波浪能发电现状及关键技术综述

陈映彬，黄 技，赖寿荣，赖佳亿，林樾荣

(广东海洋大学海洋工程学院，广东 湛江 524088)

随着全球不可再生能源的逐渐枯竭和环境问题的日渐突出，人类亟需探索清洁可再生能源来替代日渐枯竭的化石能源。在当今能源逐渐枯竭的形势下，如何利用好波浪能这一丰富的可再生能源显得十分重要。波浪能实际是来源于风能，风把能量传递给海洋从而产生了波浪能，其之间的转化效率和风速及风区有关。波浪发电技术就是在现有波能研究的基础上，将当下已经相对成熟的发电原理和精密精准的机械制造工艺进行高效的融合，将广阔大海里超过25亿kW的波浪能转化成清洁、高效、可供人类直接使用的电能[1]。对波浪能行之有效的利用不仅可以对海洋能源进行合理开采，也是解决当下能源短缺的一种正确措施。作为一种可再生能源，波浪能发电不仅符合当下国家所提倡的可持续发展理念，还具有无可比拟的开发潜能。利用好波浪能不仅能够缓解当下化石能源日益减少的窘况，还可以对环境进行有效地保护。

1 国内外现状

全球约70%的面积是海洋，储存着巨大的海洋能。据估算，约有25亿kW的波浪能。当前美国、日本、中国以及欧洲等国家均在沿海建造了或多或少的波浪发电装置。位于太平洋西部的我国坐拥着非常丰富的海洋能源。有关数据表明，我国波浪能开发的潜力超过1亿kW。随着环境问题的日益突出，当下各国也都在加快波浪能发电方面的研究。

位于英国苏格兰北部海域的Oyster装置是当前最为成功的浮力摆波浪能发电装置。第一代Oyster发电装置的摆宽为26 m，高为12 m，装机功率为315 kW，装置在2009年进行了测试。在成功研发了第一代Oyster发电装置后，Aquamarine Power公司拟开发了一个大型波浪力电站，总装机的功率为2.4 MW。该发电站由3座第二代Oyster发电装置组成。该第二代装置摆宽为26 m，高为12 m，装机功率为800 kW[2]。

美国作为波浪能发电领域技术的领先者，Power Buoy波能转换装置是美国波浪能发电领域的一项代表作。Power Buoy拥有高9 m的晶石固定浮标以及高和直径为1.5 m的运动浮标。浮标随着波浪所做的上下运动会带动液压活塞做拉伸和压缩运动，从而使发电机发电，并输送到岸上供当地居民使用。Power Buoy波能发电装置为了适应不同的海况，还采用计算机来智能调节发电装置的阻力，很大程度上提高了波浪能量利用率。

近年来，我国在波浪能发电研究领域也取得了不少成就。譬如我国自主研制的“10 kW级组合型振荡浮子波能发电装置”于2014年1月投入使用[3]。无独有偶，一款由中国电科38所自主研发制造的波浪能发电装置在2017年通过了海洋局的验收并投入了运营[4]。而福建智盛能源科技有限公司在2018年第二十届中国国际高新技术成果交易会上也向大众展示了一款采用“能量集”新技术的波浪发电装置。该技术将波浪能量集中在1台发电机上，这样的发电机制成功将发电能量进行了几何级倍增。

2 波浪能发电技术

当前各国都在研究波浪发电，而海浪能发电装置的种类也是不可胜举，但这些发电装置均源于几种基本的原理：将波浪作用下物体的上下左右运动转化为电能；将波浪压力变化转化为电能；将波浪的势能转化为动能等[5]。以下是当前几种常见发电装置的发电原理。

1)摆式波浪能发电装置(见图1)。摆式发电装置的主要部件是浮力摆，浮力摆下方与液压装置相接。在波浪的推动作用下，浮力摆不停地做往复的前后摆动，在压缸加以收集后，再由发电机将机械能转换成可直接利用的电能，从而实现波浪能的转化。

图1 摆式波浪能发电装置图

2)筏式波浪能发电装置(见图2)。筏式波浪能转换装置主要是利用其铰接处的液压能来转化为电能的，此类装置主要有液压系统和铰接阀体，铰接处安置有液压转化系统，包括活塞杆、液压缸以及液压控制柜。当有波浪时，波浪会带动筏体上下运动进而使铰接处往复弯曲，往复运动产生的机械能经液压装置收集后用于发电机发电，实现波浪能量的转化。

图2 筏式波浪能发电装置图

3)振荡浮子式波浪能发电装置(见图3)。振荡浮子式发电装置由振荡水柱式发电装置发展演变而来，主要结构包括浮体、质量体和发电机等[6]。其工作原理主要是通过波浪能的运动，带动浮子不断进行上下垂荡，与质量体产生相对运动，再通过液压装置等将收集到的动能和势能储存起来进行发电。

图3 振荡浮子式波浪能发电装置图

4)点头鸭式波浪能发电装置(见图4)。顾名思义，点头鸭式波浪能发电装置的形状和工作状态类似鸭子的运动。该类装置主要是利用波浪运动来促使浮子绕装置回转轴旋转，利用旋转运动来进行发电的。在波浪入射波的作用下，浮子鸭嘴部分产生了水平位移，而在入射波过去后，鸭嘴又回到了垂直状态。浮子绕回转轴往复摇摆运动的能量经液压装置收集后，通过电力系统转化为可直接利用的电能，从而实现能量的转化。

图4 点头鸭式波浪能发电装置图

5)振荡水柱式波浪能发电装置(见图5)。该装置主要是由气室和空气涡轮机组成，通过波浪的运动来使得气室中的水柱上下运动，水柱的上下运动挤压了气室内部的空气，进而转换为发电机的转动实现发电的。装置内部的空气涡轮机在空气的作用下来回正反运动，实现波浪能量较为高效的转化。

图5 振荡水柱式波浪能发电装置图

6)越浪式波浪能发电装置(见图6)。越浪式波浪能发电装置的工作原理和堤坝水利工程的很相似，主要是利用水面高度差产生的势能进行发电。越浪式波浪能发电装置通常建立在岸边上，使用多个蓄水池放在彼此的顶部，波浪入射波迎来的方向上设有特殊开口用以捕捉入射波，波浪从开口涌进蓄水装置中与自由水平面产生高度差，接着利用涡轮机将水的势能转化为电能。越浪式波能装置主要包括收缩波道技术(tapered channel)、槽式技术(seaslot-cone generator)和波龙(wave dragon)[7]。

图6 越浪式波浪能发电装置图

7)海蛇式波浪能发电装置(见图7)。海蛇式波浪能发电装置属于一种半潜式系统，此类发电装置由数个圆柱体衔接组成。相互连接的圆柱体间安装有液压缸和发电机等结构。当圆柱体随波浪作相对运动时，圆筒间将会产生扭矩来驱动装置里面的活塞杆做拉伸和压缩运动。接着液压缸里的压力油在液压缸的高压作用下将泵出推动液压马达旋转，进而实现能量的转化[8]。该类发电装置的系统以及整流电路都位于结构内部，封闭性较好。

图7 海蛇式波浪能发电装置图

8)海上发电船(见图8)。海上发电船是将发电结构和海上船舶结合在一起的新型发电装置。该类发电装置常采用液压发电的形式，在船的两边安装有多个吸收波浪能的浮体和液压杆。当有波浪时，波浪会带动浮体上下运动进而拉伸压缩液压杆，液压能经液压装置收集后促使发电机发电，实现能量的转化。发电船舶必须从港口低能区行驶到高能量区，产生的电能将被送入电网。这种发电形式提高了发电能力，但也增加了燃料成本，且船员在发电期间不能随意离开发电船。

图8 海上发电船图

3 结 语

全球约70%的面积是海洋，海洋能源十分丰富。据有关统计，全球储存着超过25亿kW的波浪能。在传统能源日益耗尽的现状下，波浪能的开发具有十分巨大意义和前景。当下波浪能发电技术相对国外而言还不够成熟，发电效率普遍不够高，装置对各种海况的适应能力也较低。波浪能如果开发得当，不仅可以缓解当下化石能源日益减少的窘况，还具有巨大的战略意义及经济效益。