波浪能：用海浪來發(fā)電

能源安全是關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性問題。目前，全世界普遍面臨能源危機(jī)，煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源逐漸枯竭，它們所造成的環(huán)境污染與氣候變暖等問題也日益突出。為此，各國都在大力發(fā)展波浪能、風(fēng)能、太陽能、潮汐能等可再生能源與清潔能源。與傳統(tǒng)能源相比，新能源在生產(chǎn)與使用過程中對環(huán)境更友好，具有更低的碳排放和污染物排放。

這其中，在占地球表面積70.8%的海洋里蘊藏著種類眾多且貯藏量相當(dāng)可觀的能源。海上的風(fēng)能、海底的可燃冰、海岸的潮汐能以及下文將要重點介紹的波浪能都源于海洋。

我國擁有3.2萬千米海岸線、300多萬平方千米海洋國土，海洋資源豐富，海洋開發(fā)活動方興未艾。波浪能作為海洋能的一種，資源儲存量十分豐富。自1973年石油危機(jī)以后，波浪能發(fā)電裝置逐漸成為新能源研究的熱點。

什么是波浪能？它是如何被開發(fā)的？波浪能具有哪些優(yōu)點？下面將一一為大家解答這些問題。

波浪與波浪能

了解波浪能之前，我們先來認(rèn)識波浪。

波浪是海面受到外力作用或內(nèi)部變化所引起的水的起伏運動。風(fēng)力、天體的引潮力、地震等都會使海面產(chǎn)生波浪，其中，由風(fēng)力引起的海浪最為常見。

波浪有不同的劃分方法，主要有以下兩種。

一種是按照擾動力將波浪分為強制波和自由波。所謂強制波，是指引起波浪的擾動力連續(xù)作用于水面，波浪的波動性質(zhì)依賴于擾動力性質(zhì)的波動。在風(fēng)的直接作用下產(chǎn)生的波浪就是一種強制波。當(dāng)擾動力消失后，在重力作用下繼續(xù)傳播的波浪就是自由波。比如，在風(fēng)停止后，海面上繼續(xù)存在的波浪或離開風(fēng)區(qū)傳播至無風(fēng)水域的涌浪都是一種自由波。此時，其性質(zhì)已不完全依賴于原有的擾動力。

另一種是按照波形傳播情況將波浪分為前進(jìn)波和駐波。所謂前進(jìn)波，是指在介質(zhì)中自由傳播的波。所謂駐波，是指波形不向前傳播，波峰和波谷在原地作周期性升降的波浪，它也被稱為立波。

從能源利用的角度看，海浪中包含著的能量就是波浪能。作為海洋中蘊藏最豐富的一種能源，波浪能占整個海洋能的90%以上，遠(yuǎn)高于潮汐能。

需要注意的是，盡管海上每時每刻都在產(chǎn)生波浪，但全球波浪能的資源分布極不均衡，它們主要分布在北大西洋、南大西洋、南海、北海等地區(qū)。在我國，波浪能資源主要集中于東海、南海、渤海灣以及黃海北部等地區(qū)，其中以東海和南海海區(qū)的能源資源最豐富。

波浪能發(fā)電

波浪能是海洋能的一種具體形態(tài)，也是海洋能中最主要的能源之一。隨著科技的進(jìn)步與環(huán)保意識的增強，人類開始探索如何將自然界中廣泛存在的波浪能轉(zhuǎn)化為可再生的清潔電能，這就是“波浪能發(fā)電”。其原理是將水的動能和勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。具體來看，當(dāng)波浪經(jīng)過特制的能量轉(zhuǎn)換裝置時，其起伏運動產(chǎn)生的動力可以用來驅(qū)動裝置內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)作運動。這些機(jī)械結(jié)構(gòu)通過傳動系統(tǒng)，將波浪的動能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，最終通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

波浪能具有單位體積下能量密集、儲量大、變化幅度大等特點，加之容易受不良天氣等因素的影響，較難開發(fā)，故而其普及化和商業(yè)化都受到不小的制約。

要想實現(xiàn)波浪能發(fā)電，首先要捕獲波浪能，然后通過三級能量轉(zhuǎn)換，才可以將波浪能轉(zhuǎn)化為電能。由于海洋中波浪的周期和波高是隨機(jī)的，需要發(fā)電裝置具有更高的適應(yīng)性。要研究出一款能夠高效利用波浪能的裝置，必須經(jīng)過大量的試驗。目前，波浪能發(fā)電裝置普遍存在轉(zhuǎn)換效率較低的問題。為了高效利用波浪能，人們研發(fā)出了點吸收式、筏式、點頭鴨式等各種各樣的波浪能發(fā)電裝置。其中，小型的振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置已經(jīng)成功為航標(biāo)燈供電。另外，也有部分波浪能發(fā)電裝置實現(xiàn)了商業(yè)化運營。

三大主流類型

盡管從開始應(yīng)用至今已有上百年時間，但波浪能發(fā)電仍屬于新技術(shù)范疇，其穩(wěn)定性和可靠性尚需進(jìn)一步提高，且不同裝置的發(fā)電方式、工作原理不盡相同。行業(yè)內(nèi)部普遍按照能量的捕獲方式將波浪能發(fā)電裝置分為越浪式、振蕩浮子式及振蕩水柱式三大類，且其中的每一類通常有固定式和漂浮式之分。

越浪式波浪能發(fā)電裝置

此類裝置主要利用水的重力勢能發(fā)電，其結(jié)構(gòu)與大壩相似。波浪通過特殊的開口涌進(jìn)高位蓄水池中，由于蓄水池中的水與自由水平面間存在高度差，推動渦輪機(jī)將水的勢能轉(zhuǎn)換為電能。鑒于越浪式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)特點，人們常常把它們與防波堤結(jié)合起來，達(dá)到兼顧發(fā)電和抗擊風(fēng)浪的效果。

目前，世界上比較著名的越浪式波浪能發(fā)電裝置是挪威研制的海浪插槽錐形發(fā)電機(jī)（Seawave Slot-cone Generator，SSG）（圖1）。

除了固定在岸邊的越浪式波浪能發(fā)電裝置，還有漂浮于海上的越浪式波浪能發(fā)電裝置。其中，最知名的是丹麥的“波龍”（Wave Dragon）（圖2）。

作為一項成熟的水電應(yīng)用技術(shù)，越浪式波浪能發(fā)電裝置可以將不穩(wěn)定的波浪能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的勢能，能夠較好地適應(yīng)極端海況，可靠性較高。加之相關(guān)技術(shù)較為成熟，其零部件的更換有通用標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備維修方便。不過，越浪式波浪能發(fā)電裝置存在工程量大、造價成本高以及對裝置選址要求較高等問題。

振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置

振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置主要利用浮子與浮子（固定式的浮子被稱為定子）之間的相對位移發(fā)電。其裝置復(fù)雜多樣，主要包括以下幾種。

1.筏式波浪能發(fā)電裝置

筏式波浪能發(fā)電裝置由多個浮子線形連接在一起，各浮子間存在液壓裝置。運動的波浪會帶動筏體沿著鉸接處彎曲，推動液壓裝置帶動直線電機(jī)或是活塞發(fā)電（圖3、圖4）。由于筏體間僅有角位移，故而即使面對大浪，該裝置也不會發(fā)生劇烈位移，具有良好的抗風(fēng)浪性能。

目前，比較典型的筏式裝置有英國的“海蛇號（Pelamis）”。該裝置已進(jìn)入商業(yè)化運營階段。其主體部分由4個圓柱形的不銹鋼浮筒和3個動力關(guān)節(jié)鉸接而成，全長120米，重達(dá)750噸，額定設(shè)計功率是750千瓦。在“海蛇號”的動力關(guān)節(jié)內(nèi)部有兩個液壓缸，一旦不銹鋼浮筒隨波浪起伏，浮筒和動力關(guān)節(jié)之間便會發(fā)生相對運動，推動液壓缸內(nèi)的活塞往復(fù)運動，從而驅(qū)使內(nèi)部的發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電能則通過海底電纜傳輸?shù)桨渡稀?/p>

中國船舶重工股份有限公司第710研究所也設(shè)計出功率為300千瓦的漂浮式波浪能發(fā)電裝置“海龍”（圖5）。它由4個浮體連接組成，長86米，重約400噸。

如果筏式波浪能發(fā)電裝置的浮子較小且多，即構(gòu)成可以進(jìn)行蛇形運動的裝置，亦可稱之為“海蛇式”波浪能發(fā)電裝置。

2.點頭鴨式波浪能發(fā)電裝置

點頭鴨式波浪能發(fā)電裝置最早由英國愛丁堡大學(xué)的史蒂芬·薩特教授在1974年研發(fā)成功，因其運動起來酷似鴨的運動，故稱之為“點頭鴨”。

其發(fā)電原理是，“鴨體”繞支撐軸作往復(fù)回轉(zhuǎn)運動，從而驅(qū)動連接“鴨體”與支撐軸之間的液壓缸，將波浪能轉(zhuǎn)換為電能。該發(fā)電裝置在規(guī)則波下表現(xiàn)良好，但美國麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員早在1980年便發(fā)現(xiàn)，點頭鴨式波浪能發(fā)電裝置在隨機(jī)波下的表現(xiàn)較差。

我國于2007年開始研制點頭鴨式波浪能發(fā)電裝置。2009年，中國科學(xué)院廣州能源研究所成功研制出一種強容錯、高效、漂浮式的點頭鴨式波浪能發(fā)電裝置“鴨式一號”，其裝機(jī)容量達(dá)到了10千瓦。

3.鷹式波浪能發(fā)電裝置

鷹式波浪能發(fā)電裝置（圖6）是中國科學(xué)院廣州能源研究所在點頭鴨式波浪能發(fā)電裝置的基礎(chǔ)上，將鴨式裝置與半潛式駁船相結(jié)合，使用自主開發(fā)的高效浮子研發(fā)出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的波浪能發(fā)電裝置。與點頭鴨式波浪能發(fā)電裝置相比，該裝置效率更高，且易于維護(hù)。

2012年，裝機(jī)容量為10千瓦的鷹式波浪能發(fā)電裝置在珠海萬山島進(jìn)行了第一次海試，并取得了成功。2015年，我國建成了裝機(jī)功率為100千瓦的鷹式波浪能裝置“萬山號”。2017年，“萬山號”成功并網(wǎng)發(fā)電。經(jīng)過十余年的時間，鷹式波浪能發(fā)電技術(shù)已發(fā)展得較為成熟，并集養(yǎng)殖、觀光等多功能于一身。

4.擺式波浪能發(fā)電裝置

擺式波浪能發(fā)電裝置的基本原理是，擺體在波浪的影響下產(chǎn)生或向前向后、或向左向右的規(guī)律性鐘擺式運動，從而將波浪的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為擺體的動能，再利用液壓泵等將動能轉(zhuǎn)換為電能。

擺式波浪能發(fā)電裝置很好地適應(yīng)了波浪的大周期、大推力特點，具有可觀的轉(zhuǎn)換效率；不過，該類裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較難維護(hù)，加上需在水下施工，故而生產(chǎn)成本較高。我國的國家海洋技術(shù)中心于2012年研究開發(fā)出功率為100千瓦的擺式波浪能發(fā)電裝置，并在山東青島即墨的大管島海域進(jìn)行了海試。

5.點吸收式波浪能發(fā)電裝置

點吸收式是最簡單的振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置（圖7）。它能夠利用浮子的上下運動將波浪能轉(zhuǎn)換為動能，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)等優(yōu)點，并可形成多組并網(wǎng)發(fā)電。

早期的振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置多采用復(fù)雜的液壓轉(zhuǎn)換裝置，經(jīng)過多級轉(zhuǎn)換才能實現(xiàn)發(fā)電。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著直線電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，很多點吸收式波浪能發(fā)電裝置開始使用直線電機(jī)，不再使用氣動液壓部件，裝置的轉(zhuǎn)換效率得以大幅提升。其中，美國的點吸收式裝置“動力浮標(biāo)（Power Buoy）”已成功投入商業(yè)化運營。

振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置

振蕩水柱式是最早出現(xiàn)的一類波浪能發(fā)電裝置，其發(fā)展歷史可追溯到1910年法國建立的波浪能發(fā)電裝置。自1973年以后，此類裝置成為研究熱點，尤其在日本及歐美等國家。該裝置主要由氣室和空氣透平組成，裝置里的空氣會隨著波浪的起伏反復(fù)進(jìn)行活塞運動，從而使得空氣不斷從氣室上的氣孔（氣嘴）流出，只要在氣嘴上裝個空氣透平就可以將波浪能轉(zhuǎn)為電能。空氣透平其實就是一個逆向運行的風(fēng)扇，讓波浪推動空氣變成電（圖8）。該類波浪能發(fā)電裝置的一級轉(zhuǎn)換效率較高，并且具有施工成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，發(fā)展前景良好。

振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置按照安裝方式的不同可以分為固定式和漂浮式兩種。

1.固定式振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置

固定式振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置與越浪式波浪能發(fā)電裝置類似，同樣可以利用防波堤，從而實現(xiàn)雙贏。世界上最典型的固定式振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置位于葡萄牙皮庫島上，其裝機(jī)容量為400千瓦，自1999年建成后持續(xù)運行到2018年（圖9）。英國在2000年于伊斯萊島上建成的振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置也較為成功，其裝機(jī)容量為500千瓦，可以為400戶家庭供電，是全球首個實現(xiàn)商業(yè)化運營的波浪能發(fā)電裝置。

中國科學(xué)院廣州能源研究所于1990年在珠海萬山島上建立了我國第一個振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置，其裝機(jī)容量為3千瓦；1996年，經(jīng)過改進(jìn)后，該裝置的裝機(jī)容量升級到了20千瓦。2000年，中國科學(xué)院廣州能源研究所在汕尾建立了一臺裝機(jī)容量為100千瓦的振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置。

不過，此類裝置也存在施工成本高、易被風(fēng)暴損毀的缺點。

2.漂浮式振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置

漂浮式振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置形態(tài)多樣，可以通過是否有開口以及內(nèi)部水體封閉與否，分為封閉型和開口型兩種。開口型波浪能發(fā)電裝置又可以細(xì)分為垂直管型、后彎管型及中心管型等類型。

日本于1978年建成的“凱美（Kaimei）”是全球第一個部署在海洋中的大型漂浮式振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置，其年發(fā)電量可達(dá)190萬千瓦時。繼“凱美”之后，日本海洋科學(xué)技術(shù)中心于1998年研發(fā)出“巨鯨號”（圖10）漂浮式振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置。“巨鯨號”內(nèi)部設(shè)有多個空氣室，利用振蕩水柱（Oscillating Water Column，OWC）原理進(jìn)行發(fā)電，共配備了3臺波力發(fā)電裝置，其中兩臺的額定功率為30千瓦，另外一臺可根據(jù)波浪大小，轉(zhuǎn)換為10千瓦和50千瓦的輸出功率。丹麥的LeanCon也是一款漂浮式振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置，全尺度裝置寬240米，包含8個透平和發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量為4.6千瓦。需要說明的是，以上三個裝置均采用了垂直管技術(shù)。

早在20世紀(jì)90年代，我國就將使用后彎管技術(shù)研發(fā)出的波浪能發(fā)電裝置應(yīng)用于“中水道一號”航標(biāo)船上。愛爾蘭的海洋能公司也基于后彎管技術(shù)研制了一款名為“OE浮標(biāo)”的試驗機(jī)，并進(jìn)行了3年的海試。

目前，采用中心管技術(shù)的振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置已非常成熟。比如，中國科學(xué)院廣州能源研究所研發(fā)的BD系列振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置已應(yīng)用于海洋觀測浮標(biāo)上，可以為浮標(biāo)搭載的各類傳感器和設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)。其中，BD102型（圖11）振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置的裝機(jī)容量為60瓦，能夠有效將海浪能量轉(zhuǎn)化為電能。

前景廣闊 尚存短板

總體而言，波浪能研究在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注。盡管波浪能潛力巨大，但在目前的應(yīng)用中仍存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)和經(jīng)濟(jì)限制，影響了其商業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用進(jìn)程。有關(guān)波浪能的研究在國內(nèi)外均處于快速發(fā)展階段，各國在投資、政策、技術(shù)等方面都在積極推進(jìn)波浪能的開發(fā)與利用。

近年來，我國在波浪能領(lǐng)域的研究和應(yīng)用方面也取得了一定進(jìn)展。在政策層面，國家出臺了多項政策措施，鼓勵和支持波浪能發(fā)電技術(shù)；在科研領(lǐng)域，多個研究項目也在多所高校和科研機(jī)構(gòu)展開，山東大學(xué)、中國海洋大學(xué)、集美大學(xué)、華南理工大學(xué)、清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)等均在波浪能利用方面取得了一定研究成果。不少企業(yè)也開始布局波浪發(fā)電，甚至有部分公司開展了相應(yīng)產(chǎn)品的規(guī)模化應(yīng)用，如水能集團(tuán)推出了超大電容儲能型波浪發(fā)電機(jī)組。同時，自然資源部在國內(nèi)部署了三大試驗場，其中，珠海萬山海域建有專門的波浪能試驗場。

在“雙碳”目標(biāo)的推動下，波浪能等清潔能源逐漸成為今后能源發(fā)展的主流方向。據(jù)統(tǒng)計，全球儲存著超過25億千瓦的波浪能，開發(fā)前景十分廣闊。整個波浪能產(chǎn)業(yè)將會在未來逐漸成形，為人類尋找化石產(chǎn)品的替代產(chǎn)品提供更多選擇。

在此背景下，盡管各國在波浪能發(fā)電裝置的研發(fā)上取得了長足的進(jìn)展，但在裝置的開發(fā)以及商業(yè)化道路上，仍面臨效率不高、穩(wěn)定性差、可靠性弱、電力成本高等問題。

未來，隨著我國“海洋強國”戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，相關(guān)技術(shù)不斷進(jìn)步，集成化、多元化、陣列化研究進(jìn)一步發(fā)展，波浪能發(fā)電有望為我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化做出更大貢獻(xiàn)。

（本文第一作者李清陽為廣東省廣州市培正中學(xué)高三年級學(xué)生；第二作者張亞群為中國科學(xué)院廣州能源研究所副研究員）

【責(zé)任編輯】趙 菲