波浪能在航船上的應用分析

楊慶勇，李博洋，郭 超，楊倩倩

（1. 交通運輸部北海航海保障中心青島航標處，山東青島 266011；2. 青島科技大學，山東青島 266061）

0 引言

世界各國能源需求量與日俱增。石油、煤炭等傳統化石資源被大量消耗，生態環境遭受破壞，特別是溫室氣體的排放，導致全球氣候逐漸變暖。人們尋求新的可替代能源的步伐不斷加快，世界各國也紛紛出臺各種節能減排的措施。

在船舶業，隨著國際海事組織（IMO）對船舶廢氣排放標準愈發嚴格，尋求新的船用可替代能源也日益加緊。目前，太陽能、風能等清潔能源在商船上應用取得一定的應用效果，而波浪能對船舶而言也是一種儲量豐富的可再生清潔能源，其應用在船舶上有著得天獨厚的優勢，若能將波浪能發電技術應用在航行船舶上，將會降低船舶能源損耗，實現綠色航運。

1 海洋波浪能利用技術的應用

1.1 海洋中波浪能利用技術的發展概況

1910年，法國人制造出一種氣動式波浪能發電裝置，該裝置可產生近1 kW的電量。1970年，在石油危機的刺激下，英國率先將波浪能發電技術作為解決能源短缺的重要方式，積極探索應用。1985年，中國新能源研究所研發出新一代航標燈用波浪能利用裝置，并隨后大批量應用于我國海域的航標燈中。1985年，挪威投資建設了振蕩水柱式波浪能發電站，該發電站的發電功率高達500 kW，這是波浪能發電站實用化的開端。2005年，“海蛇”和“巨蟒”波浪能發電裝置相繼完成了海上試驗，這是波浪能利用技術成熟的標志[1]。而在這種發展趨勢下，波浪能裝置的研究現狀主要呈現出以下三個特點：第一，裝置多樣化。有許多外界因素影響海水發生波動，如海風、大氣壓、海底地震以及航行船舶的運動等。為更好的應對海水受外力影響的變化，波浪能發電裝置也呈現出多樣化。第二，裝置規?；Ｓ捎谠诤Ｑ笾袉挝惑w積海水產生的波浪能相對較小，波浪能裝置采用陣列式布置，以增加裝置規模的方式進而提高發電總量。第三，裝置耐用性能有所提高。海洋中的波浪有時波濤洶涌，有時輕搖慢拍，海況的復雜程度遠不是通過模擬和試驗就能分析出來的，因此，當前的波浪能利用裝置大多都經歷了海上耐用性測試。

1.2 波浪能應用優勢

海洋占全球總面積的70%，在海洋中，海浪的沖擊力是非常巨大的，利用波浪能發電是明智之舉。對比傳統發電方式，波浪能發電有顯著的優勢，主要表現在：第一，波浪能資源豐富。與化石燃料相比，波浪能在海上以機械能形式存在，是海上分布面積最大的可再生能源。第二，成本低。在近海岸，普通海況下波浪能的發電成本大約是 0.05美元/（kW·h），波浪能的發電成本僅占傳統發電方式發電成本的四分之一。第三，符合節能減排要求。傳統發電如火力發電，會釋放出大量二氧化碳和硫化物氣體，破壞生態環境，而波浪能發電無需燃燒原料，不會產生溫室氣體，降低能源損耗和環境污染，從而實現節能減排[2]。

2 船舶波浪能利用技術的應用分析

2.1 船舶上的應用概況

1977年，日本制造出波浪能發電船“海明”號，該發電船年發電量約為19萬度，并于20年后成功制造出波浪能發電船“巨鯨”號，見圖 1，該發電船利用海浪的運動，在氣室中形成氣壓，進而推動渦輪機運動，實現發電過程。

圖1 “巨鯨號”振蕩水柱式波浪能發電船

克里斯托福·科克勒爾在兩艘躉船之間連接液壓裝置，通過兩艘船之間的搖晃進而推動液壓裝置產生動力，從而完成對波浪能的利用，并于1980年首次在筏式波浪能利用技術中取得成果。

20世紀末，瑞典制造出漂浮式波浪能發電船，該船是利用海浪的運動，使船體內部質量體發生移動，驅動液壓裝置實現發電機發電，該發電船受潮差影響小，能夠適應大多數惡劣海況。

2011年，美國波士頓大學研究員安德雷·夏倫制造了一種擁有自航能力的波浪能發電船[3]，見圖 2。這種波力發電船能夠自動返回港口躲避惡劣海況，這種發電船的錨泊裝有發電裝置，可以將波浪能通過錨泊轉換成電能儲存。日本波浪能發電專家益田善雄先生提出后彎管波浪能發電裝置，率先將該裝置應用于航標船上，該發電裝置管內水柱形狀為L型，可以同時吸收搖擺與振蕩兩種形式能量。這就是“中水道1號”航標船的原型。在普通海況下，該發電裝置的平均輸出功率可超過50 W。

圖2 安德雷·夏倫設計的波浪能發電船

我國對波浪能利用裝置在船舶上應用的研發在20世紀70年代正式開始，起步雖晚，但成果非常可觀。1975年，上海機電局成功制造出一種功率可達1 kW的波浪能發電浮標并在浙江嵊泗列島試用成功。1990年，我國成功制造出一種利用振蕩水柱波浪能發電的導航船“中水道1號”，并完成了1年的海上試驗。2020年6月，中科院設計制造出超過500 kW發電功率的鷹式發電裝置“舟山號”，見圖3。

圖3 500KW鷹式波浪能發電裝置“舟山號”

由此可見，關于將波浪能發電裝置應用在船舶上，許多國內外學者雖給出了一些設計方案和應用方式，并研究出一些有益的成果，但這些應用裝置大多是用于無動力的躉船或海洋平臺，無法實際應用于航行中的船舶，即使將發電裝置應用在航行中的船舶上，也會給船舶航行造成額外阻力，無法真正在船舶航行過程中實現對波浪能的利用。

2.2 航行船舶對波浪能的應用分析

通常情況下，若是在船舶航行時對波浪能進行利用，波浪能利用裝置需要與水面進行直接接觸，這無疑是增大了船舶與水面的接觸面積，給船舶航行帶來額外阻力，同時也有可能因為裝置重量給船舶穩定性帶來影響。因此，在航行的船舶上應用波浪能裝置要考慮以下問題：首先，要保證發電裝置產生的能量高于船舶因阻力所損耗的能量。其次，要降低裝置安裝后對船舶穩性造成的影響。

針對上述問題，有學者利用船舶航行時橫搖和縱搖運動產生的大量機械能，提出了一種波浪能發電裝置[4]，見圖 4。該裝置主要包含橫搖導軌、縱搖導軌、橫搖發電機和縱搖發電機等。當船舶航行發生縱搖運動時，縱搖發電機在自身重力的作用下沿著縱搖導軌滑動，進而帶動縱搖發電機發電。同理，當船舶發生橫搖運動時，橫搖發電機也會產生電量。該裝置在船舶上成對安裝，對稱布置在船舶的左右舷上。

圖4 在利用航行船舶縱搖和橫搖的波浪能發電裝置

該裝置實現了航行的船舶在橫搖或縱搖過程中對機械能的利用，解決了船舶航行過程中難以利用波浪能的難題，為船舶航行提供了部分動力，或者用于船舶照明等，降低船舶能源損耗，有利于實現船舶節能減排。除此之外，將該裝置對稱安裝在船舶左右舷或者船艙內，有效減小了裝置對船舶穩定性的影響。這為波浪能裝置在航行船舶中的應用，提供了依據。

船舶航行過程中，船體存在六個自由度運動，對于船舶所蘊含機械能的利用，該裝置僅僅利用船舶橫搖和縱搖兩種自由度的機械能。另外，還可以同時利用船舶其它自由度的機械能或多種自由度的機械能，也可利用波浪對船體的沖擊能，或是甲板上浪后，甲板上海水所蘊含的勢能等多種能量形式。所以針對不同形式波浪能的回收，可在船舶不同位置處安裝不同類型發電裝置，以達到波浪能利用的最優化。

中國是航運大國，船舶數量眾多。若能將波浪能利用裝置在這些船舶中應用，將有效的把航行過程中船舶產生的機械能轉換使用，實現了對海洋波浪能的間接利用，有利于船舶的節能減排，實現綠色航運[5]。

3 結束語

綜合概述了波浪能利用技術的發展概況，介紹了國內外波浪能利用裝置在船舶上應用的實例，分析了波浪能裝置應用在航行船舶上的難題并提出解決方案。

隨著波浪能發電技術研究的深入發展，波浪能發電裝置在船舶上的應用已經歷了理論設計、裝置發明、仿真模擬、海上試驗等階段。受環境條件影響以及技術手段制約，該技術在航行船舶上尚未廣泛應用。隨著國家“海洋強國”計劃的實施，在國家相關政策的支持下，波浪能發電技術將得到迅速發展，技術手段也會愈發成熟，未來將會大規模應用在航行船舶上，實現船舶的節能減排。