波浪能发电技术研究进展

顾煜炯，谢典，耿直（华北电力大学，北京　102206）



波浪能发电技术研究进展

顾煜炯，谢典，耿直
（华北电力大学，北京102206）

KEY W0RDS：wave energy；Power generation device；conversion efficiency

摘要：波浪能是一种清洁可再生的新型能源，已经吸引了各国研究者的目光，开展了相关的研究并已取得一定的成果。文章介绍了各种波浪能发电装置的原理，对海洋波浪能发电装置进行了分类，总结了几种典型海洋波浪能发电装置的优缺点，列举了一些国内外较为成功的波浪能示范电站，并针对现阶段国内外研究现状指出今后波浪能发电装置的发展趋势及前景。

关键词：波浪能；发电装置；转化效率

为了解决当前传统化石能源供应在社会发展中所遇到的瓶颈问题，寻找可替代、可再生、清洁的新型能源已经成为全球各个国家的共识。海洋波浪能具有巨大的开发潜力，据国际能源组织（IEA）公布的报告预测：全球可利用的波浪能达到20～25亿kW，相当于目前世界发电装机总量的2倍[1-3]，而且波浪能能量密度大，传播过程中只有很小的能量损失[4]。

关于波浪能转换装置最早的专利记录在1799年，作者是法国人Girard[5]。现代研究始于19世纪70年代的石油危机。1974年爱丁堡大学（University of Edinburgh）StePhen Sa1ter在《Nature》上发表的一篇关于波浪能的论文具有里程碑意义，引起了国际学术界对波浪能的兴趣[6]。1976年在英国的坎特伯雷（Canterbury）第一次召开了关于波浪能的会议，1979年召开了2次具有代表性的国际会议：Power from Sea Waves（爱丁堡，6月）和第一届波浪能利用研讨会（瑞典，10—11月）。

数十年来，关于波浪能发电技术的专利多达数千个，发电装置形式多种多样，研究机构也是层出不穷。英国、丹麦等西北欧国家以及日本、美国在波浪能发电技术较为领先，已经建立了多个大型示范电站，其中已有一些商业化的装置，如英国OPD公司的Pe1amis；国内的中科院广州能源所在波浪能发电方面开展了大量研究。此外，国家海洋技术中心、中国海洋大学、浙江大学等都进行了深入的研究工作。波浪能发电技术研究主要集中于波浪能捕获装置的优化设计，从较早的振荡水柱式，到近些年来发展较好的摆式、振荡浮子式装置。

1　波浪发电装置概述

通常波浪能转换成电能要经过3级转换，第一级转换是捕获装置吸收波浪能；第二级转换由中间转换装置优化第一级转换，产生稳定的能量；第三级转换由发电装置把稳定的能量转化成电能[7]。波浪能发电装置分类方式按照不同标准有所不同，如表1所示[8-9]。

表1　波浪能发电装置分类Tab. 1 Wave power generatlon devlce classlflcatlon

2　波浪能发电装置国内外研究现状

国内外的许多研究机构均开展了波浪能发电技术的研究工作，并研发了各种各样的装置，建立了许多示范电站。早期的研究主要集中于振荡水柱式发电装置的研究，该项技术已趋于成熟，但效率相对较低；然后又逐渐产生了筏式、摆式、振荡浮子式等装置，国内的研究主要集中于振荡水柱式、摆式和振荡浮子式装置，各种形式的波浪发电装置及其国内外研究现状如表2所示。

3　各种波浪能发电装置综合比较及相关应用实例

3.1各种形式的波浪能发电装置性能比较

各种形式的波浪能发电装置性能比较如表3所示。

从现有几种波浪能发电装置的优缺点以及目前存在的问题来看，振荡浮子式波浪能发电装置相比较而言具有很明显的优势。因为其效率高、成本低、可靠性好，因此是今后波浪能发电装置的重要发展方向，英国、美国、荷兰、瑞典、丹麦、中国均开展了振荡浮子式波浪能装置的研究。

3.2相关成功应用的典型波浪能电站简介

3.2.1国外相关案例

英国是全球波浪能发电技术的领先者，Aquamarine电力公司的OYSTER摆式发电装置，经过几代研究，已经实现商业化运行，据Aquamarine电力公司称，20台该装置建设的小型发电场可为12 000多户家庭提供电力。Pe1amis作为英国OPD公司开发的波浪发电装置，同样实现了产业化，尽管其价格较高，但在一些较为偏远的海岛区域，成本已经低于传统的柴油机发电，因此仍然具有一定市场。

加拿大的AquaBuoy也是较为成功的振荡浮子式波浪发电站，装置由一个浮子组成，其升沉运动和加速管中水的惯性产生反作用，通过一对软管泵产生高压水流，2007年该装置在美国俄勒冈州海岸进行了建造和测试。

丹麦的wave star则是由多个阵列浮子组成的波浪发电站，2006年，该装置于丹麦北部海湾进行了比例尺为1：10的模型试验，模型长24 m，装机容量为5.5 kW，共由20个浮子组成，据实验报道，该装置运行效率较高，具有较高的推广价值。

3.2.2国内相关案例

“八五”、“九五”期间，我国国家海洋局海洋技术中心分别研建了8 kW和30 kW岸式悬挂摆式波能发电装置，为岛上居民供电。1996年国家海洋局海洋技术研究所在山东省即墨市大管岛建造的岸式悬挂摆波浪能发电装置，其设计额定功率可达30 kW，该悬挂摆式波浪能发电装置适用于入射波高为1～6 m的设计波况，发电状况良好。

中科院广州能源研究所研发的10 W波浪发电航标灯已经实现了商业化运营，相关产品已出口国外。2005年1月9日，能源所在汕尾研建的波浪能发电系统由独立发电系统、制淡系统及漂浮式充电系统3部分组成，系统在抗冲击、稳定发电、小浪发电方面都达到了预计效果，总装机容量为50 kW，最大峰值功率达400 kW。

4　结论

本文对各种形式的波浪能发电装置进行了综合考察，广泛调研了国内外研究动态，对波浪能利用技术的问题及未来发展趋势进行了解析，综合对比各种技术，摆式和振荡浮子式波浪发电技术是较有前景的。

随着化石能源的日益紧张，陆地资源的日益紧缺，向广阔的海洋发展是人类必经之路，波浪能蕴藏量巨大，可为人类源源不断提供清洁无污染的能源。尽管波浪能发电成本还高于常规热发电，但在一些特殊地区如偏远海岛，波浪发电的成本已经低于柴油机发电成本，具有应用价值。

表2　各种形式波浪能发电装置Tab. 2 Varlous forms of wave energy generatlon devlce

未来波浪能发电技术主要发展方向应包含以下几个方面：

1）目前的理论研究主要是基于线性波浪理论开展，已经解决了大多数线性理论范围内的问题，但对非线性问题特别是非线性随机问题的研究显得尤为紧急，若上述问题得到解决，可使波浪能发电装置的设计出现十分巨大的革新。

2）波浪能开发的研究难点是高效转换，由于与波浪的不稳定造成转换装置长期在设计外工况，除此之外，能流密度和转换效率低也进一步提高了发电的成本，因此，波浪能研究的目标始终是提高转换率和降低发电成本，需要提高波浪发电装置的波浪适应性，使之在较宽的波况范围内都能保持较高效率。

3）装置稳定性问题：如何将不稳定、低密度的波浪能高效吸收起来转化为可用的电能，需要充分考虑储能系统的配置，以保证装置能够稳定地发电，同时还需要加强系统功率控制技术的研究。

4）装置的可靠性问题，主要的研究发展方向应包括：波浪发电装置承受海浪冲击及其在大风浪条件下的生存技术，如设计合理转换装置和锚泊系统、良好的下潜避浪技术；装置在建造与施工过程中的海上工程技术；防腐技术和防生物附着技术。

5）波浪能发展的另一新方向是多元综合利用：波浪能与海上风能、太阳能、潮流能可构成综合能源供应系统，可起到互补的作用，使得整个系统可靠性、稳定性更好，成本更低；波浪能也可用于提取深层海水和供氧以及改善海水牧场和养殖场的养份；利用波浪能清除海洋污染或者波浪能船舶推进等；利用波浪能进行深海养殖、制氢、海水淡化等综合研究也是一些新途径。

总之，尽管目前的波浪能利用还存在许多问题，但随着相关技术的日益成熟，波浪能一定会在更多领域发挥作用。

表3　几种波浪能发电装置的优缺点及适用场合Tab. 3 Features and appllcable occaslons of dlfferent devlces

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顾煜炯（1968—），男，博士，教授，研究方向为风能及海洋可再生能源的利用。

（编辑黄晶）

Project SuPPorted by SPecia1 Fund for Oceanic Renewab1e Energy Research（GHME2011BL01）；Nationa1 Hi -Tech Research Program（No.SS2012AA052601）；SPecia1 Fund for Basic Research for Centra1 Universities（2014XS31）.

Research Progress of Wave Energy Generatlon Technology

GU Yujiong，XIE Dian，GENG Zhi
（North China E1ectric Power University，Beijing 102206，China）

ABSTRACT：Wave energy is a new kind of c1ean and renewab1e energy，which has attracted the attention of researchers at home and abroad. Re1evant researches have been carried out and obtained some achievements. In this PaPer，the PrinciP1e of various wave energy generating units is introduced，and the advantages and disadvantages of severa1 tyPica1 ocean wave Power generation units are c1assified. Some successfu1 wave energy demonstration Power stations at home and abroad are introduced. Furthermore，in view of the Present situation of strudy both at home and abroad，the PaPer high1ights the future deve-1oPment trend and ProsPect of wave energy generation device.

作者简介：

收稿日期：2015-06-26。

基金项目：海洋可再生能源专项资金项目（GHME2011BL01）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2014XS31）。

文章编号：1674-3814（2016）01-0064-05

中图分类号：TK01

文献标志码：A