陣列浮子式波浪能發電技術研究概述

史玉濤 劉艷嬌 趙凌志

（1 中國科學院電工研究所 北京 100190 2 中國科學院大學 北京 100049）

隨著國際能源安全、生態環境、氣候變化等問題日益突出，加快開發利用海洋能已成為世界沿海國家和地區的共識。波浪能具有分布范圍廣、儲量大、能流密度高等特點，備受科研工作者的關注，成為海洋能開發利用的熱點。自1910 年法國波契克斯·普萊西克設計出第一套氣動式波浪能發電裝置，波浪能發電技術已獲得長足發展，目前全球已有4 000 余種波浪能發電裝置［1］。振蕩浮子式波浪能發電裝置效率高、制造難度低、可靠性好，成為當前研究的主要方向［2］。單一浮子不能同時吸收不同海面位置的波浪能，且受自身體積、重量等影響，存在單機容量小、發電成本高、發電量不穩定等一系列問題，不能滿足大型化、規模化發電的要求［3］。陣列浮子式波浪能發電是將多個振蕩浮子在一定的海域面積內陣列有序布置，可以連續、均勻地吸收不同位置的波浪能，實現大規模發電、連續穩定電能輸出和高效能量轉換，同時大大降低發電成本。因此，陣列式波浪能發電成為目前波浪能發電研究的重點之一。

1 陣列浮子式波浪能發電方式及系統構成

陣列浮子式波浪能發電裝置可分為很多種類，不同類型裝置的發電原理有很大差異。依據能量輸出（Power Take Off，PTO）系統與振蕩浮子聯結方式的不同，可將之分為陣列浮子式波浪能發電場（Wave energy farm）和陣列浮子式波浪能發電平臺（Wave floating platform）。

陣列浮子式波浪能發電場是將一系列單浮子波浪能發電裝置在一定的海域內陣列布置，每臺發電裝置都裝配有一套完整的PTO 系統，可單獨完成波浪能到電能的轉換。陣列布置的多臺發電裝置通過分布式拓撲構架對輸出電能進行匯集，再經過一系列電能轉換后輸送至用戶或儲能裝置［4］。相較于單浮子發電裝置，陣列浮子式波浪能發電場不僅發電量高，而且進一步提高了對海洋環境適應性。

陣列浮子式波浪能發電平臺是將多個振蕩浮子有序排布于漂浮平臺四周，各振蕩浮子通過機械傳動結構連接至漂浮平臺，平臺上安裝有中間轉換系統和發電系統，通過中間轉換系統進行能量的匯集和轉換，最終驅動發電機輸出電能［5］。目前，陣列浮子式波浪能發電平臺中間轉換系統主要采用液壓蓄能系統。每個浮子分別連接一個或多個液壓缸，通過匯流母管和蓄能器將吸收的波浪能匯集并轉換為液壓能，從而有效降低波浪突變性對裝置的載荷沖擊，蓄能器進一步消除了波浪周期性對功率輸出的影響。陣列浮子式波浪能發電平臺最大特點是多個浮子共用同一個PTO 系統，可以一定程度上實現經濟成本的最優化，并能夠保證電能輸出的穩定與連續。

根據振蕩浮子結構的不同，可將陣列式波能裝置分為陣列擺式、陣列筏式、陣列鷹式、陣列鴨式和陣列點吸收式等。

2 陣列浮子式波浪能發電技術研究現狀

目前，陣列浮子式波浪能發電處于初步海試運行階段，各國學者研究重點主要在于振蕩浮子陣列化布局及其水動力學特性、陣列裝置波浪能俘獲效果。

2.1 陣列浮子式波浪能發電裝置工程應用

世界上已有多個國家研制完成陣列浮子式波浪能發電系統樣機并進行實海況測試，甚至進行了商業化示范運行，典型代表如表1 所示。其中，澳大利亞CETO 波浪能發電場、丹麥Wave Star 陣列式波能裝置1∶2 比例樣機和中國“舟山號”陣列鷹式裝置成功并網運行。

2.2 陣列浮子式裝置波能俘獲效果研究

作為波浪能發電的第一級能量轉換過程，波浪能俘獲效果直接決定著波浪能發電裝置性能的優劣。通常采用影響系數q 作為判斷陣列裝置波浪能俘獲效果的依據［4］。如公式1 所示，q＞1 表示陣列布置對波浪能俘獲有積極作用；反之，則說明布置方式抑制波浪能吸收。

式中：N 為陣列中浮子個數，P 為單浮子吸收的波浪能功率，Pi為陣列中第i 個浮子吸收的波浪能功率。

表1 陣列浮子式波浪能發電裝置工程應用實例

目前，主要研究波浪頻率、入射波方向以及各振蕩浮子之間的間距對陣列式發電裝置影響系數q 的作用。Fitzgerald 等［12］基于點吸收理論，采用數值分析方法對5 個半球形振蕩浮子不同的陣列布置方式和入射波方向進行了研究分析。結果顯示，考慮全部的入射波方向時，影響系數q 均值等于1。Borgarino 等［13］通過對陣列式波能轉換裝置進行參數研究，將9～25 個垂直圓柱型振蕩浮子布置于標準的正方形和三角形網格上，研究了浮子布置間距對波浪能吸收的影響。

2.3 陣列布局對水動力系數的影響研究

對于陣列浮子式波浪能發電系統，各浮體之間的相互作用亦是研究人員關注的重點。Agamloh 等［14］采用三維數值水槽模擬計算分析了波能裝置的流固耦合相互作用，并對2 個浮子小陣列垂蕩運動時雙浮體之間的相互作用進行了研究。研究表明，浮體之間的相互作用隨浮體間距、波浪要素的變化而變化。吳廣懷等［15］根據三維線性勢流理論，對多浮體系統的水動力系數進行數值分析。仿真結果表明固定波浪頻率下水動力系數幅值隨浮子間距增大而減小，且相鄰極值的間距為一個或半個波長。楊紹輝等［16］采用數值模擬研究了不同波向作用下圓周形、雙列形、單列形3 種陣列布置方式的水動力響應及陣列間距對各浮子波能俘獲的影響。研究發現不同波向下圓周形布置時其陣列浮子平均振幅最大。在這種布置方式下，對于直徑2.8 m 的圓柱形振蕩浮子，浮子間距8 m～10 m 為最佳距離。

3 陣列浮子式波浪能發電技術發展趨勢

陣列浮子式波浪能發電技術的提出，對波浪能發電間歇性和高成本等問題提供了相對較好的解決方案。因此，陣列浮子波浪能發電在全球沿海國家獲得快速發展。陣列浮子式波浪能發電技術發展趨勢主要有以下4 個方面：

3.1 波浪能發電平臺成為主要研究對象

相比較于陣列浮子式波浪能發電場，陣列式波浪能發電平臺具有受海浪沖擊影響小、輸出電能相對穩定、活動部件少、整體穩定性高等優勢，迅速成為陣列浮子式波浪能發電的研究熱點和主要研究對象。

3.2 發電平臺單機容量逐漸增大

大容量發電裝置單位發電效率高，建設投資和發電成本逐漸降低且易于控制，因此，大容量裝置亦是波浪能發電發展趨勢之一。從表1 可以看出，目前研制成功的陣列浮子式波浪能發電裝置單機容量多為千瓦級并且逐漸增大。因此，陣列式波浪能發電平臺單機容量必然隨波浪能發電技術的成熟而增大，甚至會達到兆瓦級及以上。

3.3 海上多能源綜合開發利用

海洋中具有同樣豐富的風能和太陽能資源。為優化能源布局，提高海洋能源綜合利用率，各種可再生能源綜合開發利用已成發展的必然趨勢。目前的互補式發電平臺有波浪能發電平臺與漂浮式風電機組相結合的“STC”發電裝置，波浪能-太陽能相結合的“澎湖號”波浪能發電平臺。

3.4 波浪能發電平臺與發電場相結合

陣列浮子式波浪能發電平臺的裝機容量相比較于單浮子有很大提高，然而相比于傳統發電方式，波浪能發電平臺裝機容量依然很小。將陣列浮子式波浪能發電平臺作為發電單元陣列布置，形成波浪能發電場，是波浪能發電大型化、規模化的有效途徑。

4 結論及展望

陣列浮子式波浪能發電可以實現大規模發電、連續穩定電能輸出和高效能量轉換，同時大大降低發電成本，是波浪能發電研究的重點。目前，陣列浮子式波浪能發電研究多處于理論分析和樣機海試階段，其發展趨勢為多能源綜合開發利用的波浪能發電平臺陣列布置成發電場。隨著波浪能發電技術日趨成熟和完善，以其所具有的獨特優勢，陣列浮子式波浪能發電或將發揮更大的作用。