波浪能发电装置的发展与展望

姚琦，王世明，胡海鹏

(上海海洋大学工程学院 上海 201306)



波浪能发电装置的发展与展望

姚琦，王世明，胡海鹏

(上海海洋大学工程学院 上海 201306)

海洋中所蕴藏的波浪能源因为其环保性和可持续性等特点，已经得到越来越多国家和地区的关注，并取得了一定的研究成果。通过对波浪能发电装置的分类，对当今主流的4种发电装置进行了分析，并在此基础上对世界主要波浪能开发强国和我国的发展状况进行了梳理。基于上述，对今后世界波浪能发电装置的发展与研制方向进行了展望，并指出了亟待解决的几个问题，具有一定的应用价值。

波浪能；发电装置；发展现状；发展前景

1 引言

能源作为人类生产生活和国家发展的重要资源，成为当今世界政治、经济、科技、军事、外交等各个领域中所备受关注的热点。随着世界经济的快速发展、人口的迅速膨胀以及社会发展的需求，能源对于人类的生产和生活显得日益重要。同时，由于常见能源的过度开采而造成的资源匮乏、气候变暖和环境污染等问题也日渐显著。大力发展可再生能源，在保证经济可持续发展的前提下，减轻因过度开采而对人类生存环境造成的破坏和压力，推进人类发展质量已经成为世界的共识。

作为占地球表面积70.8%的海洋，里面蕴藏着种类众多且贮藏量相当可观的能源，主要有波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等。其中，波浪能因为通常是以机械能的形式存在，开发难度相对较小，且不会造成太多的开发污染和环境破坏，从而被认为是一种高质量的海洋能源。

波浪能实质上是海洋在吸收了风能以后所产生的动能和势能，因此波浪能具有能量密度高、分布面广等优点，即便是在能源耗损较大的冬季，能加以利用的波浪能也是很充裕的[1]。据统计，地球上海洋所具有波浪能的理论值约为109kW量级，是目前世界总发电量的数百倍，有着广阔的商用前景和战略价值。因此，波浪能发电具有极大的开发潜力，世界各主要国家都对其投入了广泛的兴趣和关注度，加大力度开发研究海洋波浪能的发电装置，因此各种新型波浪能发电装置也就层出不穷了。

2 国内外波浪能发电装置的发展

通过波浪的运动从而带动发电装置内部发电机的发电是波浪能发电装置工作的基本原理，将海洋中波浪的动能和势能转变为电能的过程。根据波浪能发电装置的内部关联、外在特性、构造与作用等方面的区别，可以把波浪能发电装置分成多种不同的种类。其中，按照装置固定与安置的方式，可以分为固定式和漂浮式；按照装置内部间能量转换的方式，可分为直接转换式和间接转换式；按照装置中能量传输与保存的形式，可将其分为机械式、气动式和液压式等[2]。通过在20世纪七八十年代对多种样式的波浪能发电装置进行的科学理论研究以及进行的针对实际海况测验和应用范例探究，波浪发电装置的制造及应用技术已向实际应用的水平渐渐靠拢。同时研究的热点与重点也主要集中于以下7种被认为是具有商品化潜力的发电装置上，7种类别分别是：振荡水柱式装置、振荡浮子式装置、推摆式装置、收缩波道式波浪能转换装置、筏式、鸭式以及直线电机式。

2.1 振荡水柱式

柱式波浪能发电装置的基本原理如图1所示，其内部的水柱会在波浪的冲击与起伏的作用下做活塞式的上下往返运动，由于水柱在装置内部做不停的活塞运动，致使水柱上方空间内的空气柱也在进行上下往复的运动，空气穿过气室上方的气孔流经一个往复透平，进而将空气运动产生的动能转变为电能[3]。振荡水柱式波浪能发电装置相对于其他波浪能装置的最大的差异之处在于其具有气室。所谓气室，就是指置于海面以下的装置底部留有一出气孔或开口，可以使海水进入装置内部的设计与构造。优点是传递方便，通过气室将低速运动波浪的能量转化成高速运动的气液，可靠性好，缺点是建造费用昂贵，转化效率低，发电成本高。

图1 振荡水柱式波浪能发电装置示意图

2.2 振荡浮子式

振荡浮子式波浪能发电装置是在振荡水柱式装置的基础与理论上发展并完善起来的，原理如图2所示，二者间具有一定的相似性与共同性。通常的振荡浮子式装置是用一个或多个置于港中的浮子作为载体，用来吸收波浪运动产生的机械能。然后利用放置于岸上的机械装置或是液压装置，将浮子吸收的波浪势能和动能传递出去，用以驱动电机进行发电。振荡浮子式波浪发电装置通常是由浮子、操纵连杆、液压传动部件、电机以及发电保护装置等多个部分构成[4]。

图2 振荡浮子式波浪能发电装置示意图

振荡浮子式发电装置的优点或优势不仅在于其能量间的转换效率较高，而且其建造与实施难度相对较低，减少了水下工作量，有利于节省成本，具有较高的商业经济与实际应用价值。缺点是浮子受过多的冲击，易损坏。如图3为一小型装置模型，将振荡浮子和振荡气室结构进行结合，针对装置的能量转换效率进行分析，四管道、四门结构设计使得气室内的往复气流从同一个方向通过空气透平机，提高波浪能利用效率。

图3 振荡浮子式海洋波浪能发电装置模型

2.3 推摆式

推摆式波浪能发电装置(图4)的基本原理是通过装置的摆体在波浪外力的影响下产生或向前向后、或向左向右的规律性钟摆式运动，从而将波浪的机械能转换为装置摆体的动能。推摆式发电装置的液压部件一般是与装置的摆体的轴相连接，目的是要将装置摆体的动能转变为液力泵的动能，实现部件之间的动能转移。再由压力泵所产生的动能来带动发电机进行发电。摆体的钟摆式规律运动很符合波浪推力大和频率低的重要特点[5]。

图4 推摆式波浪能发电装置示意图

由此可见，推摆式发电装置的能量转换效率比可观，但其不足之处或是有待改进的地方在于装置内部的机械部件和液压部件的维护和保养难度较大，维修成本较高。此外，推摆式装置还具有另一重要特点，是在于相位控制技术能够比较容易地与其相配合，这一技术有益于波浪能发电装置吸收到宽度以外的其他类型的波浪能，因而提升装置的发电效率和效果。

2.4 筏式

筏式波浪能发电装置[6]端面由若干筏体铰接在一起，如图5所示，且这些铰接的筏体漂浮在水面上，波浪运动时，带动筏体沿着铰接处弯曲，能量转换装置置于每一铰链处，从而反复压缩液力活塞并输出机械能，带动液压系统驱动发电机发电。由于筏体之间仅有角位移，故即使大浪经过，其也不会有过大的位移，具有良好的抗风浪性能。

图5 筏式波浪能发电装置示意图

2.5 鸭式

鸭式波浪能发电装置[5-6]最早由Salter在他1974年的论文提出，他介绍了一种独特的波能转换方法，使二维正弦波的转换效率可接近90%左右，如图6所示。

图6 鸭式波浪能发电装置示意图

由于该装置的形状和运行特性酷似鸭的运动，因而称其为“点头鸭”，鸭式波浪能装置由鸭体、水下浮体、系泊系统、液压转换系统和发配电系统组成。在波浪作用下，鸭体绕支撑轴作往复回转运动，从而驱动连接鸭体与支撑轴之间的液压转换装置发电。在设计点头鸭波能转换装置时，若把点头鸭的重心设计成为可调节式的，可以最大限度地将其固有周期与波浪周期相配，提高波浪能的利用效率，效率高。但缺点是结构复杂，装置可靠性差，极易损坏。

2.6 收缩波道式

收缩波道式波浪能发电装置是基于波聚理论的一种波浪能转换装置，挪威特隆姆大学的Falnes和Budal是最早提出该理论的研究学者[7]。如图7所示，收缩波道式发电装置通常是由一个高于海平面的高位型水库和一个逐渐收缩的波道所构成，其中收缩波道指的就是一般意义上的对数螺旋正交曲面，这种曲面通常是由两道钢筋混凝土制作而成的。收缩波道将从海里一直延伸并连接至发电装置的高位水库内部，由混凝土构成的曲面在高位水库内相连接。因为收缩波道具有波聚的功能与作用，致使波浪在进入装置内部的收缩波道时，波浪产生的波高会陡然增大。增高的波浪会越过由钢筋混凝土墙构成的正交曲面从而进入到发电装置的高位水库中，最后水库里的水将会经由水轮发电机组用来发电。转化效率较高，但对地形要求非常严格。

图7 收缩波道式波浪能发电装置示意图

2.7 直线电机式

直线电机式波浪能发电装置[8]的基本原理为，利用波浪能上下起伏变化而产生的波动力作为驱动力，驱动力作用于浮子上，浮子为能量吸收装置，如图8所示其带动与之相连的直线电动机的动子上下往复运动，将波浪能转化为电能。

图8 直线电机式波浪能发电装置示意图

直线电机式装置主要分为单浮子和双浮子两类：单浮子系统具有安装方便、适合用于沿岸以及孤岛附近的浅海中；双浮子直驱式系统将直线电机和浮筒漂浮，利用沿海海在海平面，不受海域的限制。由于浮子和动子的效率髙于第一种方式，图8为双浮子式，该装置由永磁直线发电机、浮筒、连接圆杆、阻尼板以及错链所组成，动子和浮筒采用螺纹连接在一起，波浪来临时，在浮子的带动下，动子上下运动，切割磁力线，从而产生反电动势，产生电能。

3 国内外波浪能发电装置的发展状况

法国是对波浪能展开研究并设计波浪能发电装置最早的国家，随后英国、日本、挪威、葡萄牙、美国和中国等多个国家和地区相继加大开发与研究相关的设备和装置的力度，这其中又以日本和英国两国的波浪能开发与应用技术居于世界的领先水平。利用波浪能发电的技术在经历了理论研究、装置创造、实验室内部试验、外部实际检验等几个阶段后，目前波浪能发电装置的设计和建造难题已经基本解决，下一步的具体发展目标与任务将是降低装置建造与保养成本，提高装置发电效率以及其稳定性与可靠性，使其能够达到商业化利用的规模。

3.1 国外波浪能发电装置的发展状况

日本是个环海岛国，由于国土狭小和资源匮乏等客观的不利因素，致使日本政府往往能够充分地认识本国的地理环境条件，异常重视海洋能源的开发，尤其是波浪能发电技术的理论研究和开发应用，因此在波浪能发电装置的研究及其制造和使用上也达到了世界最为先进的水平。据国外组织的粗略估计，日本平均每1 m宽海岸的波浪蕴藏着9 kW的能量，日本沿海与近海的平均波能为13 kW/km，其波浪产生的能量大致能满足国内能源需求总量的近1/3。从20世纪60年代开始，日本就已经开始将12台波浪能发电装置用于实验研究和商业用途，至今仍有4台装置继续工作。到目前为止，具有波浪能发电装置的发电站在日本已达1 000余座。这其中包括日本已建成的4座岸基固定式和防波堤式波浪能电站，单机容量为40～125 kW，在这当中最著名的莫过于在80年代初建造的“海明”号波浪能发电船，其总装机容量高达1 250 kW[10]。由日本海洋科学技术中心研制的“巨鲸”号波浪发电装置为可动式浮体型，也是波浪能发电装置中的佼佼者。

英国是世界上具有最好波浪能源的国家之一，英国的波浪发电装置每年可以从英国的周边海域收集高达50 TW·h的能源。出众的地理资源优势，再加上因政府对海洋能源前瞻性认识而加大的研究力度，使英国在20世纪80年代时就已成为世界波浪能及其发电装置研究制造领域的领头羊。90年代时，世界上第一台能够用于商用的波浪能发电装置在英国开始发电，装机总容量高达2 000 kW，具有里程碑的意义。由英国制造的名为“海蛇”号的波浪能发电装置创造性地由多个钢壳圆柱形结构单元进行铰接而成，原理是将波浪能转变为液压能进行发电。“海蛇”号发电装置的最大特色在于本体具有储蓄能源的环节，所以能够发电的稳定度相当高，甚至可与火力发电相媲美[11]。此外，“巨蟒”波浪能发电装置也是具有相当的特点，其工作原理是当海洋波浪对该装置产生挤压性外力时，发电装置的内部便可产生向外扩张与膨胀的波浪，当这股波浪达装置末端时，就可以带动发电机运行发电工作。

挪威是对海洋波浪发电展开研究与探索较早的国家之一，由该国发现并提出的相位控制原理以及创造的喇叭形收缩波道式发电装置等，都对波浪发电装置的理论研究及其设计制造做出了不可磨灭的贡献。挪威于20世纪80年代建造的具500 kW能量的振荡水柱式和350 kW收缩水道式波浪发电站具有重要的时代意义。尤其是后者，收缩水道式波浪发电装置的特点是在位于气室的前面补充建造了一个前港，由此可以使装置利用港口的效应产生聚波的作用，从而使该装置具有较高的波浪能转换成电能的效率。

葡萄牙的波浪发电研究及其装备制造虽然起步较晚，且主要以引进技术与设备为主，但葡萄牙有着和英国一样天然的利用海洋波浪进行能量转化和发电的地理优势，且葡国政府近年来也加大了对波浪能发电研究的重视度和投入力度。葡萄牙于2008年在其西海岸建立大型的海洋能源实验区，目的是进行有关远海海浪能源的开发与研究，装机容量高达250 MW，具有世界波能发电的先进水平。与此同时，葡萄牙于同年引进了英国的“海蛇”波浪能发电装置机组，并于海洋能源实验区建立了世界上首个具有真正意义上商业规模的发电站。

3.2 国内波浪能发电装置的发展状况

我国于1968年在上海开始了专门针对海洋波浪能源进行发电的研究与实验工作，并以此促进经济、科技与民生的发展，因此利用波浪能发电及其装置的研究与制造工作也成为我国重点的科技攻关项目。由于国家的大力扶持，加上其极具潜力的商业价值，目前国内从事波浪能发电领域研究和制造的就有十几家单位，并涌现出一批达到世界水平的发电装置，表1列出了相关机构发电的装置情况。目前，隶属于中科院的广州能源研究所(GIEC)在波浪能发电领域是国内的先进单位。广州能源研究所在1984年研制成功的并拥有自主知识产权的航标式微型波能转换装置具有较高的发电效能，并得以在我国沿海海域进行大规模的投入使用[12]。

表1 各机构波浪能发展装置现状

国家海洋中心(NOTC)也致力于发展大型钟摆式发电装置。同时中山大学(SYSU)与山东大学(SDU)也取得了很高的成就，我国分别于“九五”“十一五”期间攻关完成的汕尾振荡水柱式波浪能发电装置和将不稳定的波浪能转化为类似于火力发电的稳定持续电能的技术，具有划时代的重要意义，不仅代表我国在利用波浪能源发电的技术上取得了突破，缩短了与世界发达国家的差距，更主要的是为大规模商用波浪能发电的可能性提供了有力的参考依据和创新的研究思路。在2008年，中国科学院利用磁流体发电技术，并将一种与波浪特性具有极高吻合度的机械抗阻融入整个设计，构建一套出完全有别于传统波浪能发电装置的新型发电装置，并成功研制和制造，称之为液态金属磁流体波浪能发电装置[13]。该种新型的、先进的波能发电装置，同时，具有高效率的能源转化率、较大的功率密度、优化的结构设计，以及便于保养和移动等诸多优点，代表了我国目前在波浪能开发应用领域最为先进的成果。

3.3 小型波浪发电装置

基于前辈的研究基础和旋转式垂直轴潮流能能量转换装置的设计方法原理，项目组设计了一种卧式浪流一体化发电装置，该装置主要由机架、简化浮筒、鞍形焊件、轮机、主轴、变速箱、发电机、锚链等系统组成，浮筒用鞍形焊件与机架连接，对称布置于机架两边，简化浮筒两端采用球形面与圆柱体相切连接，有效减小海流阻力，轮机主轴与发电机通过大传动比变速箱直接连接，实现一级大功率传动。浪流捕获装置通过作用在叶片以及叶片包络面上垂直方向的波浪力与水平方向上的潮流力的合力来推动机构旋转，从而实现海洋能量的捕获。

4 现有波浪能发电装置的不足

虽然波浪能发电装置种类繁多，有些已趋于商业化，但还是存在诸多问题。

4.1 总发电效率问题

(1)从波浪能经过中间机构一般需要二级转化，有的甚至是三级转化，能量损耗大[4]。

(2)波浪不稳定，时大时小，浪大时能量有剩余，浪小时能量供应不足。如果加上储存设备，增加了机构的复杂性[14]。

(3)需要把波浪能转化的电能供应到电网上才可以使用，受到电网覆盖范围的限制，造成发电成本高、发电功率小、质量差等问题。

(4)波浪能不稳定，转化为电能时也是不稳定的。

4.2 工程性

(1)材料问题[14]。海水具有腐蚀性，而且波浪具有极强的破坏性，波浪能装置工作在波浪最大的地方，恶劣的海洋环境造成的腐蚀以及海洋生物附着可能造成装置某些环节的失效，不锈钢满足抗腐蚀性和耐久可靠性，但是不满足廉价性；工程塑料在强度上已有了显著提高，但是其耐久性和可靠性不能达标，材料抗腐蚀性、较好的耐久性以及可靠性及其重要，因此波浪能装置的选材也成为当下需解决的难题。

(2)装置的可靠性[15]。如果整个装置非常复杂，那么其在海洋大波浪环境下稳定性会很低，而在海洋环境下发电装置的维护是最大的问题，所以装置的简单可靠是保证可以更长时间运行的必要条件。

4.3 成本问题

成本问题[15]是普及和大规模利用波浪发电的最大障碍，据有关专家的计算，现阶段海洋波浪能的发电成本比常规的热发电高出10倍左右。因此只有改进波浪能发电的技术。减小发电成本，才能使波浪能发电真正达到实用化水平，为人们所用。

4.4 波浪发电装置引起的海洋环境问题

随着波浪发电装置的增多，将会占用大面积的海面[7]，这必然会对海洋生态系统造成冲击，如果在海面布置大量的发电装置，很可能对海洋生物造成危害，甚至会影响到正常商业航运，所以要适当地选取海洋发电场。

5 波浪能发电装置的未来展望

海洋波浪能是一种无污染的、清洁的、可再生的新能源，波浪能能流密度高、储量巨大且分布广泛，是未来海洋能利用发展的主要方向，而我国所具有的海岸线，实现海洋能发电，有重要的战略意义。

在对上述几种波浪能发电装置类别的分析以及目前世界各国利用波浪能发展现状来看，振荡浮子式波浪能发电装置相比较而言具有一定的优势。因为其效率高、成本低、可靠性好，这将是今后波浪能发电装置的重要发展方向[16]。英国、日本、瑞典、丹麦、美国和中国等国家和地区均不同程度地开展了有关振荡浮子式波浪能装置的研究与开发工作。振荡浮子式波浪能发电装置研究的难点在于浮子形状的设计是否科学合理、二级转换系统是否通畅与高效等问题，需要通过科学严谨的试验得出一套完善的理论数据作为支撑[17]。目前我国已有一批专家学者和科研团队在此领域开展研究工作，并且已经取得了具有较高科学价值的相关数据。可以预见的是，振荡浮子式波浪能发电装置很有可能就是今后海洋波浪能发电的重点突破口与发展方向[18]。

今后，波浪能发电装置的设计可能会有不同的发展方向与侧重点，克服以上总结的几个不足，追求更高的效率、更高的可靠性以及降低制造与维修成本，转入大规模商业化运作将是任何波浪能发电装置发展的主旋律。

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On the Development and Prospect of Wave Energy Power Generation Device

YAO Qi，WANG Shiming，HU Haipeng

(College of Engineering Science & Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China)

Wave energy stored in ocean had been concerned by more and more countries and regions，and some research progress had been achieved，with its hidden environmental friendly and sustainable features.The current developing status of wave energy in major countries of the world and China were sorted out，based on the analysis of four kinds of mainstream power generating unit by the classification of wave energy power generation devices.The paper also made prospects for the future research and developing direction of wave energy device and pointed out several problems should be resolved.

Ocean wave，Power generation device，Developing status，Prospects

国家海洋局2013年海洋可再生能源专项(SHME2013JS01)；上海市2014年优秀技术带头人计划项目(14XD1424300)；上海科委2011年度“科技创新行动计划”基础研究重点项目.

姚琦，本科，研究方向为海洋可再生能源开发利用，电子信箱：1249639500@qq.com

TM619;P743.2

A

1005-9857(2016)01-0086-07