國外波浪能發電裝置的研究進展＊

高大曉，王方杰，史宏達，常宗瑜，趙 林

（中國海洋大學工程學院 青島 266100）

國外波浪能發電裝置的研究進展＊

高大曉，王方杰，史宏達，常宗瑜，趙 林

（中國海洋大學工程學院 青島 266100）

海洋波浪能是一種清潔環保并且可再生的新型能源。在當今能源短缺的情況下，作為綠色能源的海洋波浪能受到了世界多國的重視。世界許多國家對波浪能發電技術已經研究多年，并取得很大的成果。本研究將重點介紹近年來國外在海洋波浪能發電技術方面的研究成果。

波浪能；新型發電裝置；新能源

隨著世界經濟的持續發展，人類社會的不斷進步，對能源的需求越來越大。歷史悠久的石油、天然氣等非再生資源日漸枯竭，而且由于這些能源的應用導致碳排放量過高所帶來的溫室效應以及生態環境破壞日漸嚴重。人們迫切需要尋找到一種新能源來減少這些化石燃料的使用，甚至用新能源來取代這些能源的使用。伴隨著科技的發展，人們把目光投向資源和能源豐富的海洋。海洋能是一種取之不盡、用之不竭的環保性可再生能源，而且地球上海洋波浪蘊藏的電能可達5 000 GW［1－2］。

波浪能是海洋表面波浪所具有的動能和勢能，是由風把能量傳遞給海洋而產生的，它實質上是吸收了風能而形成的。波浪能雖然是海洋能源中能量最不穩定的一種能源，但是波浪能具有能量密度高、分布面廣等優點，即使在能源消耗較大的冬季，可以利用的波浪能也很大［3］。利用波浪能發電具有巨大的潛力，世界各國對其投入了廣泛的關注，各式各樣的波浪能發電裝置也應運而生。

1 波浪能發電技術

1.1 波浪發電的基本構架

波浪能發電裝置實際是一種能量轉換設備，是將波浪的動能和勢能最終轉換成發電機電能的設備。波浪能發電裝置的組成一般分為3部分：第一部分為波浪能的采集部分，是將波浪能通過系統轉化為可以利用的機械能、水位能或介質的壓能；第二部分是能量傳遞轉換機構，將第一部分獲得的能量轉換為旋轉機構的機械能；第三部分是發電裝置，將旋轉機構的機械能通過發電機轉換為電能［4］。其中第二部分的轉化效率是目前制約波浪能發電技術推廣應用的關鍵。目前許多科學家正在研制只有二級能量轉化的波浪發電裝置，即繞過傳統制約波浪發電的第二部分，如采用電磁技術等［5］。

1.2 波浪能發電裝置的分類

根據國際上最新的分類方式，波浪能技術分為：振蕩水柱技術、振蕩浮子技術和越浪技術（圖1）［6］。

圖1 波浪能技術分類

其中振蕩水柱技術利用波浪驅動氣室內水柱往復運動，再通過水柱驅動氣室內的空氣，進而由空氣驅動葉輪，得到旋轉機械能，進一步驅動發電裝置，得到電能。這種技術可靠性較高，但效率低。振蕩浮子技術利用波浪的運動推動裝置的活動部分產生往復運動，驅動機械系統或油、水等中間介質的液壓系統，再推動發電裝置發電。越浪技術是利用水道將波浪引入高位水庫形成水位差（水頭），利用水頭直接驅動水輪發電機組發電。

2 國外波浪能發電裝置近年來的研究成果

2.1 浮筒式永磁直線波能發電裝置

圖2為浮筒式永磁直線波浪能發電裝置示意圖，這種發電裝置是由美國俄勒岡州立大學波能研究團隊開發的，其發電機理與直線電機運動機理相反，利用電磁感應原理來進行發電。在這種裝置的內部，用來發電的線圈圍繞在一個具有永久磁性的軸的周圍，線圈與裝置的外殼固定在一起。磁性軸的下端伸長與海底接觸，起到固定裝置的作用。在海浪的作用下，線圈隨外殼相對于軸做上下運動，線圈因切割磁感線而產生電流。這種發電裝置去掉了傳統波能發電裝置中間的轉換環節，可以有效提高波浪能的轉換效率。據估計每個發電裝置可以產生250 k W的能量，并且可以根據需要方便地增加或減少裝置的安裝數量，以實現資源的優化配置。

圖2 浮筒式永磁直線波浪能發電裝置

如果用大約200個該裝置建立一個發電廠就可以滿足俄勒岡州波特蘭市商務區的電力需求。這種發電裝置具有巨大的商業潛力。

2.2 “牡蠣”波能發電裝置

The Oyster是由Aquamarine波能公司研制的。The Oyster坐落在海床上，像牡蠣一樣。The Oyster是一種浮力裝置，也是推擺式波浪能發電裝置。其主體是隨著波浪擺動的擺體，工作的原理與其他擺式裝置大同小異：在波浪的作用下，擺體作左右擺動，將波浪能轉換成擺體的動能。通過與擺體相連的水壓裝置將擺體的動能轉換成水壓裝置的壓能，再帶動發電機發電［7］。

圖3為The Oyster的工作系統示意圖，The Oyster的擺體安裝在水下大約12 m深度的海床上，帶有的鉸鏈片狀垂懸物的擺體在波浪的推動下，可來回活動驅動兩個水壓活塞，來產生高壓流體，驅使渦輪機發電［8］。

圖3 “牡蠣”工作系統

The Oyster的發電量是由裝置型號和安置地點情況決定的，一組The Oyster波能發電裝置最大電能輸出值可達300～600 k W。目前Aquamarine已經完成首臺大規模315 k W的Oyster波能發電裝置的安置，并且于2009年開始向蘇格蘭國家電網供電，實現了商業運作，而且由于其發電機安置在岸上，方便技術人員的監控和維護。

2.3 “海蛇”波能發電裝置［9］

“海蛇”（Pelamis）波能發電裝置是由Pelamis波能公司研制的，其飄浮在水面上，就像一條海蛇一樣。圖4為Pelamis波能發電裝置圖，每條“海蛇”長180 m，寬4 m，能產生0.75 MW的電，足夠約500個家庭1年的使用。每條海蛇由4節直徑為3.5 m的圓柱形浮筒組成，每兩個金屬節段之間用鉸鏈連接起來。每條金屬“海蛇”的端部要垂直于海浪的方向，浮筒會像海蛇的身子一樣隨著波浪上下起伏，關節處的上下運動與側向運動會推動圓筒內的液壓活塞作往復運動，把液壓油從發動機中間壓過去，驅動發電機發電［10］。Pelamis波能發電裝置的關節結構示意圖如圖5所示。

目前“海蛇”波能發電裝置已經在葡萄牙北海海床上安裝并投入使用，這些裝置將會產生2.2 MW的電能，足夠滿足1 500個家庭的用電需求。

2.4 “水蟒”波能發電裝置

圖6“水蟒”波能發電裝置示意圖，這種發電裝置是由英國科學家弗朗西斯·法利和羅德·雷尼共同發明的，其外形很像海洋生物水蟒。該裝置長約182 m、寬約6 m，由橡膠制成。其工作原理是：將“水蟒”安裝在距離海岸1.6～3.2 km遠、36～91 m深的水下，并系在海床上，同時使“水蟒”的橡膠管道內充滿海水。當有波浪經過時，彈性極強的橡膠管就會隨之上下擺動，橡膠管內部就會產生一股水流脈沖。隨著波浪幅度的加大，脈沖也會越來越強，并匯集在尾部的發電機中，推動發電機發電，然后通過海底電纜傳輸出去。

圖6 “水蟒”波能發電裝置

經過試驗獲得每條“水蟒”最多可以產生1 MW的電能，足以滿足數百個家庭的日常用電需要。而且這種裝置制作材料主要是橡膠，因此“水蟒”比其他波浪發電裝置重量更輕、構造更簡單、建造和維修成本更低。

2.5 浮標式波能發電裝置

圖7為Power Buoy裝置圖，該裝置是由美國海洋動力技術公司研制，目的是為美國海軍基地提供電力。該裝置是一種大型的圓筒式鋼質浮標，其有兩個主要部分：一個直徑1.5 m、高1.5 m的浮標以及一塊高9 m的基座固定浮標。當波浪打來，浮標上下浮動，它會拖動基座中的液壓裝置的活塞一起運動，通過一個回轉馬達和發電機，將波浪能轉化為電能并通過海底電纜把這些電輸送到岸上的電網中。

圖7 浮標式波能發電裝置

該浮標可以妥善地抵御海浪，并且可以通過一臺計算機，以10次/s的速率調整裝置的運行阻力，大幅度地增加了工作效率，提高波能的轉化效率。目前在夏威夷海岸的每組Power－Buoy裝置都擁有0.04 MW的發電能力，即將在蘇格蘭安裝的同種設備也許能夠產生高達0.15 MW的電力。

2.6 多浮子振蕩式波能發電裝置

圖8為Manchester Bobber系統裝置示意圖，Manchester Bobber是由曼徹斯特大學流體動力學教授Peter Stansby和他的團隊研發的。其發電的機理是：一個半自主的半潛式漂浮裝置，當其隨波浪上下移動時，可通過一個滑輪來帶動發電機進行發電［11］。用于商業運作的Manchester Bobber部署一系列的平臺，每個平臺由25～50浮體組成。每個浮體都可獨立地進行發電，因此該裝置的工作效率很高。據估計每個浮體單元可以產生500 k W左右的電力，那么一個平臺就可以產生12 MW左右的電力。

圖8 多浮子振蕩式波能發電裝置

2.7 雙浮體杠桿式波能發電裝置

圖9為Rockn Roll wave energy device示意圖，該裝置是有兩個浮體串聯在一起構成的，放置在海平面上，需使用錨鏈系泊來阻止其到處飄移，并不需要與海床固定在一起。在每個浮標的一側有一根軸和桿，兩個浮體的桿用一根連桿連接在一起。當受波浪影響時，兩個浮體的位置便不再平衡，受中間連桿的作用，浮體兩側的桿便出現了相對運動，同時帶動軸做旋轉運動。這樣波浪能就被提取為軸旋轉的機械能。在浮體內部有一個變流器同軸相連，將不同轉向的旋轉轉換為同向，在經過內部的齒輪箱驅動發電機發電。這種裝置優點是安置方便，適應近海和深海使用，不需要特別的安置基礎，而且工作時不受波浪方向的影響，內部運動機械被密封在浮標內部，可以避免海水的腐蝕。

圖9 雙浮體杠桿式波能發電裝置

2.8 活塞式波能發電裝置

圖10為The SEADOG Pump裝置圖。The SEADOG Pump是一種“點吸式”的波能轉換裝置。它是由浮力室、浮力塊、活塞體、活塞閥、活塞缸、進氣管和排氣閥等構成的。在海浪的作用下，當浮力塊在浮力室向下運動時，海水由進氣管進入活塞缸中，當浮力塊向上運動時，活塞缸中的水受到活塞的壓力從排氣閥中排出，推動發電機發電。

圖10 活塞式波能發電裝置

2.9 雙浮標式直線波能轉換裝置

圖11為OWEC Ocean Wave Energy Converter示意圖，OWEC Ocean波能轉換裝置是由浮標和潛標構成的，浮標和潛標之間有一管連接。由于波浪的運動，引起了浮標的相對運動，帶動連接管內的直線發電機進行發電。把許多這種波能轉換裝置連在一起，可以構建一個很大的能源網。

圖11 雙浮標式直線波能轉換裝置

2.10 文丘里管式水流渦輪機波能發電裝置

圖12為Spindrift Hydrokinetic Energy Device示意圖。該裝置利用在海洋表面存在浪高差異，而相對在深處的水卻比較穩定這一情況來實現波能的轉換。該裝置也是一個點吸式系統，在海面的浮體內有一個交流發電機，在系統下方的深水部位安置一個渦輪機。渦輪機與交流發電機之間通過一根軸連接。為了提高效率，該裝置在渦輪機處安裝一個文氏管裝置，當低速的水流通過裝置的狹窄處，水流的速度會得到提高，推動渦輪機轉動，進而帶動交流發電機發電［12］。

圖12 文丘里管式水流渦輪機波能發電裝置

該裝置的優點在于制造成本低，深海中也可以使用，安裝的規模也可以不受限制，對海洋生物影響較小，維護的費用也很低。

2.11 活塞式水流渦輪機波能發電裝置

圖13為The IPS buoy示意圖，The IPS buoy是由瑞典的Interproject Service公司研制開發的，該裝置是一種點吸式的波能轉換裝置。典型的IPS OWEC Buoy裝置是由一個直徑6～8 m的浮標和一個長20 m的水下管組成的（圖13）。其中在下部的管體內有活塞和能量轉換系統，活塞與上部浮標相連。當浮標在海浪的作用下運動時，帶動活塞一起運動，活塞的運動帶動管內的介質一起運動，能量轉化裝置實現波浪能的轉換［13］。該裝置可以安裝在深度50～100 m的水中。如果建立一個功率120 k W的IPS buoy發電裝置，估計1年可以向外輸出1 GW·h的電力。裝置的型號要根據所處的海洋環境、水深、季節變化等因素來確定。裝置的優點在于制造成本低，安裝和維護簡單，可以為遠離海岸的島嶼供電，建造電廠的規模容易控制，而且在近海還可以起到削弱海浪的作用。

圖13 活塞式水流渦輪機波能發電裝置

2.12 垂直軸雙浮體液壓式波能轉換裝置

The Wavebob WEC device（圖14）是一種點吸式的波能轉換裝置，該裝置是由愛爾蘭人設計的［14］。裝置是由兩個共軸的浮標組成，通過兩個浮標沿軸向的相對運動，驅動一個油壓系統來將波浪能轉化成電能。其中內部的浮標（圖中的Body 2）與同軸的潛體相連，潛體起到固定裝置的作用，同時也可起到平衡海浪頻率的作用。該裝置的獨特性在于可以通過遠程調控上部浮體的穩定物來對裝置進行控制。當風浪太猛烈時，可以調控上部浮體的浮力，使其只轉化為設定波浪的能量。

圖14 垂直軸雙浮體液壓式波能轉換裝置

3 波浪能發電技術的展望

海洋波浪能是一種無污染的、清潔的、可再生的新能源，波浪能能流密度高、儲量巨大且分布廣泛，是未來海洋能利用發展的主要方向，在海洋開發和海防方面將起到關鍵作用。

波浪能轉換過程是海洋能轉換中最復雜的過程，波浪能發電技術目前還處于發散狀態，存在各種技術的不同發展方向，但發展趨勢是不斷地向高效率、高可靠性、低造價方向發展。要想早日實現波浪能發電的普及應用應該解決的問題有：①提高波浪能裝置在各種波浪作用下的轉換效率；②波浪能裝置工作在波浪最大的地方，惡劣的海洋環境造成的腐蝕以及海洋生物附著又可能造成裝置某些環節的失效，因此提高波浪能裝置的可靠性是波浪能發電技術的難題之一；③應該加強國際間的技術合作，突破技術的局限性；④應加強新穎的發電設備及控制系統的研究。

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國家自然科學基金項目（51175484）；山東省自然科學基金（ZR2012EEM027）；青島市基礎研究計劃項目［12－1－4－1－（17）－jch］.