波浪能利用发展历史与关键技术

刘延俊，贺彤彤

（1.山东大学 海洋研究院，山东 济南 250100；2.山东大学 机械工程学院高效洁净先进制造教育部重点实验室，山东 济南 250061）

波浪能利用发展历史与关键技术

刘延俊1,2，贺彤彤1

（1.山东大学 海洋研究院，山东 济南 250100；2.山东大学 机械工程学院高效洁净先进制造教育部重点实验室，山东 济南 250061）

波浪能作为一种新型清洁能源，近年来得到各国的重视。文章从波浪能利用的发展历史、波浪能资源的评估手段、波浪能转换装置的种类及代表性装置等几个角度，对国内外研究现状进行了阐述；总结了波浪能发电技术中关于流体动力特性非线性计算、装置稳能技术、阵列发电场设计、与其它新能源结合应用等研究方向及技术难点；最后对波浪能利用技术的未来进行展望。

波浪能发电；发展历史；资源评估；波浪能转换装置；阵列发电场

全球气候变化、能源短缺和环境污染等问题越来越受到各国政府、国际组织和普通民众的高度关注。为有效解决日益严重的能源和环境问题，大力发展可再生能源已成为全球共识。占地球表面71%的海洋蕴藏着储量巨大的可再生能源，主要以海洋风能、波浪能、潮汐能、温差能、盐差能等形式存在。其中，波浪能具有巨大的开发潜力，它由风力作用产生，但相对于风能，波浪能更加稳定，空间分布也较为集中，是一种极具发展前景的清洁能源。海洋波浪能的开发已有200多年的历史，近几十年在技术上取得了许多突破性进展，开发出了各种各样的波浪能利用装置[1]。

1 研究历史

1.1 国外情况

开发利用波浪能的历史最早可以追溯到1799年，法国的Girard父子申请了世界上第一个波浪能技术专利[2]。但是，第一次世界大战后，石油成为最重要的现代能源资源，人们对波浪能的开发利用兴趣下降。日本人Yoshio Masuda被誉为现代波浪能技术之父，从20世纪40年代后期开始进行相关研究，发明了用于导航浮标供电的振荡水柱式发电装置。1965年这种浮标在日本实现商业化。1976年，Masuda又对不同规格的振荡水柱式波浪能转换装置组合起来进行了大规模的试验，但是由于当时对波浪能的研究尚处于初期阶段，试验能量输出效率很低[2]。

1973年，苏格兰人Stephen Salter和挪威人Kjell Budal开始在大学里从事波浪能研究。美国的Michael E.McCormick也是一位早期研究者[1]。1973年的石油危机引起可再生能源领域的重大变化以及人们对波浪能发电技术的浓厚兴趣，英国、瑞典、挪威等欧洲国家相继开始了一些政府资助的波浪能开发项目。1974年，爱丁堡大学的Stephen Salter在《自然》杂志上发表题为“波浪能”的文章，引起国际上科研机构对波浪能开发的重视[2]。

20世纪80年代早期，石油价格的回落造成了波浪能研发经费的萎缩，但是，第一代试验样机进行了海试。例如，1985年，挪威在卑尔根进行了两个功率分别为350 kW和500 kW装置的原型近岸海试；90年代初，苏格兰在艾莱岛安装了75 kW的近岸振荡水柱式波浪能发电装置；几乎同时，日本和印度也分别安装了60 kW和125 kW的波浪能转换装置。1997年签订《京都议定书》，限制二氧化碳排放，使人们又对波浪能等清洁能源开发加以重视。

进入21世纪后，波浪能开发技术逐步走向成熟，部分装置实现了产业化应用。英国Aquamarine电力公司的OYSTER摆式发电装置已经实现商业化运行，20台该装置组成的小型发电场可以为12 000户家庭供电。同属英国的波浪能发电装置Pelamis在偏远海岛供电方面也具有一定市场。加拿大的振荡浮子式波浪发电站AquaBuoy于2007年在美国俄勒冈州海岸进行了海试。2006年，丹麦的Wave Star阵列式波浪发电站进行了模型海试，具有较高的捕获效率和应用价值。

1.2 国内情况

我国自20世纪60年代开始了波浪能发电研究工作，80年代以后获得较快发展，主要的研究机构有国家海洋技术中心、中科院广州能源所、各大高校研究院等。

“八五”、“九五”期间，我国国家海洋技术中心分别研建了8 kW和30 kW悬挂摆式波浪发电装置，为岛上居民供电。其中，30 kW装置在山东省即墨市大管岛建造完成，适用于入射波高为1～6 m的设计波况，发电状况良好，目前仍在运行。2012年7月，100 kW摆式发电装置开始示范运行。

1984年，中科院广州能源研究所研制了航标式微型波能转换装置并在沿海海域投入使用。1989年，在珠海市大万山岛，我国建成第一座试验波浪电站，为多谐振荡水柱型沿岸固定式电站，装机容量为3 kW。1989-1991年，先后对该电站进行了3次试验，研究了实际海况下气室、透平及电机的性能。后来，能源所将其改建成一座20 kW的波浪电站，于1996年2月试发电成功。“九五”期间，能源所在广东汕尾市研建100 kW波浪电站，并与电网并网运行。2006年，在同一海域建成了50 kW岸式振荡浮子发电站，由独立发电系统、海水淡化系统及漂浮式充点系统3部分组成，采用液压传递能量。2008年，能源所将一种与波浪特性高度吻合的机械抗阻融入设计，成功研制出液态金属磁流体波浪能发电装置，该种装置具有高能源转化率和较大的功率密度并且便于安装维护，具有较好的发展前景[3]。

2010年，我国启动了海洋可再生能源开发利用项目。2011年11月，能源所研制的“哪吒1号”直驱式海试装置在广东珠海大万山岛海域投放成功，设计发电功率为10 kW，海试时最高输出相电压381 V[4]。2013年2月，装机功率为20 kW的“哪吒2号”也投入运行，采用整流-蓄电池-逆变系统直接为风速仪供电，提供220 V电源输出。同年，“鹰式一号”漂浮式波浪能发电装置在万山群岛海域正式投放并成功发电。2015年11月，该所又顺利投放了鹰式“万山号”120 kW波浪能发电装置。

山东大学于2013年开发完成了适用于波浪发电的双定子、双电压结构的120 kW漂浮点吸收式液压波浪发电系统。2014年，中国海洋大学主持研制的“10 kW级组合型振荡浮子波能发电装置”在青岛市黄岛区斋堂岛海域成功投放，该装置运用组合式陀螺体型振荡浮子与双路液压系统将波浪能转化为电能，并使用潜浮体和张力锚链进行海上安装定位。

总体上，波浪能利用技术欧洲国家起步早、发展较为先进，美国、日本紧随其后，中国起步较晚但发展迅速，近年来重视程度不减。波浪能利用技术经历了理论论证到样机海试的过程，从能够发电向稳定发电方向进展，应用目标向着具有优势的“海能海用”、独立海岛的方向发展，正在逐步走向成熟。

2 波浪能资源评估

波浪能资源的一大缺点是其时间和空间上的随机性，不同地区、不同季节和月份，波浪能的蕴藏量相差很大，因此，为了更好地利用波浪能，首先需要对其正确评估。波浪模拟是掌握目标海域波浪资源分布的基础，为实地观测的波浪情况提供辅助数据，为目标海域提供波浪相关参数的时空分布信息。WERATLAS是欧洲波浪能源规划的基本工具，它对风生波浪进行数值模拟得到波浪参数，并通过大西洋和地中海沿岸的85个观测点数据进行验证，得到可信的结果[5]。波浪观测常用的设备有波浪浮子、多普勒流速剖面仪、高频雷达等。

波浪的能量水平通常表示为沿波峰或沿海岸线方向单位长度上的功率。波浪能主要分布在中高纬度，季节变化北半球比南半球大[6]。

3 波浪能转换装置

波浪能转换装置可分为振荡水柱式、振荡体式和越浪式三大类，各大类包括固定式、漂浮式、沉没式等小类，下面将具体介绍。3.1 振荡水柱式

振荡水柱式是第一代波浪能转换装置，布放在近海，锚系在海底或固定于岩壁，如图1所示。此类装置安装和养护简便，不需要深水锚固和远距离输电，但近岸的波浪资源相对较贫乏，能流密度低。挪威、日本、印度、英国、葡萄牙、爱尔兰、中国等多个国家都曾对振荡水柱式装置进行了研究，在日本和中国有将近1 000个导航浮标通过这类装置供电[7-8]。

图1 振荡水柱式装置示意图

Tomoki Ikoma等人基于线性势理论，运用格林函数的边界元法分析了端墙对振荡水柱式波能转换装置性能的影响，并进行了预测和优化，发现较长的端墙设计能够提高发电效率[9]。

3.2 振荡体式

振荡体式是第三代波浪能转换装置，多为漂浮式或浸没式，通常适用于40 m以上水深波浪能丰富海域，结构略为复杂，系泊系统和水下电缆的维护比较困难。

点吸收装置是最简单的波浪能转换装置。较早的测试装置有1980年日本东京湾的G-1T以及1983年挪威的球形浮体；典型代表还有瑞典乌普萨拉大学研究的的紧绷锚固的线性发电波浪浮子[10]和美国俄勒冈州立大学发明的使用线性发电机的垂荡浮子系统[11]，如图2所示。

图2 单浮子振荡体式装置

单浮子系统的相对运动发生在浮子与海底之间，受海面潮汐振荡影响较大。双浮体系统将单浮子与海底之间的不稳定相对运动转化为两浮体之间可控的相对运动，从而解决了这一问题。Falnes在理论上分析了双浮体之间的流体动力作用[12]。代表性的双浮子系统发电装置包括IPS浮子、PowerBuoy和Wavebob等，如图3所示。此类装置目前发展较为成熟，正在逐步考虑建设多个单体装置组合阵列的发电场。

图3 双浮子振荡体式装置

振荡体式波浪能转换装置还包括沉没式、纵摇式、坐底式等。

沉没式垂荡系统以阿基米德波浪摆（archimedes wave swing,AWS）为代表，首次使用线性发电机进行发电，如图4所示，于2004年通过海上测试[13]。

图4 沉没式垂荡系统AWS

纵摇式装置的代表包括英国的海蛇（Pelamis）、筏式（McCabe）波浪能泵、蛙式装置（Frog）等，如图5所示。其中，海蛇波浪能发电装置由多个圆柱形结构单元铰接而成，利用角位移驱动液压缸，将波浪能转变为液压能而发电。葡萄牙于2008年在西海岸建立大型海洋能源实验区，引进英国的海蛇波浪能发电机组，建立了世界上首个具有真正意义商业规模的发电站，如图6所示。

图5 纵摇式装置

图6 葡萄牙3×750 kW Pelamis机组波浪能发电场（2008年）

坐底式装置的代表是英国研发的Oyster装置，如图7所示，由一块巨大的浮力钢铁瓣与一个底座铰接组成，底座固定在海床上。钢铁瓣在海浪作用下前后摆动带动两个液压活塞把高压水抽送至岸上，驱动水轮机运转带动发电机发电并输入电网。

图7 坐底式装置Oyster

3.3 越浪式

越浪式装置需要依托一定的海岸地形条件，把海域中的水引入到一个水库中，采用低水头水轮机将储存的海水的能量进行转换，典型的代表为丹麦的Wave Dragon，如图8所示。

图8 越浪式装置Wave Dragon

与越浪式发电装置原理类似，韩国人Byung-Ha Kim等提出了一种新型波浪能转换装置，如图9所示，设备主体为一封闭式的水箱，由箱内水位变化提供动力进行发电。波浪作用使装置进行俯仰运动，在水箱中形成双向流动，驱动水平轴水轮机单向旋转带动发电机发电。这种装置内部设备不与海水直接接触，封闭性好，因此耐腐蚀性高，受生物附着的影响小[14]。

图9Byung-HaKim提出的新型装置原理图及1:3模型试验台

4 难点和研究方向

4.1 流体动力特性计算

波浪发电装置布放入海后，实际上面临的是不规则的复杂海况变化。目前的理论研究主要基于线性波浪理开展，但对非线性随机问题的研究仍然不成熟[15]。非线性波之间的相互作用以及它们与波浪发电装置之间的作用在一定程度上是随机变化的，因此，实际海况中发电装置的流体动力特性不能精确计算。

挪威的Ankit Aggarwal等人使用开源计算流体动力学（CFD）模型REEF3D对规则和不规则波与垂直圆柱的相互作用进行了模拟。该模型在整个域上解决了雷诺平均Navier Stokes（RANS）方程，提供了流体压力、速度以及自由面等流体动力学信息，可以用于对圆柱体周围的流体情况进行分析和可视化[16]。Muk Chen Ong等人运用湍流模型解非连续RANS方程，对两个部分沉入水中的圆柱体结构进行了二维数字仿真分析。同时，通过垂直波浪力的变化和自由表面的升降，得到了两个圆柱体之间距离对流场的影响[17]。Pol D.Spanos和Felice Arena提出一种统计线性化技术，用于对单浮子振荡捕能系统进行快速随机振动分析[18]。

4.2 发电稳定性和高效性设计

波浪的不稳定性以及能流密度低、转换效率低的特点，是制约其利用技术发展的主要原因。因此，需要提高波浪发电装置的适应性，增大捕能频宽，从而提高稳定性和发电效率。其中，储能装置的设计和系统的功率控制非常重要。

许多振荡体式波能发电装置都是将浮子的动能转化为液压能再带动发电机发电。Falcão在时域内研究了气体蓄能器体积和工作压力对电力输出稳定性的作用[19]。郑思明基于三维波浪绕射辐射理论，提出了一个计算铰接双筏体最大波能俘获功率的数学模型，可用于计算装置在特定参数下的最大波能俘获系数[20]。Jeremiah Pastor，Yucheng Liu基于边界元方法建立了点吸收式波能转换器的线性模型并进行数值仿真和频域分析，得出了不同浮子形状、直径、吃水深度等参数变化对浮子垂荡运动性能的影响，从而得到优化的参数设计[21]。

4.3 阵列发电场设计

波浪能转换装置的阵列化有利于充分利用单位海域面积内的波浪能量，在一定程度上实现经济成本的最优化。阵列式波能转换装置的研究主要集中在运行特性和波能俘获效果两个方面：运行特性研究浮体或固定结构在波浪作用下受到的波浪力、辐射力、绕射力等以及结构反作用于波浪场所引起的变化；波能俘获效果是指通过对比阵列式装置的单体平均功率与单个装置的发电功率以及它们的俘获宽度比，分析所设计的阵列布局的优化效果。

阵列发电场的研究，目前主要针对单一类型振荡浮子式装置[22]。de Andres等人考虑了阵列布局、单体之间距离、装置数量以及波浪入射方向的影响，发现增加WEC的数量可以提高它们之间的相互作用力，不同的波浪方向对于波能俘获的影响很大，单体之间距离为入射波长的1/2时，俘获效率较高[23]。Kara运用数值仿真方法在时域内计算了两种运动模式下的垂直圆柱体阵列的波浪能吸收功率，同时研究了单体装置之间距离以及入射波角度的影响[24]。Konispoliatis和Mavrakos运用多重散射方法研究了振荡水柱式波能转换装置阵列在波浪作用下的绕射和辐射效应[22]。国内方面，香港大学的Motor Wave、浙江海洋大学的“海院1号”、集美大学的“集大1号”，均是阵列式发电场的尝试。

4.4 多元化综合利用

海洋中除了波浪能，还蕴藏着海流能、潮汐能、温差能、盐差能等多种形式的能源，而且其开发技术也在逐步发展，再加上相对成熟的太阳能和风能利用技术，使得在海洋中进行多种能源综合利用成为可能。多能互补通过共享基础平台、海底电缆等方式来降低成本，全方位开发所在海域能源；另外，也可以构建分布式发电网络，利用多能互补系统实现电力的稳定输出，提高海洋能的稳定性和利用率[25]。

5 结论与展望

波浪能发电技术已有几百年的历史，近几十年来发展尤为迅速，大致经历了理论研究、装置制造、内部试验、外部海试等阶段。我国虽起步较晚，技术不够成熟，但近年来对波浪能开发利用的重视程度增加，发展十分迅速。

波能转换装置种类繁多、各有优劣，应在充分了解目标海域波浪特性的基础上选择适合的类型进行建造。虽然各种新型装置设计与实验层出不穷，但波浪能发电技术仍然亟待发展。目前，需解决的问题主要有：（1）增加俘获频宽，提高发电稳定性和发电效率；（2）提高防腐能力及密封性，增加寿命回收成本；（3）优化发电控制及电能处理技术，促进波浪能的产业化利用。

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Wave Energy Utilization:History of Development and Key Technologies

LIU Yan-jun1,2,HE Tong-tong1
1.Institute of Marine Science and Technology,Shandong University,Ji'nan 250100,Shandong Province,China;
2.School of Mechanical Engineering,Shandong University,Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture, Ji'nan 250061,Shandong Province,China

As a new type of clean energy,wave power has been paid increasing attention in recent years.In this paper,the research status of wave power exploitation at home and abroad is analyzed from the aspects of history of developement,methods of wave energy evaluation,types of wave energy converters(WECs)and typical devices. This paper also summarizes and elaborates the research direction and technical difficulties in nonlinear hydrodynamic calculation,energy stabilizing,array generation design as well as applications combined with other clean energies.Finally,the prospect for future utilization of wave energy is put forward.

wave power generation;history of development;evaluation on energy resources;wave energy converter;array power generation field

P743.2

A

1003-2029（2017）04-0076-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.014

2017-03-08

海洋可再生能源专项资金资助项目（GHME2017ZC01，GHME2016ZC01，GHME2016ZC02，GHME2016ZC03）；海上仪器设备海洋能供电系统示范（GHME2017YY01）；山东大学交叉学科陪育项目资助（2016JC035）

刘延俊（1965-），男，教授、博士生导师，主要研究方向为海洋能开发利用技术及装备、深海探测取样技术及装备、海洋机电装备与材料、液压气动比例伺服系统设计、开发、建模、仿真及控制。E-mail：lyj111ky@163.com