波浪能发电技术及研究现状

赵金峰，黄筱云，陈 理

（1.长沙理工大学水利与环境工程学院，湖南 长沙 410114；2.湖南水利水电职业技术学院，湖南 长沙 410131）

引 言

电力消耗水平是衡量社会和谐发展的重要指标。到2040年，发电量将占到全球能源消耗的40%。传统能源终究有限，届时新能源将扮演重要角色。过去的三十年，新能源的大规模开发主要集中在太阳能和风能领域，而波浪能发电技术的社会资本投入相对较少，还未实现产业化。波浪能利用本身并不是新鲜事物，13世纪的中国就利用波浪用于推动磨盘，法国人Girard于1799年申请了波浪能转换的首份专利，法国人Praceique-Bochaux于1910年制造首套波浪能发电装置，日本人增田吉夫于1940年开发出首套振荡水柱式波浪发电装置[1]。较太阳能和风能而言，波浪能能量密度更大，且更可靠。波浪能转化装置的利用率也远高于风能和太阳能转化装置[2]。

波浪能发电装置形式多样，但大致原理基本一致，即先通过波浪能捕捉装置将波浪能吸收，再通过传动机构将波浪能转换成稳定输出的机械能，然后利用发电装置将机械能转化成电能[3]。现有波浪能捕捉装置包括振荡水柱式、摆式、越浪式、鸭式、筏式、点吸式等[4]。依据其作用原理，可分为压力差式、越浪式、浮体式和摆式四类，见图1。在传动方式上，振荡水柱式装置采用气压传动，越浪式装置通过水轮机传动，其它装置则利用液压传动[3]。根据修建位置，波浪能发电装置分为海岸、近岸、离岸三类。根据捕捉装置相对大小以及相对于波浪的摆放方式，分为消浪式、点吸式和终端式，见图2。其中，消浪式装置的长轴与波浪传播方向一致，终端式的长轴则与波峰平行。

图1 目前波浪能捕捉常见形式

图2 波浪能捕捉装置布置形式

1 波浪能捕捉装置

1.1 压力差式

压力差式波浪能捕捉装置是利用波峰与波谷之间的压力差，并通过气压传递能量。这类装置可分为阿基米德式和振荡水柱式（OWC）两类。前者一般安放在海底，当波峰经过该装置时，该装置被压缩，而当波谷通过时，该装置则回弹，如图1（a）所示；后者为半浸没于水中的气室，如图1（b）所示，当波浪传递到气室前时，气室内水面出现上下振荡。当水面上升压缩空气时，空气被喷出，反之，外界空气被吸入，这样，气流将推动透平转动，并带动发电机发电。图3为压力差式波浪能捕捉装置案例。

图3 压力差式波浪能捕捉装置案例

1.2 越浪式

越浪式波浪能转换装置（OWEC）是将越过该装置的水体截留下来，并利用该部分水体回流带动叶轮转动，如图1（c）所示。该装置同样根据安放位置分为固定式（陆域）和漂浮式（海上）。OWEC装置具有波浪能转换率较高、整体稳定性较好，可与其它近岸设施相结合以减少投资等优点。图4为越浪式波浪能捕捉装置案例。

图4 越浪式波浪能捕捉装置案例

1.3 浮体式

该装置利用漂浮在水面的浮体随波浪而产生的相对和绝对运动。该类装置包含鸭式、筏式、振荡浮子式等。鸭式海洋波浪能发电装置由英国爱丁堡大学于1975年提出，它形如鸭蛋，如图1（d）所示，在波浪作用下呈绕轴转动，遇到短波时转换效率接近100%。图5为浮体式波浪能捕捉装置案例。

图5 浮体式波浪能捕捉装置案例

1.4摆 式

该装置利用随波浪运动的摆体捕捉波浪能。摆式装置按照固定方式分为悬挂摆和浮力摆。悬挂摆摆体铰接于海面上，如图1（h）所示，浮力摆摆体则铰接在海底，如图1（i）所示。悬挂摆式波浪能发电装置又可分为沿岸固定式和海上浮体式两种。图6为摆式波浪能捕捉装置案例。

图6 摆式波浪能捕捉装置案例

2 传动装置

2.1 空气传动

振荡水柱波浪能发电常采用空气透平，将气流转化成机械能。由于气流会改变方向，空气透平实际上是自整流的空气涡轮机。目前，空气透平主要有威尔斯透平、丹尼斯透平和轴流冲击式透平三类（图7）[1,8]。威尔斯透平属于自整流轴流涡轮机，其扭矩对气流方向不敏感，是目前最常用的空气涡轮机；丹尼斯透平是一种可变螺距自整流涡轮机，其叶片位于转子轮毂的外围，平行于流动的轴向方向，而不是与旋转方向相切；轴流冲击式透平的旋转轴线则与气流方向对齐。

图7 常见的空气轮机形式

2.2 水力传动

在波浪能发电装置内采用的水轮机分为轴流式和冲击式两类[1]，见图8。冲击式水轮机由高速水射流驱动。水射流冲击叶片时，带动涡轮旋转。佩尔顿水轮机就属于冲击式水轮机。与冲击式水轮机不同，轴流式水轮机将喷嘴连接到转子上，水流在管道上产生反作用力，使转子沿与水流方向相反的方向旋转，这种水轮机必须被包裹起来以容纳水压，或者完全浸没在水流中。两种最常见的轴流式水轮机是卡普兰和弗朗西斯水轮机。越浪式发电装置常采用轴流式水轮机，其中，低水头装置使用卡普兰水轮机，高水头装置则安装弗朗西斯水轮机。

图8 常见的水轮机形式

2.3 液压传动

浮体式和摆式发电装置常采用液压传动。液压传动系统主要由液压活塞缸、蓄能器、阀组和液压马达组成，如图9所示。浮体运动通过液压缸转化成液压能，而液压能通过连接液压马达的发电机转换成电能，蓄能器的作用则是将低频波浪转换成稳定输出的机械能。

图9 液压传动系统

2.4 直驱式

浮体式波浪能装置也可以采取直驱方式发电，即利用浮体的运动直接推动线性发电机作往复直线运动发电，如图10所示。其优点是减少中间环节，降低了设计的复杂性和维护成本。

图10 直驱系统

3 国内波浪能捕捉装置研究

国内最早开展波浪能发电技术研究的单位是中科院广州能源所和国家海洋局海洋技术中心。早在20世纪80年代，中科院广州能源研究所便研发了振荡水柱式发电装置用于航标灯供电，并实现商业化运营[9]。1989年，该所在珠海大万山岛修建了我国第一座岸式振荡水柱电站。“九五”期间，该所在广东汕尾市研发建设了100 kW振荡式波浪电站。2009年，该所研制了国内第1台10 kW鸭式波浪能发电装置，并进行了测试[10]。2012年，该所在鸭式装置基础上，研制出鹰式发电装置[11]。2015年，100 kW鹰式装置在万山岛进行了测试，见图11。

图11 浮式波浪能捕捉装置（中科院广州能源研究所）

同样在20世纪80年代，国家海洋局海洋技术中心研发建设了8 kW岸式悬挂摆发电装置，见图6（a）。在1996年，该中心在山东大管岛建造了30 kW岸式悬挂摆发电装置，至今状况良好[9]。2012年，该中心研发的100 kW浮力摆发电装置在大管岛海域投放运行（图12）。

图12 摆式波浪能捕捉装置（国家海洋局海洋技术中心）

此外，国内不同高校和研究院所也研制了不同类型的波浪能发电装置，见图13。如中船重工701所研制的筏式液压波浪能发电装置“海龙1号”（2011年）、集美大学研制的浮摆式波浪能发电装置“集美1号”（2011）、广东海洋与渔业服务中心和华南理工大学联合研发的摆式振荡浮子波浪能发电装置（2012）、山东大学研制的漂浮式发电装置“山大1号”（2012）、浙江海洋学院研制的自保护浮子式波浪发电装置（2014）、中国海洋大学研制的振荡浮子式波浪能发电装置“海灵号”（2014）。

图13 国内其它单位开发的波浪能捕捉装置

近十年来，我国在海洋波浪能发电领域的专利申请量超过3 000件，其中，浙江海洋大学、河海大学、上海海洋大学位居申请数量排行的第1、2、4位，国家电网公司则位于第7位。中科院广州能源所盛松伟等人发明的“浮体下挂液压缸式波浪能发电装置”位居全球波浪能发电技术高被引专利榜的27位[12]。

近年来，国内各院校将重点放在高效波浪能捕捉技术方面。肖晓龙等研究了串联直驱浮子式波浪能发电装置[13]，张步恩等研究了新型浮筒式波浪能发电装置[14]，曹飞飞等提出了一种液压式振荡浮子波浪发电装置[15]，刘延俊等研究了浮体形状对俘能性能的影响[16]，于通顺等则对可变翼波浪能发电装置导叶进行了研究[17]，王登帅等研究了微型阵列波浪发电装置的捕能特性[18]，薛刚等则提出了一种内置偏心转子式波浪能发电装置[19]。

4 波浪能发电技术研究重点

波浪能发电技术的研究重点包括：复杂流体水动力特性分析技术、稳定和高效发电设计、阵列化发电场设计、组合式海洋能开发技术等[11]。现有波浪能捕捉理论主要基于线性波理论，未考虑波浪的非线性特征，不能精确计算波浪动力特征。波浪不稳定特点以及能流密度低、转化率低是制约波浪能发电技术发展的主要障碍，需要增加捕能频宽，提高发电稳定性和效率。由于单个波浪能捕捉装置较小，阵列式有助于充分捕捉单位面积内的波浪能量，从而实现经济成本的最优化，但多个装置会反作用于波浪，造成单个装置俘能效果发生变化。海洋除了波浪能，还蕴含海流能、潮汐能、温差能和盐差能等多种形式的能源，加上太阳能和风能，将多种能源捕捉技术集合起来，共享基础平台，会大幅提高海洋能的利用率。

另外，与陆基结构相比，海洋结构设计、安装与维护会面临更大挑战。极端波况、生物污染和海水腐蚀会降低波浪能捕捉装置的可靠性，增加其生命周期成本。因此，波浪能发电技术需要更好的涂层材料、密封和电绝缘材料，以降低波浪能发电成本。

5 结 语

根据波浪能捕捉原理，波浪能捕捉装置分为压力差式、越浪式、浮体式和摆式四类；根据布置方式，又分为点吸式、消浪式和终端式三种。在波浪能发电装置中，传动装置是将波浪能转化成机械能的关键，分为空气传动、水力传动、液压传动和直驱四种形式。我国研制了不同形式的波浪能发电工程样机，部分装置实现商品化。在过去的十年，我国波浪能发电技术方面专利申请量居世界首位。当前的研究重点和难点是提升装置的成熟度、延长装置的服务寿命。