王世明　楊倩雯

【摘 要】隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展、人口的激增和社會的進步，人類對能源的需求日益增長，波浪能因為優(yōu)越的可再生性、環(huán)保性及巨大的貯藏量而成為重點研究對象。近年來，對于波浪能的開發(fā)與利用的技術(shù)上發(fā)展非常迅猛，取得了相當卓越的進步。本文將對波浪能能源概況進行介紹，著重分析幾種不同原理波浪能發(fā)電裝置的關(guān)鍵技術(shù)，并對相關(guān)利用方式以及效率數(shù)據(jù)進行舉例分析。我國現(xiàn)已成為世界第二經(jīng)濟大國，對能源需求進一步增大?；Y源屬不可再生資源，難以滿足能源進一步需求，且化石資源大規(guī)模利用必加重環(huán)境污染，加速地球變暖?？梢?，人類對波浪能等可再生清潔能源的需求必然增強，從長遠來看，波浪能的利用具有重大潛力，加大波浪能研究開發(fā)具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】波浪能；發(fā)電裝置

1 波浪能概述

波浪所蘊涵的能量主要是是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面的寬度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源。波浪能是由風把能量傳遞給海洋而產(chǎn)生的，它實質(zhì)上是吸收了風能而形成的。能量傳遞速率和風速有關(guān)，也和風與水相互作用的距離有關(guān)。臺風導致的巨浪，其功率密度可達每米迎波面數(shù)千kW，而波浪能豐富的歐洲北海地區(qū)，其年平均波浪功率也僅為20-40kW/m中國海岸大部分的年平均波浪功率密度為2-7kW/m。全世界波浪能的理論估算值也為109kW量級。利用中國沿海海洋觀測臺站資料估算得到，中國沿海理論波浪年平均功率約為1.3107kW。但由于不少海洋臺站的觀測地點處于內(nèi)灣或風浪較小位置，故實際的沿海波浪功率要大于此值，其中浙江、福建、廣東和臺灣沿海為波能豐富的地區(qū)。

波浪能發(fā)電一般是利用波浪的推動力，使波浪能轉(zhuǎn)化為推動空氣流動的壓力（原理與風箱相同，只是用波浪做動力，水面代替活塞），利用海面波浪的垂直運動、水平運動和海浪中水的壓力變化產(chǎn)生的能量推動空氣渦輪機葉片旋轉(zhuǎn)而帶動發(fā)電機發(fā)電。波浪能發(fā)電系統(tǒng)一般包括能量采集系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能量吸收裝置吸收波浪能并將其轉(zhuǎn)換成規(guī)則運動形態(tài)（如直線運動、圓周運動）的機械能，再通過能量轉(zhuǎn)換裝置將規(guī)則運動形態(tài)的機械能轉(zhuǎn)換成電能輸出。

2 波浪能開發(fā)意義

海洋占地球表面積70%，集中了97%的水量，蘊藏著大量的能源，包括波浪能、潮汐能、海流能、溫差能、鹽差能等。其中，波浪能由于開發(fā)過程中對環(huán)境影響小且以機械能形式存在，是品位最高的海洋能。利用波浪能發(fā)電可為邊遠海島和海上設(shè)施等提供清潔能源，還可利用波浪能提供的動力進行海水淡化，從深海提取低溫海水進行空調(diào)制冷以及制氫等。因為太陽輻射的不均勻加熱與地殼冷卻及地球自轉(zhuǎn)造成風，風吹過海面又形成波浪，因此海洋波浪是由太陽能源轉(zhuǎn)換而成的，波浪所產(chǎn)生的能量與風速成一定的比例。波浪能是近期在海洋能源利用中研究最多的能源形式，因為其是海洋能蘊藏最為豐富的能源之一，隨著人類不斷的研究與試驗，波浪能的利用也慢慢走向了商業(yè)化的道路。

波浪能比較其他能源有如下優(yōu)點：（1）分布最廣；（2）可再生，只要有太陽能的存在，即會產(chǎn)生風能，從而會不斷地產(chǎn)生波浪能；（3）波能流密度最大，最高在某些地方可達到100kW/m，可利用程度非常高；（4）潔凈無污染；（5）有按周期性變化的規(guī)律可循，從而為其標準化利用打下基礎(chǔ)；（6）以機械能形式出現(xiàn)，是海洋能中品位最高的能量。波浪能的這些優(yōu)點意味著：波浪能相對其他海洋能源，利用更加方便，裝置可以更加小巧廉價，可以為沿海地區(qū)、海洋平臺和遠海領(lǐng)域的提供能源。

3 波浪能發(fā)電技術(shù)原理及波能轉(zhuǎn)化裝置分類

波浪能發(fā)電系統(tǒng)有很多種形式，總體上可以分為三級，第一級與波浪直接接觸捕獲波浪能，將波浪能轉(zhuǎn)換成發(fā)電系統(tǒng)所能接受的實體能量，通常表現(xiàn)為在波浪運動下的起伏機械能，如浮子、擺板等裝置；第二級為中間轉(zhuǎn)化和傳輸系統(tǒng)，把起伏的機械能傳輸?shù)降谌龢O進行發(fā)電；第三級即發(fā)電系統(tǒng)和輸出電力系統(tǒng)，通常為發(fā)電機。這三級是相互聯(lián)系，相互作用的。最重要的是第一級的波浪能捕獲系統(tǒng)，波浪能捕獲的多少直接影響到后面二、三級系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率和發(fā)電量。第二級主要起穩(wěn)向、增速、穩(wěn)速的作用。第一級與第二級之間很多時候具有一定的距離，必須有第二級在兩者之間起到連接和能量傳遞作用。

第一級轉(zhuǎn)化是：捕捉波浪的垂蕩運動或水平運動的能量轉(zhuǎn)化為發(fā)點裝置所持有的能量。這樣，波浪能發(fā)電系統(tǒng)必須有一對實體去接觸波浪能，即接觸波能體（受能體）和定體，受能體直接接觸波浪運動，捕捉波浪傳來的能量，定體相對于受能體是固定的，運動與受能體一致或滯后一個相位差。一般而言，受能體以定體是多種做樣、各種形式的，通過這個組合來實現(xiàn)第一級能量轉(zhuǎn)換。

第二級中間轉(zhuǎn)化是：可以認為它是一、三級之間的“橋梁”，把第一級和第三極能量轉(zhuǎn)換連接起來。第一級轉(zhuǎn)換的波浪能一般是不穩(wěn)定的，達不到最終轉(zhuǎn)換的動力機械的要求。中間轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要起著穩(wěn)向、增速和穩(wěn)速的關(guān)鍵作用，另外有的波能發(fā)電裝置如離岸式波能發(fā)電裝置第一級與第三極之間有一段距離，此時，中間轉(zhuǎn)換還起著能量儲存和運輸作用。中間轉(zhuǎn)換裝置按照不同的實體可以分為：機械式、水力式、氣動式等。

第三極轉(zhuǎn)換裝置即終極轉(zhuǎn)化是：把機械能轉(zhuǎn)換成電能，基本上采用常規(guī)技術(shù)發(fā)電，最新的發(fā)電技術(shù)有液態(tài)金屬磁流體發(fā)電技術(shù)等，應(yīng)為發(fā)電機是在工況變化大的環(huán)境下工作，發(fā)電效率會受到一定影響，不會很高。最終轉(zhuǎn)換也可以不發(fā)電，直接把機械能輸送到工作裝置，這樣可以省去機械能—電能—機械能環(huán)節(jié)，能夠簡化結(jié)構(gòu)，提高效率。

長期以來，世界各地出現(xiàn)了形形色色的海洋波能轉(zhuǎn)換裝置，其種類是各種海洋開發(fā)裝置中最多的，因此對它們進行分類的標準也很多。按照工作的場所，可以分為海岸式波浪能轉(zhuǎn)換裝置和海洋式波浪能裝換裝置；按照波浪能轉(zhuǎn)換裝置吸收波浪能的方式來分的話，大略可以分為垂直擺蕩式、空腔共振式、壓力式等。

（1）浮體

用于安裝發(fā)電設(shè)備，使裝置能浮于海面，為漂浮式的波浪能發(fā)電裝置所必須。浮體必須具有一定的容積與浮力，結(jié)構(gòu)要堅固，能耐海水腐蝕，外形能適應(yīng)波浪環(huán)境；還要能承載全部發(fā)電設(shè)備，使整個裝置浮動于海面之上。

（2）波浪能接收器

用于接收或吸收波浪的能量。由于波浪能是一種散布在海面的低密度能量，故該部件尺寸要足夠大，或組成陣列，以吸收較多的波浪能。波浪能接收器吸收波浪能力的效率低是衡量整個裝置性能優(yōu)劣的主要指標。

（3）波力放大器

這是由波浪能接收器所吸收的分散波浪能變成集中能量的設(shè)備，其作用是把波浪能接收器接收的分散的波浪能變成集中地能量。通常用氣筒、油壓泵、水壓泵等來完成。例如在氣柱振蕩式波浪能發(fā)電裝置中，需要把流經(jīng)空氣渦輪的氣流速度加大，最多從lm/s左右提高到lOOm/s，才能驅(qū)動空氣渦輪高速旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。

（4）原動機一發(fā)電機

它們的作用是完成波浪能向電能的裝換。原動機可用空氣渦輪、液壓馬達、水輪機等。發(fā)電機可用交流發(fā)電機，也可用直流發(fā)電機。

（5）電器控制與自動控制設(shè)備

主要用來保護整個裝置，在無人看管的條件下正常運行。例如在惡劣的海況條件下運轉(zhuǎn)、防護海水的侵蝕、在潮濕環(huán)境中保持電氣設(shè)備的良好絕緣性能等。

（6）錨泊系統(tǒng)

漂浮式波浪發(fā)電裝置必須在海面上定位，才能正常運轉(zhuǎn)發(fā)電。這就必須通過纜繩和錨將整個裝置系在海底。這就是錨泊系統(tǒng)的作用。

根據(jù)國際上最新的分類方式，波浪能技術(shù)分為：振蕩水柱技術(shù)、振蕩浮子技術(shù)和越浪技術(shù)。其中振蕩水柱技術(shù)利用波浪驅(qū)動氣室內(nèi)水柱往復運動，再通過水柱驅(qū)動氣室內(nèi)的空氣，進而由空氣驅(qū)動葉輪，得到旋轉(zhuǎn)機械能，進一步驅(qū)動發(fā)電裝置，得到電能。這種技術(shù)可靠性較高，但效率低。振蕩浮子技術(shù)利用波浪的運動推動裝置的活動部分產(chǎn)生往復運動，驅(qū)動機械系統(tǒng)或油、水等中間介質(zhì)的液壓系統(tǒng)，再推動發(fā)電裝置發(fā)電。越浪技術(shù)是利用水道將波浪引入高位水庫形成水位差（水頭），利用水頭直接驅(qū)動水輪發(fā)電機組發(fā)電。

1）振蕩水柱式波浪轉(zhuǎn)化裝置

振蕩水柱技術(shù)是利用一個水下開口的氣室吸收波能的技術(shù)。波浪驅(qū)動氣室內(nèi)水柱往復運動，再通過水柱驅(qū)動氣室內(nèi)的空氣，進而由空氣驅(qū)動葉輪，得到旋轉(zhuǎn)機械能，或進一步驅(qū)動發(fā)電裝置，得到電能。

隨著研究的發(fā)展和深海開發(fā)的需要，漂浮式振蕩水柱的研究也開始出現(xiàn)。對漂浮式波能轉(zhuǎn)換裝置的研究成果主要有三類，BBDB，Sloped Buoy和Spar Buoy。日本學者Yoshio Masuda對固定式振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換裝置進行了改進設(shè)計，出現(xiàn)了后彎管浮子（BBDB）式漂浮式振蕩水柱型波能轉(zhuǎn)換裝置。中國、韓國、丹麥和愛爾蘭等國家都對這種類型的波能轉(zhuǎn)換裝置進行了研究和實驗，目前最主要的應(yīng)用主要是海上航標燈。2006年愛爾蘭建成了一座1/4比例的海試模型。Might Whale是日本建造的漂浮振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置，長50m，寬30m，吃水12m，排水量約4400t，裝機功率110KW。于1998年建造成功并開始運行。其工作原理同1976年建造的Kaimei相同，不同的是Kaimei的發(fā)電機是縱向布置的，前排的發(fā)電量較大，后面的就相對較小。而Might Whale則改變了這一布置方式，采用并排布置，提高了波能的發(fā)電效率。Sloped Buoy和Spar Buoy也是基于振蕩水柱的概念而設(shè)計的波能轉(zhuǎn)換裝置，這兩種類型的裝置研究文獻和工程應(yīng)用相對較少。

我國對振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換裝置的研究主要由中科院廣州能源所承擔，從20世紀90年代至今已經(jīng)建成的主要有珠海大萬山3KW波力電站，1996年升級至20KW。2001年在廣東省汕尾市遮浪鎮(zhèn)建成了首臺100KW的振蕩水柱式波能發(fā)電裝置。

振蕩水柱式裝置的最大優(yōu)點就是：透平機組等相對脆弱的機械部分只與往復流動的空氣接觸，不與波浪接觸，因而比與波浪直接接觸的直接式波能裝置的抗惡劣氣候性能好，故障率低。但其缺點也很明顯，（1）建造費用昂貴。固定式裝置通常是用鋼筋混凝土澆筑而成。由于施工環(huán)境惡劣，建造氣室等水下結(jié)構(gòu)時風險較高，因此除了材料成本外，還要考慮天氣等因素的影響所造成的機械、人工停工等待及返工的費用。而漂浮式裝置成本主要體現(xiàn)在材料上。漂浮式裝置一般為鋼結(jié)構(gòu)的，再加上其系泊系統(tǒng)，造價并不比固定式的便宜。（2）轉(zhuǎn)換效率低。該裝置通過壓縮空氣驅(qū)動透平對外做功，由于往復流中空氣透平的效率較低，裝置將波浪能轉(zhuǎn)換為電能的總效率約為10%-30%。就不同類型的振蕩水柱式波能裝置而言，固定式裝置通常比漂浮式裝置的轉(zhuǎn)換效率高些，抗風浪能力強些，且易于管理。但固定式裝置通常要現(xiàn)場施工，受天氣、海浪、漲落潮等自然因素影響較大，建造的質(zhì)量難以保障，失敗的可能性較大。而漂浮式波能裝置可以在船廠建造，施工條件較好，建造質(zhì)量高，但效率稍低，抗浪能力較差，電能需要通過海底電纜輸出或就地使用，不易于管理。

2）振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置

振蕩浮子技術(shù)是利用波浪的運動推動裝置的活動部分——鴨體、筏體、浮子等產(chǎn)生往復運動，驅(qū)動機械系統(tǒng)或油、水等中間介質(zhì)的液壓系統(tǒng)，再推動發(fā)電裝置發(fā)電。振蕩浮子技術(shù)包括鴨式、筏式、浮子式、擺式、蛙式等諸多技術(shù)。在歐洲，振蕩浮子式波能裝置被稱為第三代裝置，與固定在岸邊的第一代波浪能裝置和離岸但轉(zhuǎn)換效率不高的第二代波浪能裝置相比，主要有以下優(yōu)勢：

①因為與波浪直接接觸，能量轉(zhuǎn)換次數(shù)少，多利用振動本身轉(zhuǎn)化電能，所以能量轉(zhuǎn)換效率較高；②振蕩浮子波能發(fā)電裝置的單體占用面積小，對波浪場的影響小，對海洋水動力環(huán)境的影響一般可忽略不計；③振蕩浮子形式靈活，還可以結(jié)合波浪水文條件進行點陣化設(shè)計排布，整個組合型裝置的總功率與浮子個數(shù)的多少有關(guān)，結(jié)構(gòu)形式多樣。同時受水深條件的限制小，特別是在超過40m的深水區(qū)也可以正常工作。但與第一代波能裝置相比，振蕩浮子式裝置結(jié)構(gòu)部件較多，加之錨固系統(tǒng)較復雜，因此近年來才得到較大發(fā)展。目前，該類裝置的研發(fā)主要集中在歐美日等國家。

目前波浪發(fā)電的主要問題是能量轉(zhuǎn)換效率低，導致發(fā)電成本高。效率包括從波浪能到機械能，以及從機械能到電能的轉(zhuǎn)換過程。由于波浪的變化性以及機械裝置的慣性，從運動的波浪中攝取最多的能量是一個復雜的系統(tǒng)控制問題。針對效率問題的研究，已有很多專家提出基于裝置的設(shè)計和優(yōu)化的解決方案，但大都是基于浮子的設(shè)計和優(yōu)化的解決方案。

3）越浪式波能轉(zhuǎn)換裝置

越浪技術(shù)是利用水道將波浪引入高位水庫形成水位差（水頭），利用水頭直接驅(qū)動水輪發(fā)電機組發(fā)電。越浪式波能發(fā)電裝置較其他形式的波能轉(zhuǎn)換裝置有其明顯優(yōu)勢，引浪面及蓄水池提供的穩(wěn)定水頭，將不穩(wěn)定的波浪能轉(zhuǎn)換為平穩(wěn)而持續(xù)輸出的電能，可克服波能發(fā)電過程中輸出功率不穩(wěn)定的問題。同時，該裝置可與防波堤等海工建筑物聯(lián)合開發(fā)，從而大大降低投入成本。越浪型波能發(fā)電裝置已成為世界各國的研究熱點。

4 我國波浪能發(fā)展現(xiàn)狀及前景

我國波浪能發(fā)電技術(shù)研究始于20世紀70年代，于1975年研制成1臺1kW的波浪能發(fā)電浮標，在浙江省嵊山島進行了試驗。80年代以后獲得較快發(fā)展，1984年廣州能源所研制成功6W小型波浪能發(fā)電裝置，用于導航燈標，隨后按不同導航燈標的要求，又開發(fā)了系列產(chǎn)品。目前在我國沿海航線已安裝了數(shù)百臺這種小型波浪能發(fā)電裝置.與日本合作研制的后彎管型浮標發(fā)電裝置，已向國外出口，該技術(shù)屬國際領(lǐng)先水平。

中國第一座試驗波浪能電站位于南中國海的珠海市大萬山島，1989年試建成功。裝機容量為3kW的多振蕩水柱型沿岸固定式波浪能電站。1989年，1990年及1991年分別對其做了三次海上運行試驗，研究了實海況下氣室、透平及電機的性能.試驗結(jié)果表明，該電站具有很好的實海況性能。波浪能電站的平均“總效率”大都在10%～35%，最大值接近40%.在該電站原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，廣州能源研究所已將其改建成一座20kW的波浪能電站，并于1996年2月試發(fā)電成功，逐步完善后將向島上提供補充電源。

總而言之，我國波浪能發(fā)電雖起步較晚，但發(fā)展很快。微型波浪能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟，小型岸式波浪能發(fā)電技術(shù)已進入世界先進行列。在波浪能發(fā)電規(guī)模方面，世界上已從102kW，103kW級發(fā)展到104kW級的應(yīng)用，而我國目前仍停留在10kW，102kW級的水平上，至2020年的遠景目標也只是發(fā)展到102kW～103kW級的波浪能電站，波浪能開發(fā)的規(guī)模遠小于挪威，英國等，因此小型波浪能發(fā)電距實用化尚有一定距離。

海水淡化、波能供給對于解決邊遠海島和臨海干旱國家的能量供應(yīng)有重要意義。當前，人類對淡水需求日益增加，海水淡化能夠大大緩解人們淡水需求的壓力。特別對于偏遠島嶼而言，波能發(fā)電裝置可實現(xiàn)電能供給和淡水供應(yīng)，可促進島嶼的開發(fā)與利用。

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[責任編輯：楊玉潔]