我國波浪能發(fā)電現(xiàn)狀及未來發(fā)展探究

王灝　王廣大　趙尚

摘要：我國海洋資源豐富，海洋波浪能作為一種清潔能源，有著廣闊的開發(fā)和利用前景。據(jù)此，主要對我國波浪能的儲量與分布進行介紹，針對現(xiàn)階段我國對波浪能發(fā)電的技術(shù)進展和利用程度進行簡要分析，指出波浪能發(fā)電存在的各種相關(guān)問題，并對波浪能發(fā)電的未來進行展望，分析并闡述了波浪能發(fā)電對于我國海洋資源和能源戰(zhàn)略的意義和重要性。

關(guān)鍵詞：海洋波浪能；發(fā)電；波能發(fā)電裝置

中圖分類號：TB 文獻標(biāo)識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.07.090

0引言

隨著全球能源資源和環(huán)境問題的突出，特別是以變暖為重要特征的全球氣候變化的日趨明顯，作為豐富的海洋能源之一，波浪能一直以來受到世界各國的高度關(guān)注和重視。在當(dāng)今能源逐漸枯竭及環(huán)境狀況日益惡化的形勢下，如何有效利用資源豐富、可再生的海洋波浪能，顯得十分重要。波浪發(fā)電技術(shù)就是在現(xiàn)有利用海洋波浪能發(fā)電研究的基礎(chǔ)上，運用成熟的機械制造及發(fā)電技術(shù)進行有效的組合，將廣闊海岸取之不盡、用之不竭的波浪能低成本地轉(zhuǎn)化為電能，波浪能的利用既是對能源短缺問題的改善，也是對海洋能源合理利用的一種有效方式。

1海洋波浪能的儲量和分布

海洋波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能，波浪能儲量巨大。在每平方公里的海面上，運動著的海浪約蘊藏30萬千瓦的能量，全球可供開發(fā)的波浪能約30億千瓦。波浪能由垂直于波浪方向的每米寬度所通過的能量速率（功率）來表征，單位為kW/m，也稱為波浪能密度。波浪能密度很大，按海岸線長度計算，在太平洋、大西洋東海岸緯度40°～60°區(qū)域，波浪能平均密度可達到30～70kW/m，某些地方達到100kW/m。表1中給出了幾種常見的海洋能資源儲量，可以看出波浪能的實際可開發(fā)量較高，所以波浪能具有很大的開發(fā)應(yīng)用價值。

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，我國沿岸波浪能資源理論平均功率約為1285.22萬千瓦，這些資源在沿岸的分布很不均勻。以臺灣省沿岸最多，約為429萬千瓦，占全國總量的1/3，其次是浙江、廣東、福建和山東沿岸也較多，在160～205萬千瓦之間，約為706萬千瓦，約占全國總量的55%，其他省市沿岸則很少，僅在143～56萬千瓦之間。廣西沿岸最少，僅8.1萬千瓦。全國沿岸波浪能源密度分布，以浙江中部，臺灣，福建省海壇島以北，渤海海峽為最高，達5.11～7.73千瓦/米。

2波浪能發(fā)電的現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，全世界有近萬座小型波浪能發(fā)電裝置在運行，主要用于航標(biāo)燈、浮標(biāo)等。目前利用波浪能發(fā)電的方法可分為三類：一是利用海洋波浪能的上下運動所產(chǎn)生的空氣流，使汽輪機轉(zhuǎn)動，從而帶動發(fā)電機發(fā)電，如振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置，代表性的裝置有英國的LIMPET 500、日本的“巨鯨號”等；二是利用海洋波浪能裝置運動（直線往復(fù)、搖擺轉(zhuǎn)動）的機械能轉(zhuǎn)化為電能，如振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置，代表性的裝置有加拿大的AquaBuoy、荷蘭的阿基米德波浪擺、美國的PowerBuoy裝置、澳大利亞的CETO裝置等，主要通過直線往復(fù)形式進行波浪能發(fā)電。采用搖擺轉(zhuǎn)動形式進行波浪能發(fā)電的如“點頭鴨”式波浪能發(fā)電裝置、擺式發(fā)電裝置等，代表性的裝置有廣州能源所研發(fā)的“鷹式一號”，英國的Oyster裝置等；三是利用波浪能將水引入高位水池積蓄起來，形成一個水頭，然后沖擊水輪機發(fā)電，如越浪式波浪能發(fā)電裝置，代表性的裝置有丹麥的WaveDragon、西班牙的WaveCat波浪裝置等。

我國目前正處于實現(xiàn)工業(yè)化和信息化的經(jīng)濟高速發(fā)展時期，特別是沿海地區(qū)對于能源的需求急劇增加，已經(jīng)成為社會和經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，我國國土遼闊，海島眾多，對于海洋開發(fā)和國防建設(shè)方面占有重要的地位，對于海洋能源的開采也有助于滿足海防建設(shè)的基本需求?，F(xiàn)階段的波浪能發(fā)電，無論從設(shè)計水平，還是工藝制造水平來說，均已優(yōu)于早期，波浪能發(fā)電裝置是一門集海洋環(huán)境科學(xué)、流體力學(xué)、機電工程、材料學(xué)科等于一體的交叉技術(shù)，從開始采集波浪能到最終的發(fā)電傳輸使用，涉及方案設(shè)計、材料選擇、強度校核、機械結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)換和電力傳輸?shù)雀鞣N問題。其中包含了很多關(guān)鍵性的技術(shù)難題，從我國現(xiàn)有的波浪能發(fā)展現(xiàn)狀和科技研究成果來看，對于波浪能發(fā)電裝置的理論體系和波浪能發(fā)電的技術(shù)研究尚未形成一套較為成熟和靈活的體系，相關(guān)的試驗和分析工作仍需繼續(xù)進行。

3波浪能發(fā)電存在的困境

我國現(xiàn)有的波浪能發(fā)電應(yīng)用并不廣泛，相比于海上風(fēng)電的發(fā)展，波浪能發(fā)電的潛力巨大，但是卻并未得到較為有力的支持和發(fā)展。原因是多方面的，面臨的挑戰(zhàn)和問題也是較為嚴(yán)峻的。

（1）技術(shù)問題。波浪能發(fā)電的種類和方式是多種的，但是我國現(xiàn)有的波浪能發(fā)電仍然還以近海和淺水海域的應(yīng)用居多，我國海洋領(lǐng)土和資源是非常廣闊并具有開發(fā)前景的，尤其是對深海海域資源的開采和利用將逐漸成為今后新能源利用的一個重要發(fā)展方向。深海海域的風(fēng)浪條件一般較為劇烈，對于長期工作的波浪能發(fā)電裝置來說，風(fēng)浪大意味著波浪能量大，從對波浪能的俘獲角度來看較為有利。但面臨著可能遭遇惡劣的海況，對裝置的材料和結(jié)構(gòu)強度的要求很高。而現(xiàn)階段對深海作業(yè)的波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)和材料的研究還有所欠缺，包括各類浮式波浪能發(fā)電裝置。

對波浪能發(fā)電裝置的關(guān)鍵部分——能量轉(zhuǎn)換部分，對該部分的研究也一直是波浪能發(fā)電裝置的熱點研究方向，能量轉(zhuǎn)換部分是將機械能轉(zhuǎn)化為電能的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到電能的轉(zhuǎn)化效率?，F(xiàn)有的波浪能發(fā)電裝置上的發(fā)電機一般采用通用的小型三相交流發(fā)電機，但是這種發(fā)電機并不一定完全適用波浪能發(fā)電裝置，這也是導(dǎo)致發(fā)電效率低的重要因素。如何匹配相適應(yīng)的發(fā)電機，如何更有效的提高電能轉(zhuǎn)換效率，如何有效提高發(fā)電量等問題仍需進一步探討和研究。

（2）成本問題?，F(xiàn)階段波浪能的發(fā)電成本比常規(guī)熱發(fā)電要高出10倍左右，這也是阻礙波浪能發(fā)電市場化進程的重要因素之一，波浪能發(fā)電想要普及和大規(guī)模化，必須改進波浪能發(fā)電的技術(shù)，減少發(fā)電成本。水深較深的海域，相適應(yīng)的波浪能發(fā)電裝置往往尺寸較大，帶來的安裝建設(shè)費用和難度也相應(yīng)加大，包括水下部分的系泊固定。

（3）工程問題。一方面，由于海洋環(huán)境的變幻莫測性，波浪能發(fā)電裝置所遭遇的海況也是瞬息萬變的，尤其是對深海海域風(fēng)浪較大的海況下，波浪能發(fā)電裝置往往面臨著損壞的風(fēng)險。另一方面，海水的腐蝕性對裝置的材料耐腐蝕性要求較高，而在考慮方案的時候必須要統(tǒng)籌考慮各因素的影響，現(xiàn)階段還很難找到較為全面的方案，如何在波浪能發(fā)電裝置設(shè)計階段去均衡考慮各因素的影響，也是波浪能發(fā)電研究的一個難點。

（4）政策標(biāo)準(zhǔn)。與海上風(fēng)電相比，波浪能發(fā)電缺少相關(guān)的政策和規(guī)范，國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中涉及波浪能發(fā)電的少之又少，對波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計方案缺少基本的標(biāo)準(zhǔn)對照，各種試驗（如結(jié)構(gòu)強度試驗、疲勞試驗、發(fā)電機型式試驗、材料耐腐蝕試驗等）也缺少相應(yīng)的試驗標(biāo)準(zhǔn)，這也成為阻礙波浪能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素。

4波浪能發(fā)電的發(fā)展

波浪能發(fā)電是具有較為廣闊發(fā)展前景的新能源開發(fā)和利用的重要方式，鑒于波浪能發(fā)電現(xiàn)狀，盡管存在著諸多技術(shù)、經(jīng)濟和政策上的難題，但是作為海洋能源的重要組成部分，波浪能一直是清潔能源的代表?，F(xiàn)如今在我國對于藍色海洋的重大發(fā)展戰(zhàn)略的基礎(chǔ)上，對波浪能發(fā)電的研究和發(fā)展應(yīng)當(dāng)加大力度。

（1）在大力發(fā)展藍色海洋經(jīng)濟的背景下，我國海上風(fēng)能資源、海洋石油資源和海洋生物資源等均有了長足的發(fā)展和進步，相應(yīng)的國家政策、企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)也對海洋能源的開發(fā)和研究予以技術(shù)和經(jīng)濟上的支撐。相比之下，海洋波浪能發(fā)電的開發(fā)似乎力有不足，因此，合理開發(fā)海洋波浪能需要國家和政府機構(gòu)給予政策和發(fā)展計劃的扶持，刺激和鼓勵海洋波浪能發(fā)電裝置的研發(fā)和生產(chǎn)，提升技術(shù)水平的同時，宏觀調(diào)控波浪能發(fā)電的并網(wǎng)和電價，鼓勵企業(yè)創(chuàng)新和研發(fā)，并且制定波浪能發(fā)電的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

（2）開發(fā)海洋波浪能，需要對波浪能發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)進行攻克，國內(nèi)外對波浪能發(fā)電裝置也一直處于研究之中，為了提高對海洋波浪能的俘獲，波浪能俘獲的研究已經(jīng)由原來的單模態(tài)運動俘獲轉(zhuǎn)為多模態(tài)運動俘獲，其所帶來的技術(shù)難度也隨之增大。比如，在歐洲相應(yīng)政策的扶持下，英國的Pelamis公司致力于海洋能源科技的發(fā)展，對“海蛇號”波浪能發(fā)電裝置的研究一直在進行中，“海蛇號”是典型的六模態(tài)運動俘獲波浪能的波能發(fā)電裝置，但是其技術(shù)難度相當(dāng)高，其中如何統(tǒng)籌考慮結(jié)構(gòu)強度、材料腐蝕、設(shè)備維護、電力儲存或傳輸?shù)葐栴}一直都是研究的關(guān)鍵點，Pelamis公司多年來已經(jīng)在“海蛇號”的技術(shù)攻克上取得了很大的進步。相比之下，我國對于這類多模態(tài)俘獲波浪能的波能裝置并未有較多的研究。我們可以借鑒并學(xué)習(xí)國內(nèi)外優(yōu)秀的波能裝置研發(fā)策略和技術(shù)，形成適合在我國海域基于我國海洋海況條件可投入使用的波能發(fā)電裝置。

（3）在對波能發(fā)電裝置的研究同時，要注意與環(huán)境的契合與協(xié)調(diào)，許多海洋能源開發(fā)的裝置并未考慮到環(huán)境的保護問題，在投入使用和運營以后便置之不理，不僅造成了海洋污染，同時制造了“海上垃圾”妨礙著海運和航運船只的正常航行，在國家倡導(dǎo)科學(xué)發(fā)展觀的前提下，對海洋清潔能源的開發(fā)和利用也必須要注意對海洋的保護，在設(shè)計研發(fā)到安裝建設(shè)，整個環(huán)節(jié)必須都要考慮到對海洋環(huán)境的影響，避免出現(xiàn)“綠色能源不綠色”的現(xiàn)象。

5結(jié)論

我國海洋資源豐富且開發(fā)潛力巨大，波浪能的開發(fā)意義和前景非常大，如果開發(fā)得當(dāng)，既可以緩解現(xiàn)如今能源危機的壓力，也具有現(xiàn)實的經(jīng)濟效益和戰(zhàn)略意義?，F(xiàn)階段的波浪能發(fā)電由于技術(shù)條件的限制未具有發(fā)電推廣性，仍然以小型波浪發(fā)電作為主要應(yīng)用，但是要與常規(guī)能源發(fā)電競爭，必須要往大型化和大規(guī)?；l(fā)電的方向發(fā)展，不僅可以實現(xiàn)能源的優(yōu)化配置，也是節(jié)能減排的有效動力，對我國的能源開發(fā)和經(jīng)濟發(fā)展有著積極的促進作用。