波浪能發電裝置的發展與展望

姚琦，王世明，胡海鵬

(上海海洋大學工程學院 上海 201306)

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波浪能發電裝置的發展與展望

姚琦，王世明，胡海鵬

(上海海洋大學工程學院 上海 201306)

海洋中所蘊藏的波浪能源因為其環保性和可持續性等特點，已經得到越來越多國家和地區的關注，并取得了一定的研究成果。通過對波浪能發電裝置的分類，對當今主流的4種發電裝置進行了分析，并在此基礎上對世界主要波浪能開發強國和我國的發展狀況進行了梳理?；谏鲜?，對今后世界波浪能發電裝置的發展與研制方向進行了展望，并指出了亟待解決的幾個問題，具有一定的應用價值。

波浪能；發電裝置；發展現狀；發展前景

1 引言

能源作為人類生產生活和國家發展的重要資源，成為當今世界政治、經濟、科技、軍事、外交等各個領域中所備受關注的熱點。隨著世界經濟的快速發展、人口的迅速膨脹以及社會發展的需求，能源對于人類的生產和生活顯得日益重要。同時，由于常見能源的過度開采而造成的資源匱乏、氣候變暖和環境污染等問題也日漸顯著。大力發展可再生能源，在保證經濟可持續發展的前提下，減輕因過度開采而對人類生存環境造成的破壞和壓力，推進人類發展質量已經成為世界的共識。

作為占地球表面積70.8%的海洋，里面蘊藏著種類眾多且貯藏量相當可觀的能源，主要有波浪能、潮汐能、海流能、溫差能、鹽差能等。其中，波浪能因為通常是以機械能的形式存在，開發難度相對較小，且不會造成太多的開發污染和環境破壞，從而被認為是一種高質量的海洋能源。

波浪能實質上是海洋在吸收了風能以后所產生的動能和勢能，因此波浪能具有能量密度高、分布面廣等優點，即便是在能源耗損較大的冬季，能加以利用的波浪能也是很充裕的[1]。據統計，地球上海洋所具有波浪能的理論值約為109kW量級，是目前世界總發電量的數百倍，有著廣闊的商用前景和戰略價值。因此，波浪能發電具有極大的開發潛力，世界各主要國家都對其投入了廣泛的興趣和關注度，加大力度開發研究海洋波浪能的發電裝置，因此各種新型波浪能發電裝置也就層出不窮了。

2 國內外波浪能發電裝置的發展

通過波浪的運動從而帶動發電裝置內部發電機的發電是波浪能發電裝置工作的基本原理，將海洋中波浪的動能和勢能轉變為電能的過程。根據波浪能發電裝置的內部關聯、外在特性、構造與作用等方面的區別，可以把波浪能發電裝置分成多種不同的種類。其中，按照裝置固定與安置的方式，可以分為固定式和漂浮式；按照裝置內部間能量轉換的方式，可分為直接轉換式和間接轉換式；按照裝置中能量傳輸與保存的形式，可將其分為機械式、氣動式和液壓式等[2]。通過在20世紀七八十年代對多種樣式的波浪能發電裝置進行的科學理論研究以及進行的針對實際海況測驗和應用范例探究，波浪發電裝置的制造及應用技術已向實際應用的水平漸漸靠攏。同時研究的熱點與重點也主要集中于以下7種被認為是具有商品化潛力的發電裝置上，7種類別分別是：振蕩水柱式裝置、振蕩浮子式裝置、推擺式裝置、收縮波道式波浪能轉換裝置、筏式、鴨式以及直線電機式。

2.1 振蕩水柱式

柱式波浪能發電裝置的基本原理如圖1所示，其內部的水柱會在波浪的沖擊與起伏的作用下做活塞式的上下往返運動，由于水柱在裝置內部做不停的活塞運動，致使水柱上方空間內的空氣柱也在進行上下往復的運動，空氣穿過氣室上方的氣孔流經一個往復透平，進而將空氣運動產生的動能轉變為電能[3]。振蕩水柱式波浪能發電裝置相對于其他波浪能裝置的最大的差異之處在于其具有氣室。所謂氣室，就是指置于海面以下的裝置底部留有一出氣孔或開口，可以使海水進入裝置內部的設計與構造。優點是傳遞方便，通過氣室將低速運動波浪的能量轉化成高速運動的氣液，可靠性好，缺點是建造費用昂貴，轉化效率低，發電成本高。

圖1 振蕩水柱式波浪能發電裝置示意圖

2.2 振蕩浮子式

振蕩浮子式波浪能發電裝置是在振蕩水柱式裝置的基礎與理論上發展并完善起來的，原理如圖2所示，二者間具有一定的相似性與共同性。通常的振蕩浮子式裝置是用一個或多個置于港中的浮子作為載體，用來吸收波浪運動產生的機械能。然后利用放置于岸上的機械裝置或是液壓裝置，將浮子吸收的波浪勢能和動能傳遞出去，用以驅動電機進行發電。振蕩浮子式波浪發電裝置通常是由浮子、操縱連桿、液壓傳動部件、電機以及發電保護裝置等多個部分構成[4]。

圖2 振蕩浮子式波浪能發電裝置示意圖

振蕩浮子式發電裝置的優點或優勢不僅在于其能量間的轉換效率較高，而且其建造與實施難度相對較低，減少了水下工作量，有利于節省成本，具有較高的商業經濟與實際應用價值。缺點是浮子受過多的沖擊，易損壞。如圖3為一小型裝置模型，將振蕩浮子和振蕩氣室結構進行結合，針對裝置的能量轉換效率進行分析，四管道、四門結構設計使得氣室內的往復氣流從同一個方向通過空氣透平機，提高波浪能利用效率。

圖3 振蕩浮子式海洋波浪能發電裝置模型

2.3 推擺式

推擺式波浪能發電裝置(圖4)的基本原理是通過裝置的擺體在波浪外力的影響下產生或向前向后、或向左向右的規律性鐘擺式運動，從而將波浪的機械能轉換為裝置擺體的動能。推擺式發電裝置的液壓部件一般是與裝置的擺體的軸相連接，目的是要將裝置擺體的動能轉變為液力泵的動能，實現部件之間的動能轉移。再由壓力泵所產生的動能來帶動發電機進行發電。擺體的鐘擺式規律運動很符合波浪推力大和頻率低的重要特點[5]。

圖4 推擺式波浪能發電裝置示意圖

由此可見，推擺式發電裝置的能量轉換效率比可觀，但其不足之處或是有待改進的地方在于裝置內部的機械部件和液壓部件的維護和保養難度較大，維修成本較高。此外，推擺式裝置還具有另一重要特點，是在于相位控制技術能夠比較容易地與其相配合，這一技術有益于波浪能發電裝置吸收到寬度以外的其他類型的波浪能，因而提升裝置的發電效率和效果。

2.4 筏式

筏式波浪能發電裝置[6]端面由若干筏體鉸接在一起，如圖5所示，且這些鉸接的筏體漂浮在水面上，波浪運動時，帶動筏體沿著鉸接處彎曲，能量轉換裝置置于每一鉸鏈處，從而反復壓縮液力活塞并輸出機械能，帶動液壓系統驅動發電機發電。由于筏體之間僅有角位移，故即使大浪經過，其也不會有過大的位移，具有良好的抗風浪性能。

圖5 筏式波浪能發電裝置示意圖

2.5 鴨式

鴨式波浪能發電裝置[5-6]最早由Salter在他1974年的論文提出，他介紹了一種獨特的波能轉換方法，使二維正弦波的轉換效率可接近90%左右，如圖6所示。

圖6 鴨式波浪能發電裝置示意圖

由于該裝置的形狀和運行特性酷似鴨的運動，因而稱其為“點頭鴨”，鴨式波浪能裝置由鴨體、水下浮體、系泊系統、液壓轉換系統和發配電系統組成。在波浪作用下，鴨體繞支撐軸作往復回轉運動，從而驅動連接鴨體與支撐軸之間的液壓轉換裝置發電。在設計點頭鴨波能轉換裝置時，若把點頭鴨的重心設計成為可調節式的，可以最大限度地將其固有周期與波浪周期相配，提高波浪能的利用效率，效率高。但缺點是結構復雜，裝置可靠性差，極易損壞。

2.6 收縮波道式

收縮波道式波浪能發電裝置是基于波聚理論的一種波浪能轉換裝置，挪威特隆姆大學的Falnes和Budal是最早提出該理論的研究學者[7]。如圖7所示，收縮波道式發電裝置通常是由一個高于海平面的高位型水庫和一個逐漸收縮的波道所構成，其中收縮波道指的就是一般意義上的對數螺旋正交曲面，這種曲面通常是由兩道鋼筋混凝土制作而成的。收縮波道將從海里一直延伸并連接至發電裝置的高位水庫內部，由混凝土構成的曲面在高位水庫內相連接。因為收縮波道具有波聚的功能與作用，致使波浪在進入裝置內部的收縮波道時，波浪產生的波高會陡然增大。增高的波浪會越過由鋼筋混凝土墻構成的正交曲面從而進入到發電裝置的高位水庫中，最后水庫里的水將會經由水輪發電機組用來發電。轉化效率較高，但對地形要求非常嚴格。

圖7 收縮波道式波浪能發電裝置示意圖

2.7 直線電機式

直線電機式波浪能發電裝置[8]的基本原理為，利用波浪能上下起伏變化而產生的波動力作為驅動力，驅動力作用于浮子上，浮子為能量吸收裝置，如圖8所示其帶動與之相連的直線電動機的動子上下往復運動，將波浪能轉化為電能。

圖8 直線電機式波浪能發電裝置示意圖

直線電機式裝置主要分為單浮子和雙浮子兩類：單浮子系統具有安裝方便、適合用于沿岸以及孤島附近的淺海中；雙浮子直驅式系統將直線電機和浮筒漂浮，利用沿海海在海平面，不受海域的限制。由于浮子和動子的效率髙于第一種方式，圖8為雙浮子式，該裝置由永磁直線發電機、浮筒、連接圓桿、阻尼板以及錯鏈所組成，動子和浮筒采用螺紋連接在一起，波浪來臨時，在浮子的帶動下，動子上下運動，切割磁力線，從而產生反電動勢，產生電能。

3 國內外波浪能發電裝置的發展狀況

法國是對波浪能展開研究并設計波浪能發電裝置最早的國家，隨后英國、日本、挪威、葡萄牙、美國和中國等多個國家和地區相繼加大開發與研究相關的設備和裝置的力度，這其中又以日本和英國兩國的波浪能開發與應用技術居于世界的領先水平。利用波浪能發電的技術在經歷了理論研究、裝置創造、實驗室內部試驗、外部實際檢驗等幾個階段后，目前波浪能發電裝置的設計和建造難題已經基本解決，下一步的具體發展目標與任務將是降低裝置建造與保養成本，提高裝置發電效率以及其穩定性與可靠性，使其能夠達到商業化利用的規模。

3.1 國外波浪能發電裝置的發展狀況

日本是個環海島國，由于國土狹小和資源匱乏等客觀的不利因素，致使日本政府往往能夠充分地認識本國的地理環境條件，異常重視海洋能源的開發，尤其是波浪能發電技術的理論研究和開發應用，因此在波浪能發電裝置的研究及其制造和使用上也達到了世界最為先進的水平。據國外組織的粗略估計，日本平均每1 m寬海岸的波浪蘊藏著9 kW的能量，日本沿海與近海的平均波能為13 kW/km，其波浪產生的能量大致能滿足國內能源需求總量的近1/3。從20世紀60年代開始，日本就已經開始將12臺波浪能發電裝置用于實驗研究和商業用途，至今仍有4臺裝置繼續工作。到目前為止，具有波浪能發電裝置的發電站在日本已達1 000余座。這其中包括日本已建成的4座岸基固定式和防波堤式波浪能電站，單機容量為40～125 kW，在這當中最著名的莫過于在80年代初建造的“海明”號波浪能發電船，其總裝機容量高達1 250 kW[10]。由日本海洋科學技術中心研制的“巨鯨”號波浪發電裝置為可動式浮體型，也是波浪能發電裝置中的佼佼者。

英國是世界上具有最好波浪能源的國家之一，英國的波浪發電裝置每年可以從英國的周邊海域收集高達50 TW·h的能源。出眾的地理資源優勢，再加上因政府對海洋能源前瞻性認識而加大的研究力度，使英國在20世紀80年代時就已成為世界波浪能及其發電裝置研究制造領域的領頭羊。90年代時，世界上第一臺能夠用于商用的波浪能發電裝置在英國開始發電，裝機總容量高達2 000 kW，具有里程碑的意義。由英國制造的名為“海蛇”號的波浪能發電裝置創造性地由多個鋼殼圓柱形結構單元進行鉸接而成，原理是將波浪能轉變為液壓能進行發電。“海蛇”號發電裝置的最大特色在于本體具有儲蓄能源的環節，所以能夠發電的穩定度相當高，甚至可與火力發電相媲美[11]。此外，“巨蟒”波浪能發電裝置也是具有相當的特點，其工作原理是當海洋波浪對該裝置產生擠壓性外力時，發電裝置的內部便可產生向外擴張與膨脹的波浪，當這股波浪達裝置末端時，就可以帶動發電機運行發電工作。

挪威是對海洋波浪發電展開研究與探索較早的國家之一，由該國發現并提出的相位控制原理以及創造的喇叭形收縮波道式發電裝置等，都對波浪發電裝置的理論研究及其設計制造做出了不可磨滅的貢獻。挪威于20世紀80年代建造的具500 kW能量的振蕩水柱式和350 kW收縮水道式波浪發電站具有重要的時代意義。尤其是后者，收縮水道式波浪發電裝置的特點是在位于氣室的前面補充建造了一個前港，由此可以使裝置利用港口的效應產生聚波的作用，從而使該裝置具有較高的波浪能轉換成電能的效率。

葡萄牙的波浪發電研究及其裝備制造雖然起步較晚，且主要以引進技術與設備為主，但葡萄牙有著和英國一樣天然的利用海洋波浪進行能量轉化和發電的地理優勢，且葡國政府近年來也加大了對波浪能發電研究的重視度和投入力度。葡萄牙于2008年在其西海岸建立大型的海洋能源實驗區，目的是進行有關遠海海浪能源的開發與研究，裝機容量高達250 MW，具有世界波能發電的先進水平。與此同時，葡萄牙于同年引進了英國的“海蛇”波浪能發電裝置機組，并于海洋能源實驗區建立了世界上首個具有真正意義上商業規模的發電站。

3.2 國內波浪能發電裝置的發展狀況

我國于1968年在上海開始了專門針對海洋波浪能源進行發電的研究與實驗工作，并以此促進經濟、科技與民生的發展，因此利用波浪能發電及其裝置的研究與制造工作也成為我國重點的科技攻關項目。由于國家的大力扶持，加上其極具潛力的商業價值，目前國內從事波浪能發電領域研究和制造的就有十幾家單位，并涌現出一批達到世界水平的發電裝置，表1列出了相關機構發電的裝置情況。目前，隸屬于中科院的廣州能源研究所(GIEC)在波浪能發電領域是國內的先進單位。廣州能源研究所在1984年研制成功的并擁有自主知識產權的航標式微型波能轉換裝置具有較高的發電效能，并得以在我國沿海海域進行大規模的投入使用[12]。

表1 各機構波浪能發展裝置現狀

國家海洋中心(NOTC)也致力于發展大型鐘擺式發電裝置。同時中山大學(SYSU)與山東大學(SDU)也取得了很高的成就，我國分別于“九五”“十一五”期間攻關完成的汕尾振蕩水柱式波浪能發電裝置和將不穩定的波浪能轉化為類似于火力發電的穩定持續電能的技術，具有劃時代的重要意義，不僅代表我國在利用波浪能源發電的技術上取得了突破，縮短了與世界發達國家的差距，更主要的是為大規模商用波浪能發電的可能性提供了有力的參考依據和創新的研究思路。在2008年，中國科學院利用磁流體發電技術，并將一種與波浪特性具有極高吻合度的機械抗阻融入整個設計，構建一套出完全有別于傳統波浪能發電裝置的新型發電裝置，并成功研制和制造，稱之為液態金屬磁流體波浪能發電裝置[13]。該種新型的、先進的波能發電裝置，同時，具有高效率的能源轉化率、較大的功率密度、優化的結構設計，以及便于保養和移動等諸多優點，代表了我國目前在波浪能開發應用領域最為先進的成果。

3.3 小型波浪發電裝置

基于前輩的研究基礎和旋轉式垂直軸潮流能能量轉換裝置的設計方法原理，項目組設計了一種臥式浪流一體化發電裝置，該裝置主要由機架、簡化浮筒、鞍形焊件、輪機、主軸、變速箱、發電機、錨鏈等系統組成，浮筒用鞍形焊件與機架連接，對稱布置于機架兩邊，簡化浮筒兩端采用球形面與圓柱體相切連接，有效減小海流阻力，輪機主軸與發電機通過大傳動比變速箱直接連接，實現一級大功率傳動。浪流捕獲裝置通過作用在葉片以及葉片包絡面上垂直方向的波浪力與水平方向上的潮流力的合力來推動機構旋轉，從而實現海洋能量的捕獲。

4 現有波浪能發電裝置的不足

雖然波浪能發電裝置種類繁多，有些已趨于商業化，但還是存在諸多問題。

4.1 總發電效率問題

(1)從波浪能經過中間機構一般需要二級轉化，有的甚至是三級轉化，能量損耗大[4]。

(2)波浪不穩定，時大時小，浪大時能量有剩余，浪小時能量供應不足。如果加上儲存設備，增加了機構的復雜性[14]。

(3)需要把波浪能轉化的電能供應到電網上才可以使用，受到電網覆蓋范圍的限制，造成發電成本高、發電功率小、質量差等問題。

(4)波浪能不穩定，轉化為電能時也是不穩定的。

4.2 工程性

(1)材料問題[14]。海水具有腐蝕性，而且波浪具有極強的破壞性，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可能造成裝置某些環節的失效，不銹鋼滿足抗腐蝕性和耐久可靠性，但是不滿足廉價性；工程塑料在強度上已有了顯著提高，但是其耐久性和可靠性不能達標，材料抗腐蝕性、較好的耐久性以及可靠性及其重要，因此波浪能裝置的選材也成為當下需解決的難題。

(2)裝置的可靠性[15]。如果整個裝置非常復雜，那么其在海洋大波浪環境下穩定性會很低，而在海洋環境下發電裝置的維護是最大的問題，所以裝置的簡單可靠是保證可以更長時間運行的必要條件。

4.3 成本問題

成本問題[15]是普及和大規模利用波浪發電的最大障礙，據有關專家的計算，現階段海洋波浪能的發電成本比常規的熱發電高出10倍左右。因此只有改進波浪能發電的技術。減小發電成本，才能使波浪能發電真正達到實用化水平，為人們所用。

4.4 波浪發電裝置引起的海洋環境問題

隨著波浪發電裝置的增多，將會占用大面積的海面[7]，這必然會對海洋生態系統造成沖擊，如果在海面布置大量的發電裝置，很可能對海洋生物造成危害，甚至會影響到正常商業航運，所以要適當地選取海洋發電場。

5 波浪能發電裝置的未來展望

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，而我國所具有的海岸線，實現海洋能發電，有重要的戰略意義。

在對上述幾種波浪能發電裝置類別的分析以及目前世界各國利用波浪能發展現狀來看，振蕩浮子式波浪能發電裝置相比較而言具有一定的優勢。因為其效率高、成本低、可靠性好，這將是今后波浪能發電裝置的重要發展方向[16]。英國、日本、瑞典、丹麥、美國和中國等國家和地區均不同程度地開展了有關振蕩浮子式波浪能裝置的研究與開發工作。振蕩浮子式波浪能發電裝置研究的難點在于浮子形狀的設計是否科學合理、二級轉換系統是否通暢與高效等問題，需要通過科學嚴謹的試驗得出一套完善的理論數據作為支撐[17]。目前我國已有一批專家學者和科研團隊在此領域開展研究工作，并且已經取得了具有較高科學價值的相關數據?？梢灶A見的是，振蕩浮子式波浪能發電裝置很有可能就是今后海洋波浪能發電的重點突破口與發展方向[18]。

今后，波浪能發電裝置的設計可能會有不同的發展方向與側重點，克服以上總結的幾個不足，追求更高的效率、更高的可靠性以及降低制造與維修成本，轉入大規模商業化運作將是任何波浪能發電裝置發展的主旋律。

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On the Development and Prospect of Wave Energy Power Generation Device

YAO Qi，WANG Shiming，HU Haipeng

(College of Engineering Science & Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China)

Wave energy stored in ocean had been concerned by more and more countries and regions，and some research progress had been achieved，with its hidden environmental friendly and sustainable features.The current developing status of wave energy in major countries of the world and China were sorted out，based on the analysis of four kinds of mainstream power generating unit by the classification of wave energy power generation devices.The paper also made prospects for the future research and developing direction of wave energy device and pointed out several problems should be resolved.

Ocean wave，Power generation device，Developing status，Prospects

國家海洋局2013年海洋可再生能源專項(SHME2013JS01)；上海市2014年優秀技術帶頭人計劃項目(14XD1424300)；上?？莆?011年度“科技創新行動計劃”基礎研究重點項目.

姚琦，本科，研究方向為海洋可再生能源開發利用，電子信箱：1249639500@qq.com

TM619;P743.2

A

1005-9857(2016)01-0086-07