海浪发电的典型装置和发展趋势

杨家武 辛玉超 杨帆

摘 要：由于环境问题的日益突出，化石能源短缺的迫切需要，因此，海浪作为一种新型可再生的绿色资源，日益受到世界各国的高度重视。如何高效利用海浪资源成为了各国在寻求新能源道路上所遇到的巨大瓶颈，但随着波能转换技术日趋成熟，转换效率的逐步提高，海浪发电装置凸显出越来越大的商业价值和生态价值，其研究现状可谓是百家争鸣，发展前景上也是大有可为。本文主要介绍了利用波浪发电的典型装置，分析了波浪能研究与利用的发展方向和趋势。

关键词：海浪发电 波能转换装置 发展方向 趋势

中图分类号：P743 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（c）-0072-02

Typical of wave power device and its development trend

Yang Jiawu Xin Yuchao Yang Fan

（The northeast forestry university， mechanical and electrical engineering college ，Harbin heilongjiang ，150040，China）

Abstract：As the environmental issues becoming serious increasingly and the dwindling fossil fuels becoming needed urgently， wave power， as a renewable green energy， is attracting more and more attention around the world.How to efficiently use the wave resource has become the countries seeking new energy on the road encountered a huge bottleneck， With the wave-to-energy conversion technology matures and the conversion efficiency increases gradually， This paper describes a typical use of wave power devices. It also analyzes the developing direction in the future.

Key Words：Wave power；Wave energy conversion device

近年来，由于环境问题的日益严重，能源短缺的迫切需要，如何减少碳排放量，如何优化能源结构，减轻对传统化石能源的依赖已成为全球关注的焦点。为了解决这些问题，人们早已把可发展领域扩展到可再生能源范围，如太阳能，风能等。海洋占据了地球71%的面积，集中了97%的水量，其中蕴含着大量的能源与资源，随着国际社会对海洋能关注度的不断攀升，海洋开发技术的不断进步，如今海洋已经成为了研究开发可再生资源的热点对象。

海洋能源主要指的是海洋中依附于海水所特有的的可再生能源，例如潮汐能、海流能、溫差能、潮流能、波浪能和盐差能等。其中波浪能是品位最高的海洋能[1]，因为它在开发的过程中对环境的影响和破坏作用最小而且是以机械能的形式存在。有研究报道，全世界的波浪能储量理论值约为109kW量级，是现阶段世界发电量的数百倍，有非常广阔的应用前景，因此成为了世界各国海洋能开发的重点领域。

我国虽然是海洋大国，但对于海洋的开发利用起步比较晚，对于海浪发电技术的研究尚在试验阶段，但随着中国梦的提出，对于如何从海洋大国变成海洋强国，如何快速进军“蓝色能源”领域已成为我国正在努力的方向，《国家“十二五”海洋科学和技术发展规划纲要》的颁布为也我国海洋事业的发展提供了巨大的政策支持，值此契机，我国对于海浪发电技术的研究与开发必将会有长足的进步，在争取早日实现中国梦的道路上，优先实现我国的海洋梦。

1 海浪发电的典型装置

波浪能开发利用的主要方式是海浪发电，通过研究发现，开发利用波浪能的装置形状各异，种类繁多，专利的发明也是数不胜数，这些装置主要是根据以下几种机理研发的，即利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动产生的能量；利用波浪压力的变化所产生的能量或者利用波浪的上升将波浪能转换成水的势能等[2]。自1970年到现在，波浪能发电装置虽然种类繁多，但真正走出实验室，已经逐步接近实用化水平，被认为最具有应用价值和经济价值的不外乎以下几种，包括：振荡水柱式装置（oscillating water column wave energy converter以下简称OWC）、摆式装置、筏式装置、收缩波道装置、振荡浪涌转换装置、鸭式装置等，其中OWC技术最为常用[3]。

1.1 振荡水柱式波能转换装置（OWC）

该转换装置根据振荡水柱停泊的方式分成固定式和漂浮式。固定式又分为近岸式和离岸式两种，装置建造在岸边的称为近岸式，建造在海里的称为离岸式[4]。振荡水柱式波能转换装置的原理及结构如图1所示，主要包括前港、气室、风道及涡轮机。在入射波浪的作用下，气室内的水柱受力发生振荡，使水柱上方的空气往复地推动风道，从而使涡轮机产生机械能量进行发电。该装置的特点是依靠波浪的共振作用来加强水柱震荡。由于波浪的推动作用气室内的水柱进行上下往复运动，且具有固定的频率，当入射波浪的频率与水柱的固有频率相同或者接近时，将会产生共振作用，使气室内水柱的振幅加大。有报道指出，当水柱处于共振状态时，入射波浪与水柱的共同作用使得入射波浪的波高增加，而振荡体背部的波高减小，从而增加了波能转换装置的效率。

振荡水柱式装置的优点是：装置中相对脆弱的机械部分只与空气接触，不与波浪接触，因此抗恶劣气候的性能好，故障率低且使用寿命长。但其缺点也很明显：（1）建造该装置所话费的费用比较昂贵。（2）该装置的转换效率低，将波浪能转换为电能的总效率约为10%～30%。

1.2 摆式波能转换装置

该装置的原理是在波浪的推动下，将波浪能转换成机械能或势能，再利用装置的运动部件直接对外做功转换为电能。属于固定式波能转换装置，包括水室摆板机构、机电转换机构、发配电机构三个部分。首先，第一部分是实现波能转换为机械能的过程，第二部分是将机械能转换为电能的过程，第三部分是将电力输送的过程[5]。其中第一部分是技术的关键所在，其中提高水动力与能量转换效率是该装置研究开发的重点。

摆式波能转换装置的优势有很多：结构简单，成本较低，能够适应恶劣的海洋环境，且有较高的波能转换效率。缺点是转换效率与振荡水柱式装置相比较不稳定，受摆板后去流段长度的影响较大。

1.3 收缩波道式波能转换装置

该装置的原理是基于聚波理论研发的。聚波理论最早是由来自挪威的Budal和Falnes提出。收缩波道式波能装置及原理如图2所示，該装置具有一个高位水库和一个收缩波道[6]。收缩波道是两道呈对数螺旋形状的正交曲面，用钢筋混凝土做成，两道墙在高位水库内相接，从海里一直延伸到高位水库。当波浪进入收缩波道时产生聚波作用，增大波浪的高度越过钢筋混凝土墙进入高位水库。然后通过一个低水位的水轮发电机组发电。

收缩波道式波能装置的优点为：没有活动部件参与波能的转换，出力稳定，可靠性好，几乎不受波高和周期的影响，维护费用低，转换效率在65%～75%之间。缺点为对地形和地势要求极高，在一般海洋情况下不易广泛推广。

1.4 振荡浮子式转换装置

振荡浮子式波浪能转换装置是现阶段比较典型的转换装置，主要有英国Awsocean Energy公司研制的阿基米德波浪摆装置，丹麦的Wave Star公司的Wave star装置，美国的OPT（ocean power technologies）公司研制的装机容量40kW的Power Buoy波力装置，瑞典的Aqua buoy以及我国开发的50kW岸式振荡浮子式波浪能电站等[7]。振荡浮子式装置的结构以及原理如图3所示。电磁转换器随着浮子运动吸收能量，通过电磁转换器将波浪能转换成电能。

振荡浮子式波能采集装置的优点是：所需成本、地形条件和建造难度均较低、转化的效率较高；缺点是：浮子受外界冲击容易发生损坏。该采集装置所占面积较小，适用于一些提供电源的场合。

1.5 其他波能转换装置

除了上述装置外，Salter“点头鸭”式波能转换装置、整流式波能转换装置以及筏式与液压系统的组合式等是目前应用较为成功的波浪能转换装置，它们所利用的原理基本相同。从上文可以知道，振荡水柱式波能装置在实际应用中是最普遍的波能装置，因为该装置在结构上具有较好的可靠性等优点在欧洲、日本、北美等这些波能密度高的国家得到广泛应用。但它的缺点是转换效率较低，投资费用过高，在如中国这样的波能密度较低的国家，采用这种低效、高成本的装置就显得不太理想，如何降低成本、提高转换效率成为波浪装置走向市场的关键。

2 海浪发电技术的发展趋势

绿色能源的巨大储量吸引了世界上越来越多国家的青睐，除了越来越受欢迎的太阳能和风能，海洋能源也收到了众多国家的青睐，各个国家纷纷在海域“跑马圈地”，想从“蓝色油田”中找到商机。事实上，全球都在思考如何“驾驭”拥有巨大能量的海浪，在海浪发电这一领域可谓是百家争鸣，百花齐放，逐渐的呈现出发展方向多极化，触及领域多样化的发展趋势，但由于海浪本身的不稳定性和建造发电设施高昂的成本等因素的制约，海浪发电技术发展的总体趋势仍然是向着高效率、高可靠性和低成本方向发展。

如果仅靠着单一的波浪能发电装置方案，高昂的成本代价将很难维系其发展，而把海浪发电技术同更多的海洋资源、能源开发利用技术结合起来，不但可以降低其本身的开发成本，也使得整个体系发挥更强大的生命力。例如研发以海浪能发电技术为核心其他技术，如海水淡化，优质燃料的生产，利用深海水发展渔业和养殖业，坝区滩涂开发等，开发利用这些海洋能系统的副产品，研发转换海浪能和海洋上丰富的太阳能、风能，实现多能互补。在有条件的海岛上建立综合利用可再生能源的示范基地以及为海上平台（灯塔等）提供电源供应等[8]。

3 结语

该文着重介绍了波浪发电的典型装置，分析了波浪能研究与利用的发展方向，也对波浪能发电商业化进程中可能遇到的问题进行了简单的阐述。

在能源结构体系中，和常规能源相比，海浪能的利用可谓任重而道远，但随着越来越严峻的能源危机，全球环境问题的不断加剧，由于海洋巨大的能储优势，海浪能的开发利用显示出了巨大的发展空间，成为了全世界都在关注的热点领域，不论是对解决我国面临的能源问题有重大的战略意义，也对世界能源结构的优化也有着不可替代的作用。

参考文献

[1] 熊焰，我国海洋可再生能源开发利用发展思路研究[J].海浪技术，2009（2） ：106-110.

[2] 李成魁，廖文俊，王宇鑫.世界海洋波浪能发电技术研究进展[J].装备机械， 2010（2）：68-73.

[3] 胡苏萍.欧洲海洋能开发利用现状[J]. 第十六届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集（上册），2013（3）：22-26.

[4] 聂宏展，张明，申洪，等.波浪能发电及其对电力系统的影响[J].华东电力，2013， 41（1）：190-195.

[5] 韦家础，李德堂.近岸式波浪发电装置研究[J].浙江海洋学院学报：自然科学版，2013，32（3）：260-264.

[6] 沈利生，张育宾.海洋波浪能发电技术的发展与应用[J].能源研究与管理， 2010（4）：55-57.

[7] 方红伟，程佳佳，刘飘羽，等.浮子式波浪发电控制策略研究[J].沈阳大学学报： 自然科学版，2013（1）：30-34.

[8] 任典勇，施慧雄.海岛风能海水淡化组合体系研究[J].海洋学研究，2009（2）：111-118.