阵列浮子式波浪能发电技术研究概述

史玉涛 刘艳娇 赵凌志

（1 中国科学院电工研究所 北京 100190 2 中国科学院大学 北京 100049）

随着国际能源安全、生态环境、气候变化等问题日益突出，加快开发利用海洋能已成为世界沿海国家和地区的共识。波浪能具有分布范围广、储量大、能流密度高等特点，备受科研工作者的关注，成为海洋能开发利用的热点。自1910 年法国波契克斯·普莱西克设计出第一套气动式波浪能发电装置，波浪能发电技术已获得长足发展，目前全球已有4 000 余种波浪能发电装置［1］。振荡浮子式波浪能发电装置效率高、制造难度低、可靠性好，成为当前研究的主要方向［2］。单一浮子不能同时吸收不同海面位置的波浪能，且受自身体积、重量等影响，存在单机容量小、发电成本高、发电量不稳定等一系列问题，不能满足大型化、规模化发电的要求［3］。阵列浮子式波浪能发电是将多个振荡浮子在一定的海域面积内阵列有序布置，可以连续、均匀地吸收不同位置的波浪能，实现大规模发电、连续稳定电能输出和高效能量转换，同时大大降低发电成本。因此，阵列式波浪能发电成为目前波浪能发电研究的重点之一。

1 阵列浮子式波浪能发电方式及系统构成

阵列浮子式波浪能发电装置可分为很多种类，不同类型装置的发电原理有很大差异。依据能量输出（Power Take Off，PTO）系统与振荡浮子联结方式的不同，可将之分为阵列浮子式波浪能发电场（Wave energy farm）和阵列浮子式波浪能发电平台（Wave floating platform）。

阵列浮子式波浪能发电场是将一系列单浮子波浪能发电装置在一定的海域内阵列布置，每台发电装置都装配有一套完整的PTO 系统，可单独完成波浪能到电能的转换。阵列布置的多台发电装置通过分布式拓扑构架对输出电能进行汇集，再经过一系列电能转换后输送至用户或储能装置［4］。相较于单浮子发电装置，阵列浮子式波浪能发电场不仅发电量高，而且进一步提高了对海洋环境适应性。

阵列浮子式波浪能发电平台是将多个振荡浮子有序排布于漂浮平台四周，各振荡浮子通过机械传动结构连接至漂浮平台，平台上安装有中间转换系统和发电系统，通过中间转换系统进行能量的汇集和转换，最终驱动发电机输出电能［5］。目前，阵列浮子式波浪能发电平台中间转换系统主要采用液压蓄能系统。每个浮子分别连接一个或多个液压缸，通过汇流母管和蓄能器将吸收的波浪能汇集并转换为液压能，从而有效降低波浪突变性对装置的载荷冲击，蓄能器进一步消除了波浪周期性对功率输出的影响。阵列浮子式波浪能发电平台最大特点是多个浮子共用同一个PTO 系统，可以一定程度上实现经济成本的最优化，并能够保证电能输出的稳定与连续。

根据振荡浮子结构的不同，可将阵列式波能装置分为阵列摆式、阵列筏式、阵列鹰式、阵列鸭式和阵列点吸收式等。

2 阵列浮子式波浪能发电技术研究现状

目前，阵列浮子式波浪能发电处于初步海试运行阶段，各国学者研究重点主要在于振荡浮子阵列化布局及其水动力学特性、阵列装置波浪能俘获效果。

2.1 阵列浮子式波浪能发电装置工程应用

世界上已有多个国家研制完成阵列浮子式波浪能发电系统样机并进行实海况测试，甚至进行了商业化示范运行，典型代表如表1 所示。其中，澳大利亚CETO 波浪能发电场、丹麦Wave Star 阵列式波能装置1∶2 比例样机和中国“舟山号”阵列鹰式装置成功并网运行。

2.2 阵列浮子式装置波能俘获效果研究

作为波浪能发电的第一级能量转换过程，波浪能俘获效果直接决定着波浪能发电装置性能的优劣。通常采用影响系数q 作为判断阵列装置波浪能俘获效果的依据［4］。如公式1 所示，q＞1 表示阵列布置对波浪能俘获有积极作用；反之，则说明布置方式抑制波浪能吸收。

式中：N 为阵列中浮子个数，P 为单浮子吸收的波浪能功率，Pi为阵列中第i 个浮子吸收的波浪能功率。

表1 阵列浮子式波浪能发电装置工程应用实例

目前，主要研究波浪频率、入射波方向以及各振荡浮子之间的间距对阵列式发电装置影响系数q 的作用。Fitzgerald 等［12］基于点吸收理论，采用数值分析方法对5 个半球形振荡浮子不同的阵列布置方式和入射波方向进行了研究分析。结果显示，考虑全部的入射波方向时，影响系数q 均值等于1。Borgarino 等［13］通过对阵列式波能转换装置进行参数研究，将9～25 个垂直圆柱型振荡浮子布置于标准的正方形和三角形网格上，研究了浮子布置间距对波浪能吸收的影响。

2.3 阵列布局对水动力系数的影响研究

对于阵列浮子式波浪能发电系统，各浮体之间的相互作用亦是研究人员关注的重点。Agamloh 等［14］采用三维数值水槽模拟计算分析了波能装置的流固耦合相互作用，并对2 个浮子小阵列垂荡运动时双浮体之间的相互作用进行了研究。研究表明，浮体之间的相互作用随浮体间距、波浪要素的变化而变化。吴广怀等［15］根据三维线性势流理论，对多浮体系统的水动力系数进行数值分析。仿真结果表明固定波浪频率下水动力系数幅值随浮子间距增大而减小，且相邻极值的间距为一个或半个波长。杨绍辉等［16］采用数值模拟研究了不同波向作用下圆周形、双列形、单列形3 种阵列布置方式的水动力响应及阵列间距对各浮子波能俘获的影响。研究发现不同波向下圆周形布置时其阵列浮子平均振幅最大。在这种布置方式下，对于直径2.8 m 的圆柱形振荡浮子，浮子间距8 m～10 m 为最佳距离。

3 阵列浮子式波浪能发电技术发展趋势

阵列浮子式波浪能发电技术的提出，对波浪能发电间歇性和高成本等问题提供了相对较好的解决方案。因此，阵列浮子波浪能发电在全球沿海国家获得快速发展。阵列浮子式波浪能发电技术发展趋势主要有以下4 个方面：

3.1 波浪能发电平台成为主要研究对象

相比较于阵列浮子式波浪能发电场，阵列式波浪能发电平台具有受海浪冲击影响小、输出电能相对稳定、活动部件少、整体稳定性高等优势，迅速成为阵列浮子式波浪能发电的研究热点和主要研究对象。

3.2 发电平台单机容量逐渐增大

大容量发电装置单位发电效率高，建设投资和发电成本逐渐降低且易于控制，因此，大容量装置亦是波浪能发电发展趋势之一。从表1 可以看出，目前研制成功的阵列浮子式波浪能发电装置单机容量多为千瓦级并且逐渐增大。因此，阵列式波浪能发电平台单机容量必然随波浪能发电技术的成熟而增大，甚至会达到兆瓦级及以上。

3.3 海上多能源综合开发利用

海洋中具有同样丰富的风能和太阳能资源。为优化能源布局，提高海洋能源综合利用率，各种可再生能源综合开发利用已成发展的必然趋势。目前的互补式发电平台有波浪能发电平台与漂浮式风电机组相结合的“STC”发电装置，波浪能-太阳能相结合的“澎湖号”波浪能发电平台。

3.4 波浪能发电平台与发电场相结合

阵列浮子式波浪能发电平台的装机容量相比较于单浮子有很大提高，然而相比于传统发电方式，波浪能发电平台装机容量依然很小。将阵列浮子式波浪能发电平台作为发电单元阵列布置，形成波浪能发电场，是波浪能发电大型化、规模化的有效途径。

4 结论及展望

阵列浮子式波浪能发电可以实现大规模发电、连续稳定电能输出和高效能量转换，同时大大降低发电成本，是波浪能发电研究的重点。目前，阵列浮子式波浪能发电研究多处于理论分析和样机海试阶段，其发展趋势为多能源综合开发利用的波浪能发电平台阵列布置成发电场。随着波浪能发电技术日趋成熟和完善，以其所具有的独特优势，阵列浮子式波浪能发电或将发挥更大的作用。