水電與新能源機(jī)遇與挑戰(zhàn)：波浪能發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展

陳啟卷，高功正，岳旭輝，耿大洲，徐 磊

(水力機(jī)械過(guò)渡過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(武漢大學(xué))，湖北 武漢 430072)

當(dāng)今世界，能源是各國(guó)生活質(zhì)量保障和戰(zhàn)略發(fā)展的重要必需品，而目前能源的供應(yīng)仍然是以石油、天然氣、煤炭等不可再生能源為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球能源結(jié)構(gòu)中，34%為石油，23%為天然氣，28%為煤炭，10%為可再生能源，5%為核能[1]。近些年來(lái)，隨著世界人口激增、世界經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展、社會(huì)不斷進(jìn)步，人類對(duì)能源的需求越來(lái)越大。而化石能源的短缺，環(huán)境污染日益加重，迫使世界各國(guó)努力尋找并開(kāi)發(fā)可替代的、清潔的、可再生的新型能源。

海洋覆蓋了地球表面70%以上的面積，被認(rèn)為是儲(chǔ)量最大的可再生能源之一[2]。海洋能主要包括波浪能、潮汐能、海流能、溫差能、鹽差能、海洋生物質(zhì)能以及海底地?zé)崮艿茸匀毁Y源[3]。其中，由海洋表面的空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的波浪能較為顯著且分布廣泛，是地球上儲(chǔ)量最大的未開(kāi)發(fā)的可再生能源。波浪能是指海洋表面所具有的動(dòng)能和勢(shì)能的總和。其能量大小與波高的平方、波浪的運(yùn)動(dòng)周期以及迎波面的寬度成正比。全球波浪能潛力達(dá)到10 TW，年均波浪能估計(jì)接近93 000 TWh[4]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于太陽(yáng)能和風(fēng)能，具有廣闊的前景。同時(shí)，在開(kāi)發(fā)波浪能的過(guò)程中既不消耗其他燃料，又對(duì)環(huán)境影響較小。因此，波浪能的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越成為諸多國(guó)家研究的熱點(diǎn)。

利用波浪能發(fā)電，可為海上孤島、海洋牧場(chǎng)及海上開(kāi)發(fā)平臺(tái)等設(shè)施提供清潔優(yōu)質(zhì)的電能。此外，波浪能還可以用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海水淡化、制氫、抽水等。

1 波浪能發(fā)電技術(shù)

1.1 波浪能發(fā)電原理

波浪能發(fā)電即通過(guò)波浪的運(yùn)動(dòng)促使裝置工作，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將水的動(dòng)能和勢(shì)能最終轉(zhuǎn)化為電能[5]。一般分為以下幾種原理：利用物體在波浪作用下的振蕩和搖擺運(yùn)動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；利用波浪壓力的變化，將波浪能轉(zhuǎn)換為空氣壓能和動(dòng)能；利用波浪的沿堤爬升將波浪能轉(zhuǎn)換為水的勢(shì)能等。

1.2 波浪能發(fā)電裝置的分類

波浪能發(fā)電裝置主要由兩部分組成：捕能裝置和提能系統(tǒng)(動(dòng)力輸出系統(tǒng))，捕能裝置吸收波浪能并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，動(dòng)力輸出系統(tǒng)將捕能裝置吸收的波浪能經(jīng)過(guò)一級(jí)或多級(jí)轉(zhuǎn)換變成電能。

波浪能到電能的轉(zhuǎn)換一般分為二級(jí)轉(zhuǎn)換和三級(jí)轉(zhuǎn)換，其中第一級(jí)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)即捕能裝置，第二和第三級(jí)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為動(dòng)力輸出系統(tǒng)。絕大多數(shù)波浪能發(fā)電裝置都采用三級(jí)能量轉(zhuǎn)換：第一級(jí)將捕獲的波浪能轉(zhuǎn)換為某個(gè)載體的機(jī)械能；第二級(jí)將第一級(jí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械(如水力透平、空氣透平、液壓馬達(dá)、齒輪增速機(jī)構(gòu)等)的機(jī)械能；第三級(jí)將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。有些波浪能發(fā)電裝置采用特殊的發(fā)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)捕能裝置對(duì)發(fā)電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)[6]，從而省去了第二級(jí)能量轉(zhuǎn)換。

波浪能發(fā)電裝置的分類方法有很多，如按照安裝位置可分為：岸線式、近岸式和離岸式；按照類型可分為：消耗式、截止式和點(diǎn)吸收式；按照動(dòng)力輸出系統(tǒng)形式可分為：機(jī)械式、液動(dòng)式、氣動(dòng)式、液壓式、直線電機(jī)式、壓電式和磁流體式等。最常見(jiàn)的是按照工作原理分類，可分為：振蕩水柱式、振蕩體式和越浪式[2-3]，這里進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1.2.1 振蕩水柱式

振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置的主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)中空的氣室，氣室在水上及水下部分各有一個(gè)開(kāi)口，分別與空氣和海水聯(lián)通。振蕩水柱式波能發(fā)電裝置可分為固定式和漂浮式，其中漂浮式又可分為前彎管式(Forward Bent Ducted Buoy，F(xiàn)BDB)、后彎管式(Backward Bent Ducted Buoy，BBDB)、中心管式和斜管式[6]。

振蕩水柱式裝置的動(dòng)力輸出系統(tǒng)主要采用空氣透平，其原理是波浪運(yùn)動(dòng)反復(fù)壓縮和膨脹氣室內(nèi)的空氣，迫使空氣流過(guò)與發(fā)電機(jī)耦合的渦輪機(jī)，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置的優(yōu)點(diǎn)是裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，能量轉(zhuǎn)換的運(yùn)動(dòng)部件位于水面以上，不與海水接觸，防腐性能好，故障率低，維護(hù)方便。缺點(diǎn)是發(fā)電成本高，第二級(jí)能量轉(zhuǎn)換效率較低。

1.2.2 振蕩體式

振蕩體式波浪能發(fā)電裝置是研究較為廣泛的一類波能利用技術(shù)，其主要利用物體在波浪作用下的振蕩及搖擺等運(yùn)動(dòng)來(lái)吸收波浪能。振蕩體式波能發(fā)電裝置可分為振蕩浮子式、擺式、筏式、鴨式等。

振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置利用浮標(biāo)在波浪的作用下垂向振蕩將波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，為了將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，可以采用不同的動(dòng)力輸出系統(tǒng)，如液壓式或直線電機(jī)式動(dòng)力系統(tǒng)。

擺式波浪能發(fā)電裝置是利用波浪的運(yùn)動(dòng)來(lái)推動(dòng)擺體的擺動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，一般采用液壓式動(dòng)力輸出系統(tǒng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能。也可以采用機(jī)械式動(dòng)力輸出系統(tǒng)，通過(guò)齒輪齒條結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化機(jī)械能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)將其轉(zhuǎn)化為電能。

筏式波浪能發(fā)電裝置通過(guò)若干個(gè)端部鉸接的筏體來(lái)吸收波浪能，再通過(guò)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。筏式裝置順浪向布置，筏體隨波運(yùn)動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換為筏體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能；再驅(qū)動(dòng)液壓泵，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能；進(jìn)而驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，將液壓能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能；最后驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能[7]。

鴨式波浪能發(fā)電裝置是由英國(guó)的Salter教授發(fā)明的。其原理是在波浪作用下，鴨體繞支撐軸作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)連接鴨體與支撐軸之間的液壓轉(zhuǎn)換裝置發(fā)電[8]。

振蕩體式波浪能發(fā)電裝置的效率一般比較高，但由于很多部件直接與海水接觸，容易受到海水的腐蝕，并且很多裝置抵抗極端天氣的能力較差。

1.2.3 越浪式

越浪式波浪能發(fā)電裝置不同于前面兩類，它是利用收縮波道或斜坡將波浪引入高位蓄水池，形成水位差，利用水位差來(lái)驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。該類裝置比較典型的是收縮波道技術(shù)，波道呈喇叭狀，波浪進(jìn)入逐漸變窄的波道內(nèi)，由于聚波效應(yīng)，波高越來(lái)越大，直到波峰越過(guò)邊墻，進(jìn)入高位蓄水池，即將波浪能轉(zhuǎn)換為水的勢(shì)能，再通過(guò)水位差驅(qū)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。其優(yōu)點(diǎn)是：一級(jí)轉(zhuǎn)換沒(méi)有活動(dòng)部件，可靠性較高，維護(hù)費(fèi)用低；缺點(diǎn)是成本高，對(duì)地形有要求，且在小波浪的條件下效率較低。

2 國(guó)內(nèi)外典型的波浪能發(fā)電裝置及研究進(jìn)展

波浪能利用技術(shù)最早可追溯到1799年，法國(guó)的吉拉德父子獲得了第一個(gè)波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的專利。1940年，日本的Yoshio Masuda第一個(gè)將漂浮的振蕩水柱并入航海浮標(biāo)燈中，這也是現(xiàn)代波浪能系統(tǒng)的先驅(qū)[3]。隨著能源需求的增長(zhǎng)，許多國(guó)家越來(lái)越重視波浪能發(fā)電技術(shù)的研發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2015年以來(lái)，全球在歐洲、美國(guó)、日本、中國(guó)和亞洲開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目超過(guò)100個(gè)，專利超過(guò)1 000項(xiàng)[9]。隨著新概念和新技術(shù)的發(fā)展，這一數(shù)字還在不斷增加。在參考文獻(xiàn)[3、9]中，對(duì)波浪能發(fā)電技術(shù)做了詳細(xì)的綜述。本節(jié)只介紹近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外一些典型的波浪能發(fā)電裝置及研究進(jìn)展。

2.1 國(guó)外典型的波浪能發(fā)電裝置及研究進(jìn)展

超過(guò)50%的波浪能發(fā)電裝置是由歐洲國(guó)家研發(fā)的，大部分集中在點(diǎn)吸收式系統(tǒng)上[3]。此外，美國(guó)、新西蘭、智利、日本等國(guó)家也在大力研發(fā)波浪能發(fā)電技術(shù)。

振蕩水柱式波能發(fā)電裝置因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高而被廣泛研究。到目前為止，已經(jīng)有很多振蕩水柱式裝置被開(kāi)發(fā)出來(lái)。其中比較著名的有Mighty Whale、LIMPET、Mk3等。Mighty Whale由日本海洋科學(xué)技術(shù)中心研發(fā)，是一種具有面向入射波進(jìn)水導(dǎo)管的振蕩水柱式裝置，于1998年9月至2002年3月進(jìn)行了約3.5年的海上試驗(yàn)[10]；第一臺(tái)商用的LIMPET裝置于2000年安裝在蘇格蘭的IsIay島海岸線上，自安裝以來(lái)，它能夠?yàn)閲?guó)家電網(wǎng)提供每月500 kW的電力[9]；澳大利亞Oceanlinx公司于2010年2月至5月在澳大利亞Kembla港附近部署了一個(gè)2.5 MW全尺寸Mk3裝置的并網(wǎng)模型，Mk3是一個(gè)浮動(dòng)平臺(tái)，擁有幾個(gè)氣室，每個(gè)室都有一個(gè)空氣渦輪機(jī)。在試驗(yàn)期間，只安裝了2臺(tái)不同類型的渦輪機(jī)[11]。此外，荷蘭波浪能開(kāi)發(fā)公司基于阿基米德波浪擺(AWS)開(kāi)發(fā)了一種新型波浪能轉(zhuǎn)換裝置，稱為Symphony。新開(kāi)發(fā)的Symphony由一個(gè)多功能膜和一個(gè)新型渦輪組成。目前，Symphony系統(tǒng)仍在開(kāi)發(fā)中，正在等待部署[9]。

BBDB是在傳統(tǒng)振蕩水柱技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種漂浮式裝置，最早由Masuda于1986年提出。該裝置由一個(gè)L形導(dǎo)管、一個(gè)浮力模塊、一個(gè)氣室、一個(gè)空氣渦輪和一個(gè)發(fā)電機(jī)組成[11]。與其他的波浪能轉(zhuǎn)換裝置相比，BBDB具有單浮體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。近些年來(lái)，很多國(guó)外的研究者都對(duì)不同模型的BBDB做了二維及三維的水槽試驗(yàn)。常規(guī)波浪試驗(yàn)結(jié)果表明，基本BBDB模型在二維波浪水槽中的捕能寬度比可達(dá)70%，在三維波浪水槽中的捕能寬度比可達(dá)108%[7]。2006年，基于BBDB原理開(kāi)發(fā)的OE Buoy(見(jiàn)圖1)在愛(ài)爾蘭海岸用一個(gè)28 t重的1∶4比例的模型進(jìn)行了海試，海試時(shí)間超過(guò)3年，其從空氣動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)換效率約為30%[10]。

圖1 OE Buoy裝置

國(guó)外比較典型的振蕩體式裝置有CETO6、Wave Roller、SINN等。CETO 6是一種廣泛應(yīng)用的點(diǎn)吸收式系統(tǒng)，它是直徑為20 m的漂浮式波能發(fā)電裝置，其容量從2011年的80 kW逐漸增加到2015年的240 kW。該裝置在毛里求斯的Rodrigues島、澳大利亞西部的Garden島和英格蘭西南部的Cornwall等沿海進(jìn)行了部署[3]。AW能源有限公司開(kāi)發(fā)了一系列Wave Roller裝置，并于2007年和2012年分別在葡萄牙部署了100 kW和300 kW的設(shè)備，進(jìn)行了測(cè)試[9]。另一個(gè)比較受歡迎的裝置是SINN波能轉(zhuǎn)換裝置，其動(dòng)力輸出系統(tǒng)采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，該裝置已經(jīng)在希臘的Heraklion Crete港口進(jìn)行了部署，并于2015年開(kāi)始測(cè)試[9]。除此之外，還有Pelamis、SEAREV等。

Wave Dragon是一個(gè)非常典型的越浪式波能發(fā)電裝置，第一個(gè)原型于2003年在丹麥的Nissem Bredning海灣部署[3]，并進(jìn)行了近2年的實(shí)海況并網(wǎng)發(fā)電實(shí)驗(yàn)，這也是世界上第一個(gè)海上漂浮松弛系泊的波能裝置。裝置由兩個(gè)手臂組成，聚集波浪到蓄水池中，蓄水池的水位高于海水表面，在中間位置設(shè)置通道并安裝水輪機(jī)，儲(chǔ)存的水通過(guò)該通道驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)后流回大海[9]。另一個(gè)Wave Dragon項(xiàng)目于2007年在Wales西南海岸的Milford港口部署。

基于Wave Dragon的工作原理，F(xiàn)ernandez等人提出了一種新的越浪式裝置——WaveCat。WaveCat是一種海上漂浮式裝置，采用斜坡式，如圖2所示[12]。它由兩個(gè)船體組成，船體不是平行的，而是會(huì)聚在一起，在平面上形成一個(gè)楔形，船尾鉸接在一起，兩個(gè)船體之間的角度隨著海況變化。裝置采用單點(diǎn)系泊，當(dāng)波浪的方向改變時(shí)，裝置的方向隨之改變，所以入射波總是傳播到船體之間的楔形物中。

圖2 WaveCat示意圖

近些年來(lái)，有些研究者將越浪式波能裝置集成到傳統(tǒng)或新的海岸或港口的防波結(jié)構(gòu)中，組成了越浪式防波堤，如圖3所示[13]。這個(gè)概念是由意大利坎帕尼亞大學(xué)Vicinanza教授領(lǐng)導(dǎo)研究小組Luigi Vanvitelli于10年前提出的。為了研究越浪式防波堤影響設(shè)備性能的物理現(xiàn)象及其具體限制，分別于2012和2014年在丹麥的奧丁堡大學(xué)與2015年在意大利的坎帕尼亞大學(xué)進(jìn)行了1∶30的物理模型實(shí)驗(yàn)[13]。對(duì)越浪式防波堤更深一步的研究還在進(jìn)行當(dāng)中。

圖3 越浪式防波堤示意圖

2.2 國(guó)內(nèi)典型的波浪能發(fā)電裝置及研究進(jìn)展

我國(guó)波浪能技術(shù)研究開(kāi)始于20世紀(jì)70年代。為了推進(jìn)波浪能資源的開(kāi)發(fā)利用，我國(guó)將波浪能發(fā)電研究列入了國(guó)家重點(diǎn)科技計(jì)劃。盡管我國(guó)波浪能研究起步較晚，但發(fā)展較為迅速。目前我國(guó)從事波浪能發(fā)電研究的單位主要有廣州能源研究所、浙江大學(xué)、山東大學(xué)、集美大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)、國(guó)家海洋技術(shù)中心、武漢大學(xué)等。近些年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)波浪能開(kāi)發(fā)利用的大力支持以及科研院所及高校加大對(duì)波浪能發(fā)電研究的力度，我國(guó)在波浪能利用方面也取得了很多成就。

我國(guó)在波浪能研究早期，主要以振蕩水柱技術(shù)為主，在20世紀(jì)80、90年代也開(kāi)發(fā)了一些振蕩水柱裝置。隨著B(niǎo)BDB概念的提出，以及BBDB突出的優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。1996年，建成了額定功率為5 kW的BBDB-OWC電站，最大記錄功率為5.7 kW[10]。近些年來(lái)，中國(guó)海洋大學(xué)對(duì)長(zhǎng)方體BBDB的腔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并建立了三維數(shù)學(xué)模型來(lái)分析其水力性能。廣州能源研究所開(kāi)發(fā)了幾種不同形狀的BBDB模型，并進(jìn)行了二維和三維波浪水槽試驗(yàn)，結(jié)果表明，在條件相同的情況下，其捕能寬度比遠(yuǎn)大于以往文獻(xiàn)所述的其他類型裝置[7]。廣州能源研究所還提出了一種基于BBDB原理的波浪動(dòng)力船，并將其電力成本與文獻(xiàn)中的Mighty Whale進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，在同等規(guī)模下，BBDB波浪動(dòng)力船的建造費(fèi)用約為“巨鯨”的1/3[10]。

從2007年開(kāi)始，廣州能源研究所對(duì)鴨式裝置開(kāi)展了研究。2009年，一個(gè)裝機(jī)容量10 kW的鴨式裝置正式下水，進(jìn)行了第一次實(shí)海況試驗(yàn)，驗(yàn)證了裝置的高效性。2010 年對(duì)改造后的裝置進(jìn)行了第二次實(shí)海況試驗(yàn)，解決了浮態(tài)問(wèn)題[6]。2013年，又采用多級(jí)液壓模型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一套100 kW鴨式波能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，并進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)波浪較小時(shí)，啟動(dòng)30 kW發(fā)電機(jī)組；在中等波浪條件下，啟動(dòng)70kw發(fā)電機(jī)組；當(dāng)波浪較大時(shí)，啟動(dòng)2臺(tái)機(jī)組，額定功率為100 kW[14]。

另一種較為典型的振蕩體式裝置是由廣州能源研究所研發(fā)的鷹式裝置。2012至2014 年，鷹式波浪能發(fā)電裝置概念樣機(jī)10 kW“鷹式一號(hào)”裝置在珠海萬(wàn)山海域開(kāi)展海試，初步驗(yàn)證該型半潛式裝置具有較高的效率，良好的環(huán)境適應(yīng)性和工程便利性。2015年11月，鷹式波浪能發(fā)電裝置工程樣機(jī)100 kW“萬(wàn)山號(hào)”裝置(見(jiàn)圖4)在珠海萬(wàn)山海域開(kāi)展試驗(yàn)，截至2016-06-27日，“萬(wàn)山號(hào)”已開(kāi)展不同海況的試驗(yàn)，歷經(jīng)小浪、中浪、和大浪多種海況，取得了階段性試驗(yàn)數(shù)據(jù)與成果[15]。

圖4 100 kW“萬(wàn)山號(hào)”裝置

中國(guó)海洋大學(xué)設(shè)計(jì)了一種新型的波能裝置，稱為圓形斜坡越浪式波能轉(zhuǎn)換裝置(Circular Ramp Overtopping Wave Energy Converter ，CROWN)。該裝置由一個(gè)圓形的蓄水池組成，蓄水池周圍圍繞著一個(gè)環(huán)形斜坡，用于波浪爬升和越過(guò)。在斜坡上設(shè)置導(dǎo)葉，用于聚集波浪，提高流量。波浪可以從所有入射方向越過(guò)斜坡進(jìn)入蓄水池，水池底部開(kāi)有通道與海水相連，通道內(nèi)設(shè)置低水頭軸流式水輪機(jī)用于發(fā)電。該裝置在中國(guó)海洋大學(xué)山東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室波浪水槽中進(jìn)行了物理模型實(shí)驗(yàn)，為進(jìn)一步的研究提供了依據(jù)[16]。

3 當(dāng)前波浪能發(fā)電技術(shù)存在的問(wèn)題及解決思路

盡管經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，波浪能發(fā)電技術(shù)取得了一定的成就，但大多數(shù)波浪能系統(tǒng)仍處于開(kāi)發(fā)的早期階段，只有少數(shù)裝置在實(shí)海況下進(jìn)行了試驗(yàn)，波浪能的商業(yè)利用率仍然很低。當(dāng)前波浪能發(fā)電技術(shù)還存在諸多問(wèn)題，主要有發(fā)電效率低、生存可靠性差、發(fā)電成本高等。為了實(shí)現(xiàn)波浪能發(fā)電裝置大規(guī)模商業(yè)化，需要想辦法解決或改善這些問(wèn)題。

1)針對(duì)波能轉(zhuǎn)換裝置發(fā)電效率低的問(wèn)題，可以通過(guò)優(yōu)化捕能裝置水動(dòng)力結(jié)構(gòu)和動(dòng)力輸出系統(tǒng)參數(shù)配置，減小整個(gè)裝置在波浪能俘獲和能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中的能量耗散；也可以采用控制方法(如相位幅值控制、無(wú)功控制、閉鎖控制和離合控制等)對(duì)裝置實(shí)時(shí)控制，以提高發(fā)電效率。其中，武漢大學(xué)對(duì)船體擺式捕能裝置側(cè)面形狀進(jìn)行了優(yōu)化，并指出橢圓形船體能夠獲得更大的縱搖水力矩，捕能效果更好[17]。武漢大學(xué)還對(duì)液壓PTO進(jìn)行了綜合性能試驗(yàn)，分析了其能量轉(zhuǎn)換效率，提出了綜合特性曲線用以指導(dǎo)PTO的設(shè)計(jì)和高效穩(wěn)定運(yùn)行[18]。另外，武漢大學(xué)還創(chuàng)新地提出了主動(dòng)共振波能利用技術(shù)，通過(guò)調(diào)整波能裝置的剛度，使波能系統(tǒng)的自振頻率與波浪頻率一致，實(shí)現(xiàn)裝置與波浪共振，進(jìn)而有效提高裝置的取能效率[19-21]。

2)針對(duì)波能轉(zhuǎn)換裝置生存可靠性差的問(wèn)題，一種思路是將活動(dòng)部件封裝在腔體內(nèi)，與海水隔離，從而避免海水腐蝕及水生物附著。采用這種思路的裝置包括SEAREV、VAPWEC以及武漢大學(xué)的主動(dòng)共振式裝置[20-21]等；另一種思路是考慮在極端海況下，將波能轉(zhuǎn)換裝置的活動(dòng)部件抬離海面或沉入水底，以避免惡劣海況的沖擊。如Wavestar裝置可收縮液壓桿將浮體抬離水面，鷹式“萬(wàn)山號(hào)”可通過(guò)對(duì)其半潛駁船式的基座注水將鷹嘴沉入水底。

3)與其他可再生能源相比，波浪能技術(shù)還存在成本高的問(wèn)題，這也是波浪能發(fā)電裝置商業(yè)化面臨的最大挑戰(zhàn)[9]。近些年來(lái)，越來(lái)越多的研究者聚焦于混合系統(tǒng)(即多能互補(bǔ)系統(tǒng))上，將風(fēng)力發(fā)電(或光伏發(fā)電)和波浪能發(fā)電結(jié)合起來(lái)，以便從海上獲取更多能量并減少初始投資。混合系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于能量輸出的密度更高、能夠較為平滑地接入電網(wǎng)以及減小了單一資源的波動(dòng)性對(duì)能量輸出的影響。如果發(fā)電機(jī)共享相同的基礎(chǔ)設(shè)施，就有可能降低初始安裝成本[3]。

除此之外，波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)和部署還要考慮對(duì)環(huán)境的影響，雖然波浪能是一種清潔能源，波浪能裝置在運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，但如果部署不當(dāng)，仍會(huì)對(duì)周圍的海洋生物及植物造成負(fù)面影響。

針對(duì)當(dāng)前波浪能發(fā)電技術(shù)存在的問(wèn)題，武漢大學(xué)經(jīng)過(guò)多年的研究，提出了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的浮力擺式主動(dòng)共振波能轉(zhuǎn)換裝置。該裝置利用完全浸沒(méi)于水下的浮力擺在波浪激勵(lì)下繞水平軸擺動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，并通過(guò)調(diào)整浮力擺內(nèi)部配重的上下位置改變其靜水回復(fù)力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，同時(shí)調(diào)節(jié)等效剛度和等效慣量以改變自振頻率，實(shí)現(xiàn)浮力擺與波浪的共振。目前，已對(duì)該裝置的模型樣機(jī)開(kāi)展了一系列波浪水槽試驗(yàn)。研究和試驗(yàn)結(jié)果表明該裝置已具備實(shí)現(xiàn)寬頻帶全海況共振取能和高效發(fā)電的客觀條件，且其生存可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自身動(dòng)力需求小。首先，該裝置可大范圍調(diào)節(jié)浮力擺等效剛度(理論上等效剛度可以調(diào)節(jié)到0)和等效慣量，保證寬頻帶全海況共振，可以有效提高發(fā)電效率；其次，該裝置除擺體外其他運(yùn)動(dòng)部件不與海水接觸，可靠性高，且通過(guò)增加浮力擺的下潛深度，就可避免惡劣海況下的波浪沖擊；最后，浮力擺和內(nèi)部配重的整體質(zhì)量大，浸沒(méi)在水中時(shí)，其垂直方向上所受重力和浮力的合力小，因此其在水中上升發(fā)電和下潛避浪時(shí)自身所消耗的動(dòng)力小。

4 結(jié) 語(yǔ)

海浪能是世界上最大的未開(kāi)發(fā)和可預(yù)測(cè)的可再生能源之一，可用于滿足當(dāng)前能源危機(jī)形勢(shì)下的能源需求。雖然已經(jīng)有很多國(guó)家對(duì)波浪能發(fā)電技術(shù)展開(kāi)了研究，但距離實(shí)現(xiàn)波浪能發(fā)電商業(yè)化仍有很長(zhǎng)的路要走。近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)軟件和應(yīng)用程序的發(fā)展，對(duì)于波浪條件的預(yù)測(cè)和模擬更加精確，對(duì)于波浪資源潛力的描述也更加可靠。數(shù)值模擬與計(jì)算流體力學(xué)相結(jié)合，可用于測(cè)試大型原型裝置及改進(jìn)新技術(shù)。仿真與模型試驗(yàn)相結(jié)合大大提高了新興波浪能源產(chǎn)業(yè)的效率，對(duì)于開(kāi)發(fā)和改進(jìn)波浪能裝置具有重要的意義。此外，隨著研究的深入，風(fēng)光浪等多能互補(bǔ)系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越展現(xiàn)出其優(yōu)越性，將成為以后的研究熱點(diǎn)。