我國波浪能發電現狀及未來發展探究

王灝　王廣大　趙尚

摘要：我國海洋資源豐富，海洋波浪能作為一種清潔能源，有著廣闊的開發和利用前景。據此，主要對我國波浪能的儲量與分布進行介紹，針對現階段我國對波浪能發電的技術進展和利用程度進行簡要分析，指出波浪能發電存在的各種相關問題，并對波浪能發電的未來進行展望，分析并闡述了波浪能發電對于我國海洋資源和能源戰略的意義和重要性。

關鍵詞：海洋波浪能；發電；波能發電裝置

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.07.090

0引言

隨著全球能源資源和環境問題的突出，特別是以變暖為重要特征的全球氣候變化的日趨明顯，作為豐富的海洋能源之一，波浪能一直以來受到世界各國的高度關注和重視。在當今能源逐漸枯竭及環境狀況日益惡化的形勢下，如何有效利用資源豐富、可再生的海洋波浪能，顯得十分重要。波浪發電技術就是在現有利用海洋波浪能發電研究的基礎上，運用成熟的機械制造及發電技術進行有效的組合，將廣闊海岸取之不盡、用之不竭的波浪能低成本地轉化為電能，波浪能的利用既是對能源短缺問題的改善，也是對海洋能源合理利用的一種有效方式。

1海洋波浪能的儲量和分布

海洋波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能，波浪能儲量巨大。在每平方公里的海面上，運動著的海浪約蘊藏30萬千瓦的能量，全球可供開發的波浪能約30億千瓦。波浪能由垂直于波浪方向的每米寬度所通過的能量速率（功率）來表征，單位為kW/m，也稱為波浪能密度。波浪能密度很大，按海岸線長度計算，在太平洋、大西洋東海岸緯度40°～60°區域，波浪能平均密度可達到30～70kW/m，某些地方達到100kW/m。表1中給出了幾種常見的海洋能資源儲量，可以看出波浪能的實際可開發量較高，所以波浪能具有很大的開發應用價值。

據調查統計，我國沿岸波浪能資源理論平均功率約為1285.22萬千瓦，這些資源在沿岸的分布很不均勻。以臺灣省沿岸最多，約為429萬千瓦，占全國總量的1/3，其次是浙江、廣東、福建和山東沿岸也較多，在160～205萬千瓦之間，約為706萬千瓦，約占全國總量的55%，其他省市沿岸則很少，僅在143～56萬千瓦之間。廣西沿岸最少，僅8.1萬千瓦。全國沿岸波浪能源密度分布，以浙江中部，臺灣，福建省海壇島以北，渤海海峽為最高，達5.11～7.73千瓦/米。

2波浪能發電的現狀

據統計，全世界有近萬座小型波浪能發電裝置在運行，主要用于航標燈、浮標等。目前利用波浪能發電的方法可分為三類：一是利用海洋波浪能的上下運動所產生的空氣流，使汽輪機轉動，從而帶動發電機發電，如振蕩水柱式波浪能發電裝置，代表性的裝置有英國的LIMPET 500、日本的“巨鯨號”等；二是利用海洋波浪能裝置運動（直線往復、搖擺轉動）的機械能轉化為電能，如振蕩浮子式波浪能發電裝置，代表性的裝置有加拿大的AquaBuoy、荷蘭的阿基米德波浪擺、美國的PowerBuoy裝置、澳大利亞的CETO裝置等，主要通過直線往復形式進行波浪能發電。采用搖擺轉動形式進行波浪能發電的如“點頭鴨”式波浪能發電裝置、擺式發電裝置等，代表性的裝置有廣州能源所研發的“鷹式一號”，英國的Oyster裝置等；三是利用波浪能將水引入高位水池積蓄起來，形成一個水頭，然后沖擊水輪機發電，如越浪式波浪能發電裝置，代表性的裝置有丹麥的WaveDragon、西班牙的WaveCat波浪裝置等。

我國目前正處于實現工業化和信息化的經濟高速發展時期，特別是沿海地區對于能源的需求急劇增加，已經成為社會和經濟發展的瓶頸，我國國土遼闊，海島眾多，對于海洋開發和國防建設方面占有重要的地位，對于海洋能源的開采也有助于滿足海防建設的基本需求。現階段的波浪能發電，無論從設計水平，還是工藝制造水平來說，均已優于早期，波浪能發電裝置是一門集海洋環境科學、流體力學、機電工程、材料學科等于一體的交叉技術，從開始采集波浪能到最終的發電傳輸使用，涉及方案設計、材料選擇、強度校核、機械結構、能量轉換和電力傳輸等各種問題。其中包含了很多關鍵性的技術難題，從我國現有的波浪能發展現狀和科技研究成果來看，對于波浪能發電裝置的理論體系和波浪能發電的技術研究尚未形成一套較為成熟和靈活的體系，相關的試驗和分析工作仍需繼續進行。

3波浪能發電存在的困境

我國現有的波浪能發電應用并不廣泛，相比于海上風電的發展，波浪能發電的潛力巨大，但是卻并未得到較為有力的支持和發展。原因是多方面的，面臨的挑戰和問題也是較為嚴峻的。

（1）技術問題。波浪能發電的種類和方式是多種的，但是我國現有的波浪能發電仍然還以近海和淺水海域的應用居多，我國海洋領土和資源是非常廣闊并具有開發前景的，尤其是對深海海域資源的開采和利用將逐漸成為今后新能源利用的一個重要發展方向。深海海域的風浪條件一般較為劇烈，對于長期工作的波浪能發電裝置來說，風浪大意味著波浪能量大，從對波浪能的俘獲角度來看較為有利。但面臨著可能遭遇惡劣的海況，對裝置的材料和結構強度的要求很高。而現階段對深海作業的波浪能發電裝置結構和材料的研究還有所欠缺，包括各類浮式波浪能發電裝置。

對波浪能發電裝置的關鍵部分——能量轉換部分，對該部分的研究也一直是波浪能發電裝置的熱點研究方向，能量轉換部分是將機械能轉化為電能的環節，直接關系到電能的轉化效率?，F有的波浪能發電裝置上的發電機一般采用通用的小型三相交流發電機，但是這種發電機并不一定完全適用波浪能發電裝置，這也是導致發電效率低的重要因素。如何匹配相適應的發電機，如何更有效的提高電能轉換效率，如何有效提高發電量等問題仍需進一步探討和研究。

（2）成本問題?，F階段波浪能的發電成本比常規熱發電要高出10倍左右，這也是阻礙波浪能發電市場化進程的重要因素之一，波浪能發電想要普及和大規?；仨毟倪M波浪能發電的技術，減少發電成本。水深較深的海域，相適應的波浪能發電裝置往往尺寸較大，帶來的安裝建設費用和難度也相應加大，包括水下部分的系泊固定。

（3）工程問題。一方面，由于海洋環境的變幻莫測性，波浪能發電裝置所遭遇的海況也是瞬息萬變的，尤其是對深海海域風浪較大的海況下，波浪能發電裝置往往面臨著損壞的風險。另一方面，海水的腐蝕性對裝置的材料耐腐蝕性要求較高，而在考慮方案的時候必須要統籌考慮各因素的影響，現階段還很難找到較為全面的方案，如何在波浪能發電裝置設計階段去均衡考慮各因素的影響，也是波浪能發電研究的一個難點。

（4）政策標準。與海上風電相比，波浪能發電缺少相關的政策和規范，國家標準和行業標準中涉及波浪能發電的少之又少，對波浪能發電裝置的設計方案缺少基本的標準對照，各種試驗（如結構強度試驗、疲勞試驗、發電機型式試驗、材料耐腐蝕試驗等）也缺少相應的試驗標準，這也成為阻礙波浪能發電產業化發展的重要因素。

4波浪能發電的發展

波浪能發電是具有較為廣闊發展前景的新能源開發和利用的重要方式，鑒于波浪能發電現狀，盡管存在著諸多技術、經濟和政策上的難題，但是作為海洋能源的重要組成部分，波浪能一直是清潔能源的代表?，F如今在我國對于藍色海洋的重大發展戰略的基礎上，對波浪能發電的研究和發展應當加大力度。

（1）在大力發展藍色海洋經濟的背景下，我國海上風能資源、海洋石油資源和海洋生物資源等均有了長足的發展和進步，相應的國家政策、企業和研發機構也對海洋能源的開發和研究予以技術和經濟上的支撐。相比之下，海洋波浪能發電的開發似乎力有不足，因此，合理開發海洋波浪能需要國家和政府機構給予政策和發展計劃的扶持，刺激和鼓勵海洋波浪能發電裝置的研發和生產，提升技術水平的同時，宏觀調控波浪能發電的并網和電價，鼓勵企業創新和研發，并且制定波浪能發電的標準規范。

（2）開發海洋波浪能，需要對波浪能發電的關鍵技術進行攻克，國內外對波浪能發電裝置也一直處于研究之中，為了提高對海洋波浪能的俘獲，波浪能俘獲的研究已經由原來的單模態運動俘獲轉為多模態運動俘獲，其所帶來的技術難度也隨之增大。比如，在歐洲相應政策的扶持下，英國的Pelamis公司致力于海洋能源科技的發展，對“海蛇號”波浪能發電裝置的研究一直在進行中，“海蛇號”是典型的六模態運動俘獲波浪能的波能發電裝置，但是其技術難度相當高，其中如何統籌考慮結構強度、材料腐蝕、設備維護、電力儲存或傳輸等問題一直都是研究的關鍵點，Pelamis公司多年來已經在“海蛇號”的技術攻克上取得了很大的進步。相比之下，我國對于這類多模態俘獲波浪能的波能裝置并未有較多的研究。我們可以借鑒并學習國內外優秀的波能裝置研發策略和技術，形成適合在我國海域基于我國海洋海況條件可投入使用的波能發電裝置。

（3）在對波能發電裝置的研究同時，要注意與環境的契合與協調，許多海洋能源開發的裝置并未考慮到環境的保護問題，在投入使用和運營以后便置之不理，不僅造成了海洋污染，同時制造了“海上垃圾”妨礙著海運和航運船只的正常航行，在國家倡導科學發展觀的前提下，對海洋清潔能源的開發和利用也必須要注意對海洋的保護，在設計研發到安裝建設，整個環節必須都要考慮到對海洋環境的影響，避免出現“綠色能源不綠色”的現象。

5結論

我國海洋資源豐富且開發潛力巨大，波浪能的開發意義和前景非常大，如果開發得當，既可以緩解現如今能源危機的壓力，也具有現實的經濟效益和戰略意義。現階段的波浪能發電由于技術條件的限制未具有發電推廣性，仍然以小型波浪發電作為主要應用，但是要與常規能源發電競爭，必須要往大型化和大規模化發電的方向發展，不僅可以實現能源的優化配置，也是節能減排的有效動力，對我國的能源開發和經濟發展有著積極的促進作用。