電機的沖程可以大于波高。2001年該裝置在葡萄牙北部海域進行測試，2002年進行淹沒試驗，2004年通過陣列測試。

2海浪發(fā)電技術(shù)應(yīng)用前景

目前，我國海浪發(fā)電正處在技術(shù)攻關(guān)階段，而國外能夠穩(wěn)定運行的離岸波浪能裝置已經(jīng)逐步商業(yè)化，如英國的海浪發(fā)電裝置海蛇（Pelamis）以及浮力擺裝置牡蠣（Oyster）等。海浪發(fā)電技術(shù)優(yōu)化的理念是使波浪能裝置在全生命周期里的平均發(fā)電成本最低。中國的海域是靠季風產(chǎn)生波浪的，效率不高的海浪發(fā)電裝置會因為年發(fā)電量小而難以降低發(fā)電成本。大力拓展海浪發(fā)電技術(shù)的新方法，不斷研發(fā)能效高的波能轉(zhuǎn)換裝置，是我國海浪發(fā)電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。endprint

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