近岸式波浪發電裝置研究

韋家礎 ，李德堂

(1.浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山 316004；2.浙江國際海運職業技術學院，浙江舟山 316021）

海浪能使巨輪上下顛簸，也能把巨石推到岸上，甚至能夠瞬間摧垮岸堤，可見波浪里蘊藏著巨大的能量。波浪的成因除了風，還有浪涌和洋流，波浪能具有能量密度高、分布面廣等優點，與石化燃料相比，它是一種取之不竭的可再生清潔能源。尤其是在能源消耗較大的冬季和夏季，可以利用的波浪能能量也最大。例如，英國沿海、美國西部沿海和新西蘭南部沿海等都有著特別好的波候。

1 波浪能的儲量與研究現狀

1.1 波浪能的儲量

波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。實際海洋中的波動是一種十分復雜的現象，最低近似可以把實際的海洋波動看作是簡單正弦波或正弦波的疊加，而簡單波動的許多特性可以直接應用于解釋海洋波動的性質[1]。平面正弦波浪在垂直于其傳播方向的單位面積上的能量流為:

積分式(1.1)，則有

單位時間在傳播峰面單位寬度上的能量傳播P(kW/m)為:

波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面的寬度成正比。波浪在傳遞過程中會存在一些耗散,到達近岸的能流仍然相當可觀。我國有廣闊的海洋資源，浙江、福建、廣東和臺灣等沿海地區具有較豐富的波能。波浪能清潔無污染，再生能力強，波浪發電得到了國家相關政策的鼓勵和扶持，投資前景良好。

1.2 波浪能的研究現狀

國外對波浪能利用的研究開展得較早，取得了一些成果。英國于2000年在蘇格蘭艾萊島建造額定功率為500 kW的岸基式波浪發電站[2]。

目前可供利用的波浪能資源僅局限于靠近海岸線的地方，大洋中的波浪能從技術上目前還難以提取利用。但即使是這樣，據估計全世界可開發利用的波浪能達2.5 TW。波浪能利用的主要方式是發電，此外，還可以用于抽水、供熱、海水淡化以及制氫等。除了風能，波浪能的開發利用同樣值得重視。小功率的波浪能發電，已在導航浮標等取得成功并推廣應用,大功率的波浪能發電尚在研究試驗。利用波浪發電為我國沿海地區尤其是一些不方便輸電的海島開發服務，形成競爭力后也可用于出口，因而具有重大的研究意義。

2 波浪發電裝置的分類與比較

2.1 根據安裝地點分類

從安裝地點來看，波浪發電裝置有漂浮式和固定式。漂浮式可選址范圍較大、制造難度較小、潮位適應性好，但輸電線路較長，且若遇到大浪，其結構件、錨泊裝置、輸電電纜容易受到破壞，適用于類似導航浮標和波浪發電舶這樣的孤立場所；固定式又可分為離岸式、近岸式和岸線式，其中離岸式固定于海底，優點是周圍的波浪能流大，但輸電成本高、管理難度大；近岸式和岸線式距離陸域不遠，優點是輸電成本低，便于管理，若選址和裝置設計得當，可獲得較高的能量轉換效率，缺點是能流密度比離岸式小。

2.2 根據接受體結構分類

從接收體的結構形式來分類，有點頭鴨式、振蕩水柱式、擺板式和浮子式等等，下面具體比較分析這幾種方式的特點。

（1）點頭鴨式

點頭鴨式波浪能轉換裝置的形狀和運動特性類似于鴨子的運動而得名，在理想的規則波作用下，與其它形式的轉換裝置相比，其轉換效率最高，可達90%。曾受到人們的長期重視,但在非規則波的作用下，其轉換效率則低很多，且由于存在有水下活動部件，在風浪襲擊下穩定性略差,實際的應用較少,沒能得到推廣。

（2）振蕩水柱式

振蕩水柱式波浪能轉換裝置采用豎井結構，底部與海水連通，波浪使豎井中水面振蕩，壓縮豎井內的空氣，將波浪的能量傳給空氣透平發電。存在的缺點是能量轉換效率低，氣室多為鋼筋混凝土結構，水下施工困難，建造費用昂貴等。

（3）擺板式

擺板式波浪能轉換裝置的主體是放置于海面隨著波浪前后擺動的擺體，將波浪能轉換成擺體的動能,與擺體相聯的通常是一套液壓系統，擺體驅動液壓油缸伸縮將其動能轉換成液壓能，再通過液壓馬達帶動發電機發電。此方式在工藝上轉軸宜置于水面以上，而擺板懸垂于水中，這在理論上導致擺質點的線速度上小下大，而與波質點線速度上大下小相矛盾，因此效率變差[3]。擺板式電站與振蕩水柱式同屬于岸線式，受地形影響，波浪能流密度由于水深的限制遠低于離岸水域；且其導波水道系混凝土澆筑而成，土建工程量大費用高。

（4）振蕩浮子式

振蕩浮子式波浪能轉換裝置的原理是將浮子放置于海面隨波上下振蕩，由于受波體與波浪直接接觸獲能，因此能量轉換效率較高[4]。其發電方式有兩種：一是讓振蕩浮子通過纜繩或齒條齒輪機構驅動電機發電，但所發的電不穩定，需要經過蓄電、整流、逆變成電壓和頻率穩定的交流電才能使用；二是讓振蕩浮子驅動液壓缸將其動能轉換為液壓能蓄存，并通過流體技術控制油馬達驅動發電機穩頻發電。在當代技術條件下，與電池相比，液壓蓄能器的優勢在于貯存能量既多又快、相同功率容量下成本低、體積小、能夠平緩壓力沖擊從而獲得較為平穩的運動，即適于浪大時多蓄能,浪小時多放能；也適于用電低谷時（如夜間）蓄能少發或不發電、待用電高峰時放能多發電,這種蓄能發電的方式恰好與現時社會生活推崇的峰谷用電較為合拍，且振蕩浮子式僅需導柱導向,土建工程費用低,能夠降低單位發電成本,值得進一步深入研究。

浮子式波浪發電方式與其它方式一樣，也面臨潮位影響問題，海面潮漲潮落是普遍的現象，例如浙江沿海就屬于我國強潮海區，潮差普遍較大，平均潮差約4 m左右。波浪發電裝置也將面臨潮位的影響，為避免波浪能接受收體懸空或沒入水下造成不能隨波振蕩，其位置高度最好能夠隨潮位調節。在浮子發電方式中常規的做法是將一導柱打樁豎立于海床，浮子中間開孔，套裝在導柱外周（圖1），浮子沿著導柱隨潮位變化振蕩發電。但時間一長，水面之下的導柱在表面保護層被磨掉之后會出現銹蝕，同時海洋生物和污泥也容易附著在導柱上，導致浮子卡死而停止工作，需研究改善。浮子式波浪發電方式面臨的第二個問題是，目前的實驗研究中浮子大都采用球狀或桶狀，受波浪波長所限直徑不能做得很大，單個浮子的發電功率普遍較小，需設法進一步提高。

圖1 浮子-導柱Fig.1 System of buoy and guiding pole

圖2 搖桿式浮筒受波機構Fig.2 Sway-buoy mechanism

3 新型擺桿式浮筒受波機構研究

波浪能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源。波浪發電關鍵技術是能量轉換裝置，包含波浪能量接收體和轉換發電機組，裝置的安裝選址和結構原理將影響到波浪能利用的效率。針對這些情況，本文首次提出了一種近岸新型擺桿式浮筒受波機構(圖2)，除了橫置的浮筒之外，運動機構不與海水直接接觸，提高了可靠性；當潮位漲落，浮筒隨潮位上下移位振蕩，潮位適應性好；浮筒長度可根據海浪實情加長以增加受波寬度和發電功率。

海洋中基本上不存在穩定有規律的波浪，故波浪浮筒驅動油缸產生的液壓壓力、流量脈動大，若直接用于驅動液壓馬達，馬達-發電機組的轉速和頻率將不穩定。為了用電設備可靠工作，需進一步采取措施穩速穩頻，如圖3所示。

圖3中如果讓電磁閥9（左）通電，則選取了蓄能器10（左）先工作，10（右）為備用。油缸排出的高壓液壓油一邊由該蓄能器10（左）平緩脈動；同時經比例流量閥12驅動馬達-飛輪－發電機組13，機組13的實際轉速由傳感器檢測并轉換電流信號n1，將給定轉速信號n0以正值輸入比例積分調節器，實際測量轉速以負信號輸入（見圖4），這兩個轉速值之差為偏差u，則PI調節器的輸出信號UO為：

圖3 液壓原理圖Fig.3 Hydraulic system

圖4 PI電子調節器Fig.4 PI electronic regulator

剛啟動時，機組13的實際轉速n1為0，與給定轉速n0存在較大偏差u，PI調節器的輸出一個較大的調節信號UO，比例閥12的開度和流量加大，機組轉速和頻率將增大，升到給定值，偏差u降為0，調節信號UO降為0，比例閥12的開度不再調節，轉速和頻率維持不變；如果轉速高于給定值，則作相反的調節，馬達的轉速基本穩定。當用電量增大（或減少），會導致機組13轉速下降（或增加），調節過程同上，基本能夠保證發電機的交流電頻率變化在±1%以內,達到供電要求。飛輪起慣性環節的作用，可避免調節過于頻繁。若用電量大，蓄能器10（左）放能過多，壓力傳感器11（左）檢測到的壓力降至下限值，則監控的PLC發出指令，電磁閥9（右）通電開啟，9（左）停電,由備用的蓄能器10（右）供油；若用電少，比例閥12開度自動調小，高壓油充入各個蓄能器貯能。

普通發電機一般都帶有電壓調節器（也可以單獨設置），用來檢測調節發電機電壓，若低于額定值，則調高勵磁電流，增加磁通調高電壓，反之則調低，從而使電壓穩定。本機組還可以與其它機組并聯運行，并車前將給定值n0稍調高，使頻率略大于額定頻率，然后捕捉同相位點，將連接電網的主開關合閘，負載轉移后即可完成并網。

臺風來臨之前，利用液壓千斤頂將搖桿和浮筒壓入水中停止發電，潛水防臺，臺風過后把浮筒放回就可以繼續工作了。

4 結語

本文提出了一種新型擺桿浮筒式波浪發電方案，適合近岸波浪能的開發利用，能夠提供電壓、頻率穩定的交流電，既可獨立供電，也可以與風能發電等聯合并網供電，技術方案經濟易行,管理方便并有抗臺風措施，具有一定的推廣應用價值。

[1]高 輝.振蕩浮子式波浪發電裝置最佳功率控制研究[D].廣州:華南理工大學,2012:5.

[2]管 秩.我國波浪能開發利用可行性研究[D].青島:中國海洋大學，2011:6.

[3]范航宇.一種新型漂浮式波浪發電系統研究[D].北京:清華大學,2005:5.

[4]史宏達,高人杰,鄒華志.一種振蕩浮子波能發電裝置的研究[M]//第一屆中國海洋可再生能源發展年會暨論壇論文集.北京:海洋出版社,2012.

[5]成大先.機械設計手冊:第5卷[M].北京:化學工業出版社,2008.