波浪能發(fā)電現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)綜述

陳映彬，黃 技，賴壽榮，賴佳億，林樾榮

(廣東海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

隨著全球不可再生能源的逐漸枯竭和環(huán)境問題的日漸突出，人類亟需探索清潔可再生能源來替代日漸枯竭的化石能源。在當(dāng)今能源逐漸枯竭的形勢(shì)下，如何利用好波浪能這一豐富的可再生能源顯得十分重要。波浪能實(shí)際是來源于風(fēng)能，風(fēng)把能量傳遞給海洋從而產(chǎn)生了波浪能，其之間的轉(zhuǎn)化效率和風(fēng)速及風(fēng)區(qū)有關(guān)。波浪發(fā)電技術(shù)就是在現(xiàn)有波能研究的基礎(chǔ)上，將當(dāng)下已經(jīng)相對(duì)成熟的發(fā)電原理和精密精準(zhǔn)的機(jī)械制造工藝進(jìn)行高效的融合，將廣闊大海里超過25億kW的波浪能轉(zhuǎn)化成清潔、高效、可供人類直接使用的電能[1]。對(duì)波浪能行之有效的利用不僅可以對(duì)海洋能源進(jìn)行合理開采，也是解決當(dāng)下能源短缺的一種正確措施。作為一種可再生能源，波浪能發(fā)電不僅符合當(dāng)下國(guó)家所提倡的可持續(xù)發(fā)展理念，還具有無可比擬的開發(fā)潛能。利用好波浪能不僅能夠緩解當(dāng)下化石能源日益減少的窘?jīng)r，還可以對(duì)環(huán)境進(jìn)行有效地保護(hù)。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

全球約70%的面積是海洋，儲(chǔ)存著巨大的海洋能。據(jù)估算，約有25億kW的波浪能。當(dāng)前美國(guó)、日本、中國(guó)以及歐洲等國(guó)家均在沿海建造了或多或少的波浪發(fā)電裝置。位于太平洋西部的我國(guó)坐擁著非常豐富的海洋能源。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)波浪能開發(fā)的潛力超過1億kW。隨著環(huán)境問題的日益突出，當(dāng)下各國(guó)也都在加快波浪能發(fā)電方面的研究。

位于英國(guó)蘇格蘭北部海域的Oyster裝置是當(dāng)前最為成功的浮力擺波浪能發(fā)電裝置。第一代Oyster發(fā)電裝置的擺寬為26 m，高為12 m，裝機(jī)功率為315 kW，裝置在2009年進(jìn)行了測(cè)試。在成功研發(fā)了第一代Oyster發(fā)電裝置后，Aquamarine Power公司擬開發(fā)了一個(gè)大型波浪力電站，總裝機(jī)的功率為2.4 MW。該發(fā)電站由3座第二代Oyster發(fā)電裝置組成。該第二代裝置擺寬為26 m，高為12 m，裝機(jī)功率為800 kW[2]。

美國(guó)作為波浪能發(fā)電領(lǐng)域技術(shù)的領(lǐng)先者，Power Buoy波能轉(zhuǎn)換裝置是美國(guó)波浪能發(fā)電領(lǐng)域的一項(xiàng)代表作。Power Buoy擁有高9 m的晶石固定浮標(biāo)以及高和直徑為1.5 m的運(yùn)動(dòng)浮標(biāo)。浮標(biāo)隨著波浪所做的上下運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)液壓活塞做拉伸和壓縮運(yùn)動(dòng)，從而使發(fā)電機(jī)發(fā)電，并輸送到岸上供當(dāng)?shù)鼐用袷褂?。Power Buoy波能發(fā)電裝置為了適應(yīng)不同的海況，還采用計(jì)算機(jī)來智能調(diào)節(jié)發(fā)電裝置的阻力，很大程度上提高了波浪能量利用率。

近年來，我國(guó)在波浪能發(fā)電研究領(lǐng)域也取得了不少成就。譬如我國(guó)自主研制的“10 kW級(jí)組合型振蕩浮子波能發(fā)電裝置”于2014年1月投入使用[3]。無獨(dú)有偶，一款由中國(guó)電科38所自主研發(fā)制造的波浪能發(fā)電裝置在2017年通過了海洋局的驗(yàn)收并投入了運(yùn)營(yíng)[4]。而福建智盛能源科技有限公司在2018年第二十屆中國(guó)國(guó)際高新技術(shù)成果交易會(huì)上也向大眾展示了一款采用“能量集”新技術(shù)的波浪發(fā)電裝置。該技術(shù)將波浪能量集中在1臺(tái)發(fā)電機(jī)上，這樣的發(fā)電機(jī)制成功將發(fā)電能量進(jìn)行了幾何級(jí)倍增。

2 波浪能發(fā)電技術(shù)

當(dāng)前各國(guó)都在研究波浪發(fā)電，而海浪能發(fā)電裝置的種類也是不可勝舉，但這些發(fā)電裝置均源于幾種基本的原理：將波浪作用下物體的上下左右運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能；將波浪壓力變化轉(zhuǎn)化為電能；將波浪的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能等[5]。以下是當(dāng)前幾種常見發(fā)電裝置的發(fā)電原理。

1)擺式波浪能發(fā)電裝置(見圖1)。擺式發(fā)電裝置的主要部件是浮力擺，浮力擺下方與液壓裝置相接。在波浪的推動(dòng)作用下，浮力擺不停地做往復(fù)的前后擺動(dòng)，在壓缸加以收集后，再由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成可直接利用的電能，從而實(shí)現(xiàn)波浪能的轉(zhuǎn)化。

圖1 擺式波浪能發(fā)電裝置圖

2)筏式波浪能發(fā)電裝置(見圖2)。筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置主要是利用其鉸接處的液壓能來轉(zhuǎn)化為電能的，此類裝置主要有液壓系統(tǒng)和鉸接閥體，鉸接處安置有液壓轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，包括活塞桿、液壓缸以及液壓控制柜。當(dāng)有波浪時(shí)，波浪會(huì)帶動(dòng)筏體上下運(yùn)動(dòng)進(jìn)而使鉸接處往復(fù)彎曲，往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能經(jīng)液壓裝置收集后用于發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)波浪能量的轉(zhuǎn)化。

圖2 筏式波浪能發(fā)電裝置圖

3)振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置(見圖3)。振蕩浮子式發(fā)電裝置由振蕩水柱式發(fā)電裝置發(fā)展演變而來，主要結(jié)構(gòu)包括浮體、質(zhì)量體和發(fā)電機(jī)等[6]。其工作原理主要是通過波浪能的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)浮子不斷進(jìn)行上下垂蕩，與質(zhì)量體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，再通過液壓裝置等將收集到的動(dòng)能和勢(shì)能儲(chǔ)存起來進(jìn)行發(fā)電。

圖3 振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置圖

4)點(diǎn)頭鴨式波浪能發(fā)電裝置(見圖4)。顧名思義，點(diǎn)頭鴨式波浪能發(fā)電裝置的形狀和工作狀態(tài)類似鴨子的運(yùn)動(dòng)。該類裝置主要是利用波浪運(yùn)動(dòng)來促使浮子繞裝置回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行發(fā)電的。在波浪入射波的作用下，浮子鴨嘴部分產(chǎn)生了水平位移，而在入射波過去后，鴨嘴又回到了垂直狀態(tài)。浮子繞回轉(zhuǎn)軸往復(fù)搖擺運(yùn)動(dòng)的能量經(jīng)液壓裝置收集后，通過電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為可直接利用的電能，從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。

圖4 點(diǎn)頭鴨式波浪能發(fā)電裝置圖

5)振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置(見圖5)。該裝置主要是由氣室和空氣渦輪機(jī)組成，通過波浪的運(yùn)動(dòng)來使得氣室中的水柱上下運(yùn)動(dòng)，水柱的上下運(yùn)動(dòng)擠壓了氣室內(nèi)部的空氣，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電的。裝置內(nèi)部的空氣渦輪機(jī)在空氣的作用下來回正反運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)波浪能量較為高效的轉(zhuǎn)化。

圖5 振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置圖

6)越浪式波浪能發(fā)電裝置(見圖6)。越浪式波浪能發(fā)電裝置的工作原理和堤壩水利工程的很相似，主要是利用水面高度差產(chǎn)生的勢(shì)能進(jìn)行發(fā)電。越浪式波浪能發(fā)電裝置通常建立在岸邊上，使用多個(gè)蓄水池放在彼此的頂部，波浪入射波迎來的方向上設(shè)有特殊開口用以捕捉入射波，波浪從開口涌進(jìn)蓄水裝置中與自由水平面產(chǎn)生高度差，接著利用渦輪機(jī)將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。越浪式波能裝置主要包括收縮波道技術(shù)(tapered channel)、槽式技術(shù)(seaslot-cone generator)和波龍(wave dragon)[7]。

圖6 越浪式波浪能發(fā)電裝置圖

7)海蛇式波浪能發(fā)電裝置(見圖7)。海蛇式波浪能發(fā)電裝置屬于一種半潛式系統(tǒng)，此類發(fā)電裝置由數(shù)個(gè)圓柱體銜接組成。相互連接的圓柱體間安裝有液壓缸和發(fā)電機(jī)等結(jié)構(gòu)。當(dāng)圓柱體隨波浪作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓筒間將會(huì)產(chǎn)生扭矩來驅(qū)動(dòng)裝置里面的活塞桿做拉伸和壓縮運(yùn)動(dòng)。接著液壓缸里的壓力油在液壓缸的高壓作用下將泵出推動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化[8]。該類發(fā)電裝置的系統(tǒng)以及整流電路都位于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，封閉性較好。

圖7 海蛇式波浪能發(fā)電裝置圖

8)海上發(fā)電船(見圖8)。海上發(fā)電船是將發(fā)電結(jié)構(gòu)和海上船舶結(jié)合在一起的新型發(fā)電裝置。該類發(fā)電裝置常采用液壓發(fā)電的形式，在船的兩邊安裝有多個(gè)吸收波浪能的浮體和液壓桿。當(dāng)有波浪時(shí)，波浪會(huì)帶動(dòng)浮體上下運(yùn)動(dòng)進(jìn)而拉伸壓縮液壓桿，液壓能經(jīng)液壓裝置收集后促使發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。發(fā)電船舶必須從港口低能區(qū)行駛到高能量區(qū)，產(chǎn)生的電能將被送入電網(wǎng)。這種發(fā)電形式提高了發(fā)電能力，但也增加了燃料成本，且船員在發(fā)電期間不能隨意離開發(fā)電船。

圖8 海上發(fā)電船圖

3 結(jié) 語

全球約70%的面積是海洋，海洋能源十分豐富。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，全球儲(chǔ)存著超過25億kW的波浪能。在傳統(tǒng)能源日益耗盡的現(xiàn)狀下，波浪能的開發(fā)具有十分巨大意義和前景。當(dāng)下波浪能發(fā)電技術(shù)相對(duì)國(guó)外而言還不夠成熟，發(fā)電效率普遍不夠高，裝置對(duì)各種海況的適應(yīng)能力也較低。波浪能如果開發(fā)得當(dāng)，不僅可以緩解當(dāng)下化石能源日益減少的窘?jīng)r，還具有巨大的戰(zhàn)略意義及經(jīng)濟(jì)效益。