波浪能發(fā)電技術(shù)在船舶上的應(yīng)用

熊瑋 谷漢斌 劉海源 K.THIRUVENKATASWAMY3

【摘 要】 為保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排，推進(jìn)可再生能源――波浪能的利用，回顧波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展史，從波浪能轉(zhuǎn)換裝置優(yōu)化和應(yīng)用兩方面概述其發(fā)展情況，分析波浪能發(fā)電裝置在船舶上的應(yīng)用實(shí)例，歸納適合各種船舶特點(diǎn)的波浪能發(fā)電裝置類型，總結(jié)波浪能發(fā)電裝置在船舶上的應(yīng)用趨勢(shì)：在船舶設(shè)計(jì)初期，充分考慮波浪能的利用；將波浪能發(fā)電作為船舶輔助和生活用電；將波浪能與其他新能源聯(lián)合應(yīng)用。將可再生能源波浪能應(yīng)用在船舶發(fā)電上，可有效降低船舶排放，有利于人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 能源；波浪能；發(fā)電；船舶

0 引 言

18世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，世界能源需求不斷增加，傳統(tǒng)化石能源消耗迅速，生態(tài)環(huán)境逐漸惡化并嚴(yán)重威脅人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。人們尋求新型可再生能源以滿足日益增長(zhǎng)的能源消費(fèi)需求。進(jìn)入21世紀(jì)，世界各國(guó)愈發(fā)重視開(kāi)發(fā)和利用新能源，陸續(xù)出臺(tái)了一系列相關(guān)政策和措施并加大了資金支持力度。

海洋中的波浪能具有無(wú)時(shí)不在、無(wú)處不在、能流密度大的特點(diǎn)，沿海國(guó)家，尤其是波浪能資源豐富的國(guó)家對(duì)此高度重視。我國(guó)船舶眾多，但尚未在船舶上應(yīng)用波浪能發(fā)電技術(shù)，若能在此領(lǐng)域有所突破，將是革命性的發(fā)展。

1 波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用

1.1 國(guó)內(nèi)外波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展概況

20世紀(jì)60年代，首個(gè)用于航標(biāo)燈的波浪能發(fā)電裝置研制成功。[1] 自20世紀(jì)70年代以來(lái)，英國(guó)、挪威、日本和美國(guó)研究波浪能轉(zhuǎn)換電能原理及方案，提出了一些創(chuàng)造性新概念。21世紀(jì)，“海蛇”、“巨蟒”等巨型波浪能發(fā)電裝置成功海試，標(biāo)志著波浪能發(fā)電技術(shù)逐漸成熟。

我國(guó)研究波浪能發(fā)電技術(shù)已有30多年。目前，我國(guó)已成功建造多座波浪能示范電站，如大管島105 kW多能互補(bǔ)電站、南海500 kW海島海洋能獨(dú)立電力系統(tǒng)示范工程、嵊山島500 kW多能互補(bǔ)示范電站等，并規(guī)劃在廣東、山東、海南各建1座1 000 kW級(jí)的岸式波浪能電站。[2]

1.2 波浪能發(fā)電裝置研究近況

（1）裝置水動(dòng)力特性得到完善。通過(guò)物理試驗(yàn)或者數(shù)值模擬的方式，改善了發(fā)電裝置的幾何形狀，減小了拖曳力，使浮體能緊隨波浪浮動(dòng)；增大了水平振蕩力和相對(duì)運(yùn)動(dòng)；合理利用共振，提高了能量捕獲效率。

（2）裝置規(guī)?；?。由于單位寬度上波浪能相對(duì)較小，波浪裝置的陣式布置、規(guī)?；瘜?duì)于降低波浪能發(fā)電成本、提高發(fā)電總量具有重要意義。

（3）海洋測(cè)試。海洋波浪是不規(guī)則波，海況條件也比在數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)時(shí)復(fù)雜得多，因此建立波浪能海上測(cè)試場(chǎng)十分必要。

（4）儲(chǔ)能方式。由于海洋波浪的隨機(jī)性及實(shí)際用電對(duì)電流、電壓的穩(wěn)定性要求，與波浪能裝置相匹配的能量?jī)?chǔ)存方式至關(guān)重要。

1.3 發(fā)電裝置的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）波浪能資源豐富，能流密度大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球波浪能儲(chǔ)量達(dá)25億kW，多數(shù)海域年平均波浪能流密度超過(guò)10 kW/m；我國(guó)的波浪能裝機(jī)容量為160萬(wàn)kW，按現(xiàn)有技術(shù)理論發(fā)電量可達(dá)1.288？09 kW[3]。我國(guó)波浪能資源豐富，很適合開(kāi)發(fā)利用。

（2）經(jīng)濟(jì)節(jié)能。在偏遠(yuǎn)海島，中等波況下波浪能發(fā)電成本不到0.05美元/（kW穐），而傳統(tǒng)發(fā)電方式的發(fā)電成本通常大于0.19美元/（kW穐）。在給海島和離岸海上設(shè)施供電方面，與火力和水力發(fā)電方式相比，波浪能發(fā)電能解決傳統(tǒng)發(fā)電方式因運(yùn)輸不便而引起的高成本問(wèn)題。

（3）符合環(huán)保要求。波浪能發(fā)電能降低對(duì)環(huán)境的污染，有利于環(huán)境保護(hù)。

2 波浪能發(fā)電裝置在船上應(yīng)用的探索

2.1 國(guó)內(nèi)外實(shí)例

1799年，法國(guó)的吉拉德父子利用波浪能使漂浮船上的機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)岸邊的水泵和發(fā)電機(jī)發(fā)電并獲得發(fā)明專利。日本于1978年建造了波浪能發(fā)電船“海明”號(hào)，后于1997年建造了“巨鯨”號(hào)波浪能發(fā)電船，該船將發(fā)電機(jī)組并排放置，提高了波能利用率。英國(guó)的Christopher Cockerell將2艘泵船鉸接到一起，泵船之間連接液壓動(dòng)力輸出系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了波浪能的利用，并于1980年取得波浪能筏式發(fā)電系統(tǒng)專利。瑞典漂浮式波浪能發(fā)電船是一種越浪式裝置，不受潮差影響，可以適應(yīng)各種極端海況。波士頓大學(xué)的Andre Sharon等人在2011年清潔技術(shù)博覽會(huì)上提出建造波浪能發(fā)電自航式電站的設(shè)想。

我國(guó)對(duì)波浪能發(fā)電船的研究起步較晚，但成果可觀。1990年，我國(guó)研制的裝有后彎振蕩水柱式波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的導(dǎo)航燈船“中水道1號(hào)”成功地完成了為期1年的海上測(cè)試。“八五”期間，我國(guó)研制的后彎管波浪能發(fā)電船進(jìn)行了模型性能試驗(yàn)?！爸兴?號(hào)”燈船和后彎管波浪能發(fā)電船的發(fā)電原理與“海明”號(hào)、“巨鯨”號(hào)相似。2012年，我國(guó)“鷹式一號(hào)”振蕩浮子式半潛船在萬(wàn)成山海域進(jìn)行海試。

目前，已應(yīng)用的波浪能發(fā)電裝置有振蕩水柱式、振蕩浮子式（繩輪―棘輪式）、擺式、越浪式和筏式。由于振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置具有捕能效率高、免受海水侵蝕、成本低、輸出電能穩(wěn)定等特點(diǎn)，因而在船舶上應(yīng)用會(huì)有廣闊前景。

2.2 應(yīng)用方式和廣闊市場(chǎng)

2.2.1 應(yīng)用方式

船舶利用波浪能發(fā)電的最大問(wèn)題是發(fā)電裝置會(huì)增加船舶行駛阻力，降低機(jī)動(dòng)性能，同時(shí)也對(duì)波浪能發(fā)電裝置的穩(wěn)定性和生存性能提出更高要求。

2011年，安德雷·夏倫等人設(shè)計(jì)了2種波浪能發(fā)電船（見(jiàn)圖1）。這2種波浪能發(fā)電船具備自航能力，可以駛回港口躲避極端海況，降低了對(duì)裝置生存性能和安全性能的要求，節(jié)約了裝置制造成本，同時(shí)因使用蓄電池存儲(chǔ)電能，還省卻了海底電纜鋪設(shè)費(fèi)，既大大地降低了波浪能發(fā)電成本，又不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成影響。這種裝有波浪能發(fā)電裝置的船舶錨泊時(shí)利用波浪能發(fā)電并儲(chǔ)存在蓄電池中，船舶航行時(shí)可將裝置浮體部分收起，不會(huì)增加船舶航行阻力。

我國(guó)的波浪能發(fā)電技術(shù)已應(yīng)用于小型燈船、海洋航標(biāo)船，如100 W振蕩水柱式“中水道1號(hào)”航標(biāo)船、5 kW后彎管波浪能發(fā)電船?！爸兴?號(hào)”航標(biāo)船為波浪能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用在航標(biāo)船上提供了參考。

2.2.2 廣闊市場(chǎng)

漁船輔助用電主要用于船舶照明系統(tǒng)，在捕魚(yú)作業(yè)時(shí)，漁船雖停留在捕撈區(qū)域不需要?jiǎng)恿?，但仍需要消耗燃油為船舶輔助用電系統(tǒng)供能，以保證船舶作業(yè)的正常運(yùn)作。整個(gè)捕撈作業(yè)過(guò)程船舶停留時(shí)間久、能耗大，非常適合利用波浪能發(fā)電裝置。

《中國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒2016》數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)有海洋捕撈漁船18.72萬(wàn)艘，總功率達(dá)萬(wàn)kW。如果取柴油機(jī)平均燃油消耗率為230 g/（kW穐）、1年工作時(shí)間 h，則18.72萬(wàn)艘海洋捕漁船年消耗燃油量為795.8萬(wàn)t，波浪能發(fā)電技術(shù)在此領(lǐng)域有著巨大市場(chǎng)。

3 波浪能發(fā)電技術(shù)在船上應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)際海事組織制定的新船能源效率設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）是用來(lái)評(píng)估船舶二氧化碳效能的指標(biāo)，即船舶每單位創(chuàng)造的社會(huì)效益和二氧化碳排放量的比值。EEDI頒布實(shí)施后，新造船舶必須符合EEDI規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)了綠色船舶設(shè)計(jì)的發(fā)展；而將波浪能這種可再生能源應(yīng)用在船舶發(fā)電上，可有效降低船舶碳排放?；谏鲜龇治?，波浪能發(fā)電技術(shù)在船舶上的應(yīng)用趨勢(shì)如下：

（1）在船舶設(shè)計(jì)初期，充分考慮波浪能的利用。“中水道1號(hào)”航標(biāo)船采用沿船底向后彎曲的后彎管振蕩水柱波浪能發(fā)電裝置，船體設(shè)計(jì)成對(duì)稱的對(duì)角線簡(jiǎn)易線型，外板為平面結(jié)構(gòu)，建造簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，維修方便。“鷹式一號(hào)”波浪能發(fā)電裝置是在半潛船上利用波浪能發(fā)電，船體上浮就可進(jìn)行發(fā)電裝置的回收、檢修和保養(yǎng)。在船舶設(shè)計(jì)初期就考慮波浪能的應(yīng)用，不僅能降低船舶碳排放，還能節(jié)約制造和改裝成本。

（2）將波浪能發(fā)電作為船舶輔助和生活用電。船舶選裝波浪能發(fā)電裝置要結(jié)合船舶用電、作業(yè)及適用海況等因素，對(duì)于長(zhǎng)期處于錨泊狀態(tài)的船舶可選用振蕩浮子波能發(fā)電裝置；對(duì)于航速低、需大電量為船上輔助機(jī)械和照明系統(tǒng)等供電的船舶（如流刺網(wǎng)漁船），可以裝備點(diǎn)吸收式、擺式波浪能發(fā)電裝置；需配備大量大功率燈具的船舶（如魷釣船），則可以裝載振蕩水柱式、點(diǎn)吸收式或者筏式波浪能發(fā)電裝置。船舶上可同時(shí)配裝蓄電裝置，在適宜發(fā)電的情況下，將多余的電量?jī)?chǔ)存起來(lái)。

（3）波浪能與其他新能源聯(lián)合應(yīng)用。單一新型能源的利用，會(huì)受到其自身特點(diǎn)和環(huán)境條件的限制，若能聯(lián)合風(fēng)能、太陽(yáng)能等共同使用，就能解決單一能源使用局限性的問(wèn)題。如裝機(jī)容量為2 MW的英國(guó)奧斯普瑞波浪能發(fā)電裝置集波浪能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電于一體，是一個(gè)典型的再生能源聯(lián)合應(yīng)用的實(shí)例。我國(guó)也計(jì)劃在100 kW的“鷹式一號(hào)”運(yùn)行成功后，將其發(fā)展成為一個(gè)利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等再生能源的多功能復(fù)合平臺(tái)。

（4）波浪能自航式電站?，F(xiàn)有大多數(shù)離岸漂浮式波浪能發(fā)電裝置在投放或回港檢修時(shí)依靠船舶拖航，如果建造具有自航能力的波浪能發(fā)電站就可以改變這種狀況，既無(wú)需鋪設(shè)海底電纜，降低發(fā)電成本，又可在將遭遇極端海況時(shí)自行回港躲避，節(jié)約拖航成本。

4 結(jié) 語(yǔ)

波浪能發(fā)電技術(shù)的研究歷史悠久，但因技術(shù)和環(huán)境條件的制約，其在船舶上的應(yīng)用未能得到推廣。從上述研究來(lái)看，波浪能在船舶上應(yīng)用的前景廣闊，若能大規(guī)模應(yīng)用，將對(duì)我國(guó)船舶行業(yè)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)漁業(yè)現(xiàn)代化起到巨大的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

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