波浪能发电装置综述

王世明　杨倩雯

【摘 要】随着世界经济的发展、人口的激增和社会的进步，人类对能源的需求日益增长，波浪能因为优越的可再生性、环保性及巨大的贮藏量而成为重点研究对象。近年来，对于波浪能的开发与利用的技术上发展非常迅猛，取得了相当卓越的进步。本文将对波浪能能源概况进行介绍，着重分析几种不同原理波浪能发电装置的关键技术，并对相关利用方式以及效率数据进行举例分析。我国现已成为世界第二经济大国，对能源需求进一步增大。化石资源属不可再生资源，难以满足能源进一步需求，且化石资源大规模利用必加重环境污染，加速地球变暖。可见，人类对波浪能等可再生清洁能源的需求必然增强，从长远来看，波浪能的利用具有重大潜力，加大波浪能研究开发具有重要的意义。

【关键词】波浪能；发电装置

1 波浪能概述

波浪所蕴涵的能量主要是是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的，它实质上是吸收了风能而形成的。能量传递速率和风速有关，也和风与水相互作用的距离有关。台风导致的巨浪，其功率密度可达每米迎波面数千kW，而波浪能丰富的欧洲北海地区，其年平均波浪功率也仅为20-40kW/m中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为2-7kW/m。全世界波浪能的理论估算值也为109kW量级。利用中国沿海海洋观测台站资料估算得到，中国沿海理论波浪年平均功率约为1.3107kW。但由于不少海洋台站的观测地点处于内湾或风浪较小位置，故实际的沿海波浪功率要大于此值，其中浙江、福建、广东和台湾沿海为波能丰富的地区。

波浪能发电一般是利用波浪的推动力，使波浪能转化为推动空气流动的压力（原理与风箱相同，只是用波浪做动力，水面代替活塞），利用海面波浪的垂直运动、水平运动和海浪中水的压力变化产生的能量推动空气涡轮机叶片旋转而带动发电机发电。波浪能发电系统一般包括能量采集系统和能量转换系统，能量吸收装置吸收波浪能并将其转换成规则运动形态（如直线运动、圆周运动）的机械能，再通过能量转换装置将规则运动形态的机械能转换成电能输出。

2 波浪能开发意义

海洋占地球表面积70%，集中了97%的水量，蕴藏着大量的能源，包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等。其中，波浪能由于开发过程中对环境影响小且以机械能形式存在，是品位最高的海洋能。利用波浪能发电可为边远海岛和海上设施等提供清洁能源，还可利用波浪能提供的动力进行海水淡化，从深海提取低温海水进行空调制冷以及制氢等。因为太阳辐射的不均匀加热与地壳冷却及地球自转造成风，风吹过海面又形成波浪，因此海洋波浪是由太阳能源转换而成的，波浪所产生的能量与风速成一定的比例。波浪能是近期在海洋能源利用中研究最多的能源形式，因为其是海洋能蕴藏最为丰富的能源之一，随着人类不断的研究与试验，波浪能的利用也慢慢走向了商业化的道路。

波浪能比较其他能源有如下优点：（1）分布最广；（2）可再生，只要有太阳能的存在，即会产生风能，从而会不断地产生波浪能；（3）波能流密度最大，最高在某些地方可达到100kW/m，可利用程度非常高；（4）洁净无污染；（5）有按周期性变化的规律可循，从而为其标准化利用打下基础；（6）以机械能形式出现，是海洋能中品位最高的能量。波浪能的这些优点意味着：波浪能相对其他海洋能源，利用更加方便，装置可以更加小巧廉价，可以为沿海地区、海洋平台和远海领域的提供能源。

3 波浪能发电技术原理及波能转化装置分类

波浪能发电系统有很多种形式，总体上可以分为三级，第一级与波浪直接接触捕获波浪能，将波浪能转换成发电系统所能接受的实体能量，通常表现为在波浪运动下的起伏机械能，如浮子、摆板等装置；第二级为中间转化和传输系统，把起伏的机械能传输到第三极进行发电；第三级即发电系统和输出电力系统，通常为发电机。这三级是相互联系，相互作用的。最重要的是第一级的波浪能捕获系统，波浪能捕获的多少直接影响到后面二、三级系统的转化效率和发电量。第二级主要起稳向、增速、稳速的作用。第一级与第二级之间很多时候具有一定的距离，必须有第二级在两者之间起到连接和能量传递作用。

第一级转化是：捕捉波浪的垂荡运动或水平运动的能量转化为发点装置所持有的能量。这样，波浪能发电系统必须有一对实体去接触波浪能，即接触波能体（受能体）和定体，受能体直接接触波浪运动，捕捉波浪传来的能量，定体相对于受能体是固定的，运动与受能体一致或滞后一个相位差。一般而言，受能体以定体是多种做样、各种形式的，通过这个组合来实现第一级能量转换。

第二级中间转化是：可以认为它是一、三级之间的“桥梁”，把第一级和第三极能量转换连接起来。第一级转换的波浪能一般是不稳定的，达不到最终转换的动力机械的要求。中间转换系统主要起着稳向、增速和稳速的关键作用，另外有的波能发电装置如离岸式波能发电装置第一级与第三极之间有一段距离，此时，中间转换还起着能量储存和运输作用。中间转换装置按照不同的实体可以分为：机械式、水力式、气动式等。

第三极转换装置即终极转化是：把机械能转换成电能，基本上采用常规技术发电，最新的发电技术有液态金属磁流体发电技术等，应为发电机是在工况变化大的环境下工作，发电效率会受到一定影响，不会很高。最终转换也可以不发电，直接把机械能输送到工作装置，这样可以省去机械能—电能—机械能环节，能够简化结构，提高效率。

长期以来，世界各地出现了形形色色的海洋波能转换装置，其种类是各种海洋开发装置中最多的，因此对它们进行分类的标准也很多。按照工作的场所，可以分为海岸式波浪能转换装置和海洋式波浪能装换装置；按照波浪能转换装置吸收波浪能的方式来分的话，大略可以分为垂直摆荡式、空腔共振式、压力式等。

（1）浮体

用于安装发电设备，使装置能浮于海面，为漂浮式的波浪能发电装置所必须。浮体必须具有一定的容积与浮力，结构要坚固，能耐海水腐蚀，外形能适应波浪环境；还要能承载全部发电设备，使整个装置浮动于海面之上。

（2）波浪能接收器

用于接收或吸收波浪的能量。由于波浪能是一种散布在海面的低密度能量，故该部件尺寸要足够大，或组成阵列，以吸收较多的波浪能。波浪能接收器吸收波浪能力的效率低是衡量整个装置性能优劣的主要指标。

（3）波力放大器

这是由波浪能接收器所吸收的分散波浪能变成集中能量的设备，其作用是把波浪能接收器接收的分散的波浪能变成集中地能量。通常用气筒、油压泵、水压泵等来完成。例如在气柱振荡式波浪能发电装置中，需要把流经空气涡轮的气流速度加大，最多从lm/s左右提高到lOOm/s，才能驱动空气涡轮高速旋转，带动发电机发电。

（4）原动机一发电机

它们的作用是完成波浪能向电能的装换。原动机可用空气涡轮、液压马达、水轮机等。发电机可用交流发电机，也可用直流发电机。

（5）电器控制与自动控制设备

主要用来保护整个装置，在无人看管的条件下正常运行。例如在恶劣的海况条件下运转、防护海水的侵蚀、在潮湿环境中保持电气设备的良好绝缘性能等。

（6）锚泊系统

漂浮式波浪发电装置必须在海面上定位，才能正常运转发电。这就必须通过缆绳和锚将整个装置系在海底。这就是锚泊系统的作用。

根据国际上最新的分类方式，波浪能技术分为：振荡水柱技术、振荡浮子技术和越浪技术。其中振荡水柱技术利用波浪驱动气室内水柱往复运动，再通过水柱驱动气室内的空气，进而由空气驱动叶轮，得到旋转机械能，进一步驱动发电装置，得到电能。这种技术可靠性较高，但效率低。振荡浮子技术利用波浪的运动推动装置的活动部分产生往复运动，驱动机械系统或油、水等中间介质的液压系统，再推动发电装置发电。越浪技术是利用水道将波浪引入高位水库形成水位差（水头），利用水头直接驱动水轮发电机组发电。

1）振荡水柱式波浪转化装置

振荡水柱技术是利用一个水下开口的气室吸收波能的技术。波浪驱动气室内水柱往复运动，再通过水柱驱动气室内的空气，进而由空气驱动叶轮，得到旋转机械能，或进一步驱动发电装置，得到电能。

随着研究的发展和深海开发的需要，漂浮式振荡水柱的研究也开始出现。对漂浮式波能转换装置的研究成果主要有三类，BBDB，Sloped Buoy和Spar Buoy。日本学者Yoshio Masuda对固定式振荡水柱波能转换装置进行了改进设计，出现了后弯管浮子（BBDB）式漂浮式振荡水柱型波能转换装置。中国、韩国、丹麦和爱尔兰等国家都对这种类型的波能转换装置进行了研究和实验，目前最主要的应用主要是海上航标灯。2006年爱尔兰建成了一座1/4比例的海试模型。Might Whale是日本建造的漂浮振荡水柱式波能转换装置，长50m，宽30m，吃水12m，排水量约4400t，装机功率110KW。于1998年建造成功并开始运行。其工作原理同1976年建造的Kaimei相同，不同的是Kaimei的发电机是纵向布置的，前排的发电量较大，后面的就相对较小。而Might Whale则改变了这一布置方式，采用并排布置，提高了波能的发电效率。Sloped Buoy和Spar Buoy也是基于振荡水柱的概念而设计的波能转换装置，这两种类型的装置研究文献和工程应用相对较少。

我国对振荡水柱波能转换装置的研究主要由中科院广州能源所承担，从20世纪90年代至今已经建成的主要有珠海大万山3KW波力电站，1996年升级至20KW。2001年在广东省汕尾市遮浪镇建成了首台100KW的振荡水柱式波能发电装置。

振荡水柱式装置的最大优点就是：透平机组等相对脆弱的机械部分只与往复流动的空气接触，不与波浪接触，因而比与波浪直接接触的直接式波能装置的抗恶劣气候性能好，故障率低。但其缺点也很明显，（1）建造费用昂贵。固定式装置通常是用钢筋混凝土浇筑而成。由于施工环境恶劣，建造气室等水下结构时风险较高，因此除了材料成本外，还要考虑天气等因素的影响所造成的机械、人工停工等待及返工的费用。而漂浮式装置成本主要体现在材料上。漂浮式装置一般为钢结构的，再加上其系泊系统，造价并不比固定式的便宜。（2）转换效率低。该装置通过压缩空气驱动透平对外做功，由于往复流中空气透平的效率较低，装置将波浪能转换为电能的总效率约为10%-30%。就不同类型的振荡水柱式波能装置而言，固定式装置通常比漂浮式装置的转换效率高些，抗风浪能力强些，且易于管理。但固定式装置通常要现场施工，受天气、海浪、涨落潮等自然因素影响较大，建造的质量难以保障，失败的可能性较大。而漂浮式波能装置可以在船厂建造，施工条件较好，建造质量高，但效率稍低，抗浪能力较差，电能需要通过海底电缆输出或就地使用，不易于管理。

2）振荡浮子式波能转换装置

振荡浮子技术是利用波浪的运动推动装置的活动部分——鸭体、筏体、浮子等产生往复运动，驱动机械系统或油、水等中间介质的液压系统，再推动发电装置发电。振荡浮子技术包括鸭式、筏式、浮子式、摆式、蛙式等诸多技术。在欧洲，振荡浮子式波能装置被称为第三代装置，与固定在岸边的第一代波浪能装置和离岸但转换效率不高的第二代波浪能装置相比，主要有以下优势：

①因为与波浪直接接触，能量转换次数少，多利用振动本身转化电能，所以能量转换效率较高；②振荡浮子波能发电装置的单体占用面积小，对波浪场的影响小，对海洋水动力环境的影响一般可忽略不计；③振荡浮子形式灵活，还可以结合波浪水文条件进行点阵化设计排布，整个组合型装置的总功率与浮子个数的多少有关，结构形式多样。同时受水深条件的限制小，特别是在超过40m的深水区也可以正常工作。但与第一代波能装置相比，振荡浮子式装置结构部件较多，加之锚固系统较复杂，因此近年来才得到较大发展。目前，该类装置的研发主要集中在欧美日等国家。

目前波浪发电的主要问题是能量转换效率低，导致发电成本高。效率包括从波浪能到机械能，以及从机械能到电能的转换过程。由于波浪的变化性以及机械装置的惯性，从运动的波浪中摄取最多的能量是一个复杂的系统控制问题。针对效率问题的研究，已有很多专家提出基于装置的设计和优化的解决方案，但大都是基于浮子的设计和优化的解决方案。

3）越浪式波能转换装置

越浪技术是利用水道将波浪引入高位水库形成水位差（水头），利用水头直接驱动水轮发电机组发电。越浪式波能发电装置较其他形式的波能转换装置有其明显优势，引浪面及蓄水池提供的稳定水头，将不稳定的波浪能转换为平稳而持续输出的电能，可克服波能发电过程中输出功率不稳定的问题。同时，该装置可与防波堤等海工建筑物联合开发，从而大大降低投入成本。越浪型波能发电装置已成为世界各国的研究热点。

4 我国波浪能发展现状及前景

我国波浪能发电技术研究始于20世纪70年代，于1975年研制成1台1kW的波浪能发电浮标，在浙江省嵊山岛进行了试验。80年代以后获得较快发展，1984年广州能源所研制成功6W小型波浪能发电装置，用于导航灯标，随后按不同导航灯标的要求，又开发了系列产品。目前在我国沿海航线已安装了数百台这种小型波浪能发电装置.与日本合作研制的后弯管型浮标发电装置，已向国外出口，该技术属国际领先水平。

中国第一座试验波浪能电站位于南中国海的珠海市大万山岛，1989年试建成功。装机容量为3kW的多振荡水柱型沿岸固定式波浪能电站。1989年，1990年及1991年分别对其做了三次海上运行试验，研究了实海况下气室、透平及电机的性能.试验结果表明，该电站具有很好的实海况性能。波浪能电站的平均“总效率”大都在10%～35%，最大值接近40%.在该电站原有结构基础上，广州能源研究所已将其改建成一座20kW的波浪能电站，并于1996年2月试发电成功，逐步完善后将向岛上提供补充电源。

总而言之，我国波浪能发电虽起步较晚，但发展很快。微型波浪能发电技术已经成熟，小型岸式波浪能发电技术已进入世界先进行列。在波浪能发电规模方面，世界上已从102kW，103kW级发展到104kW级的应用，而我国目前仍停留在10kW，102kW级的水平上，至2020年的远景目标也只是发展到102kW～103kW级的波浪能电站，波浪能开发的规模远小于挪威，英国等，因此小型波浪能发电距实用化尚有一定距离。

海水淡化、波能供给对于解决边远海岛和临海干旱国家的能量供应有重要意义。当前，人类对淡水需求日益增加，海水淡化能够大大缓解人们淡水需求的压力。特别对于偏远岛屿而言，波能发电装置可实现电能供给和淡水供应，可促进岛屿的开发与利用。

【参考文献】

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[责任编辑：杨玉洁]