海浪發電的典型裝置和發展趨勢

楊家武 辛玉超 楊帆

摘 要：由于環境問題的日益突出，化石能源短缺的迫切需要，因此，海浪作為一種新型可再生的綠色資源，日益受到世界各國的高度重視。如何高效利用海浪資源成為了各國在尋求新能源道路上所遇到的巨大瓶頸，但隨著波能轉換技術日趨成熟，轉換效率的逐步提高，海浪發電裝置凸顯出越來越大的商業價值和生態價值，其研究現狀可謂是百家爭鳴，發展前景上也是大有可為。本文主要介紹了利用波浪發電的典型裝置，分析了波浪能研究與利用的發展方向和趨勢。

關鍵詞：海浪發電 波能轉換裝置 發展方向 趨勢

中圖分類號：P743 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（c）-0072-02

Typical of wave power device and its development trend

Yang Jiawu Xin Yuchao Yang Fan

（The northeast forestry university， mechanical and electrical engineering college ，Harbin heilongjiang ，150040，China）

Abstract：As the environmental issues becoming serious increasingly and the dwindling fossil fuels becoming needed urgently， wave power， as a renewable green energy， is attracting more and more attention around the world.How to efficiently use the wave resource has become the countries seeking new energy on the road encountered a huge bottleneck， With the wave-to-energy conversion technology matures and the conversion efficiency increases gradually， This paper describes a typical use of wave power devices. It also analyzes the developing direction in the future.

Key Words：Wave power；Wave energy conversion device

近年來，由于環境問題的日益嚴重，能源短缺的迫切需要，如何減少碳排放量，如何優化能源結構，減輕對傳統化石能源的依賴已成為全球關注的焦點。為了解決這些問題，人們早已把可發展領域擴展到可再生能源范圍，如太陽能，風能等。海洋占據了地球71%的面積，集中了97%的水量，其中蘊含著大量的能源與資源，隨著國際社會對海洋能關注度的不斷攀升，海洋開發技術的不斷進步，如今海洋已經成為了研究開發可再生資源的熱點對象。

海洋能源主要指的是海洋中依附于海水所特有的的可再生能源，例如潮汐能、海流能、溫差能、潮流能、波浪能和鹽差能等。其中波浪能是品位最高的海洋能[1]，因為它在開發的過程中對環境的影響和破壞作用最小而且是以機械能的形式存在。有研究報道，全世界的波浪能儲量理論值約為109kW量級，是現階段世界發電量的數百倍，有非常廣闊的應用前景，因此成為了世界各國海洋能開發的重點領域。

我國雖然是海洋大國，但對于海洋的開發利用起步比較晚，對于海浪發電技術的研究尚在試驗階段，但隨著中國夢的提出，對于如何從海洋大國變成海洋強國，如何快速進軍“藍色能源”領域已成為我國正在努力的方向，《國家“十二五”海洋科學和技術發展規劃綱要》的頒布為也我國海洋事業的發展提供了巨大的政策支持，值此契機，我國對于海浪發電技術的研究與開發必將會有長足的進步，在爭取早日實現中國夢的道路上，優先實現我國的海洋夢。

1 海浪發電的典型裝置

波浪能開發利用的主要方式是海浪發電，通過研究發現，開發利用波浪能的裝置形狀各異，種類繁多，專利的發明也是數不勝數，這些裝置主要是根據以下幾種機理研發的，即利用物體在波浪作用下的振蕩和搖擺運動產生的能量；利用波浪壓力的變化所產生的能量或者利用波浪的上升將波浪能轉換成水的勢能等[2]。自1970年到現在，波浪能發電裝置雖然種類繁多，但真正走出實驗室，已經逐步接近實用化水平，被認為最具有應用價值和經濟價值的不外乎以下幾種，包括：振蕩水柱式裝置（oscillating water column wave energy converter以下簡稱OWC）、擺式裝置、筏式裝置、收縮波道裝置、振蕩浪涌轉換裝置、鴨式裝置等，其中OWC技術最為常用[3]。

1.1 振蕩水柱式波能轉換裝置（OWC）

該轉換裝置根據振蕩水柱停泊的方式分成固定式和漂浮式。固定式又分為近岸式和離岸式兩種，裝置建造在岸邊的稱為近岸式，建造在海里的稱為離岸式[4]。振蕩水柱式波能轉換裝置的原理及結構如圖1所示，主要包括前港、氣室、風道及渦輪機。在入射波浪的作用下，氣室內的水柱受力發生振蕩，使水柱上方的空氣往復地推動風道，從而使渦輪機產生機械能量進行發電。該裝置的特點是依靠波浪的共振作用來加強水柱震蕩。由于波浪的推動作用氣室內的水柱進行上下往復運動，且具有固定的頻率，當入射波浪的頻率與水柱的固有頻率相同或者接近時，將會產生共振作用，使氣室內水柱的振幅加大。有報道指出，當水柱處于共振狀態時，入射波浪與水柱的共同作用使得入射波浪的波高增加，而振蕩體背部的波高減小，從而增加了波能轉換裝置的效率。

振蕩水柱式裝置的優點是：裝置中相對脆弱的機械部分只與空氣接觸，不與波浪接觸，因此抗惡劣氣候的性能好，故障率低且使用壽命長。但其缺點也很明顯：（1）建造該裝置所話費的費用比較昂貴。（2）該裝置的轉換效率低，將波浪能轉換為電能的總效率約為10%～30%。

1.2 擺式波能轉換裝置

該裝置的原理是在波浪的推動下，將波浪能轉換成機械能或勢能，再利用裝置的運動部件直接對外做功轉換為電能。屬于固定式波能轉換裝置，包括水室擺板機構、機電轉換機構、發配電機構三個部分。首先，第一部分是實現波能轉換為機械能的過程，第二部分是將機械能轉換為電能的過程，第三部分是將電力輸送的過程[5]。其中第一部分是技術的關鍵所在，其中提高水動力與能量轉換效率是該裝置研究開發的重點。

擺式波能轉換裝置的優勢有很多：結構簡單，成本較低，能夠適應惡劣的海洋環境，且有較高的波能轉換效率。缺點是轉換效率與振蕩水柱式裝置相比較不穩定，受擺板后去流段長度的影響較大。

1.3 收縮波道式波能轉換裝置

該裝置的原理是基于聚波理論研發的。聚波理論最早是由來自挪威的Budal和Falnes提出。收縮波道式波能裝置及原理如圖2所示，該裝置具有一個高位水庫和一個收縮波道[6]。收縮波道是兩道呈對數螺旋形狀的正交曲面，用鋼筋混凝土做成，兩道墻在高位水庫內相接，從海里一直延伸到高位水庫。當波浪進入收縮波道時產生聚波作用，增大波浪的高度越過鋼筋混凝土墻進入高位水庫。然后通過一個低水位的水輪發電機組發電。

收縮波道式波能裝置的優點為：沒有活動部件參與波能的轉換，出力穩定，可靠性好，幾乎不受波高和周期的影響，維護費用低，轉換效率在65%～75%之間。缺點為對地形和地勢要求極高，在一般海洋情況下不易廣泛推廣。

1.4 振蕩浮子式轉換裝置

振蕩浮子式波浪能轉換裝置是現階段比較典型的轉換裝置，主要有英國Awsocean Energy公司研制的阿基米德波浪擺裝置，丹麥的Wave Star公司的Wave star裝置，美國的OPT（ocean power technologies）公司研制的裝機容量40kW的Power Buoy波力裝置，瑞典的Aqua buoy以及我國開發的50kW岸式振蕩浮子式波浪能電站等[7]。振蕩浮子式裝置的結構以及原理如圖3所示。電磁轉換器隨著浮子運動吸收能量，通過電磁轉換器將波浪能轉換成電能。

振蕩浮子式波能采集裝置的優點是：所需成本、地形條件和建造難度均較低、轉化的效率較高；缺點是：浮子受外界沖擊容易發生損壞。該采集裝置所占面積較小，適用于一些提供電源的場合。

1.5 其他波能轉換裝置

除了上述裝置外，Salter“點頭鴨”式波能轉換裝置、整流式波能轉換裝置以及筏式與液壓系統的組合式等是目前應用較為成功的波浪能轉換裝置，它們所利用的原理基本相同。從上文可以知道，振蕩水柱式波能裝置在實際應用中是最普遍的波能裝置，因為該裝置在結構上具有較好的可靠性等優點在歐洲、日本、北美等這些波能密度高的國家得到廣泛應用。但它的缺點是轉換效率較低，投資費用過高，在如中國這樣的波能密度較低的國家，采用這種低效、高成本的裝置就顯得不太理想，如何降低成本、提高轉換效率成為波浪裝置走向市場的關鍵。

2 海浪發電技術的發展趨勢

綠色能源的巨大儲量吸引了世界上越來越多國家的青睞，除了越來越受歡迎的太陽能和風能，海洋能源也收到了眾多國家的青睞，各個國家紛紛在海域“跑馬圈地”，想從“藍色油田”中找到商機。事實上，全球都在思考如何“駕馭”擁有巨大能量的海浪，在海浪發電這一領域可謂是百家爭鳴，百花齊放，逐漸的呈現出發展方向多極化，觸及領域多樣化的發展趨勢，但由于海浪本身的不穩定性和建造發電設施高昂的成本等因素的制約，海浪發電技術發展的總體趨勢仍然是向著高效率、高可靠性和低成本方向發展。

如果僅靠著單一的波浪能發電裝置方案，高昂的成本代價將很難維系其發展，而把海浪發電技術同更多的海洋資源、能源開發利用技術結合起來，不但可以降低其本身的開發成本，也使得整個體系發揮更強大的生命力。例如研發以海浪能發電技術為核心其他技術，如海水淡化，優質燃料的生產，利用深海水發展漁業和養殖業，壩區灘涂開發等，開發利用這些海洋能系統的副產品，研發轉換海浪能和海洋上豐富的太陽能、風能，實現多能互補。在有條件的海島上建立綜合利用可再生能源的示范基地以及為海上平臺（燈塔等）提供電源供應等[8]。

3 結語

該文著重介紹了波浪發電的典型裝置，分析了波浪能研究與利用的發展方向，也對波浪能發電商業化進程中可能遇到的問題進行了簡單的闡述。

在能源結構體系中，和常規能源相比，海浪能的利用可謂任重而道遠，但隨著越來越嚴峻的能源危機，全球環境問題的不斷加劇，由于海洋巨大的能儲優勢，海浪能的開發利用顯示出了巨大的發展空間，成為了全世界都在關注的熱點領域，不論是對解決我國面臨的能源問題有重大的戰略意義，也對世界能源結構的優化也有著不可替代的作用。

參考文獻

[1] 熊焰，我國海洋可再生能源開發利用發展思路研究[J].海浪技術，2009（2） ：106-110.

[2] 李成魁，廖文俊，王宇鑫.世界海洋波浪能發電技術研究進展[J].裝備機械， 2010（2）：68-73.

[3] 胡蘇萍.歐洲海洋能開發利用現狀[J]. 第十六屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集（上冊），2013（3）：22-26.

[4] 聶宏展，張明，申洪，等.波浪能發電及其對電力系統的影響[J].華東電力，2013， 41（1）：190-195.

[5] 韋家礎，李德堂.近岸式波浪發電裝置研究[J].浙江海洋學院學報：自然科學版，2013，32（3）：260-264.

[6] 沈利生，張育賓.海洋波浪能發電技術的發展與應用[J].能源研究與管理， 2010（4）：55-57.

[7] 方紅偉，程佳佳，劉飄羽，等.浮子式波浪發電控制策略研究[J].沈陽大學學報： 自然科學版，2013（1）：30-34.

[8] 任典勇，施慧雄.海島風能海水淡化組合體系研究[J].海洋學研究，2009（2）：111-118.