波浪能發(fā)電技術研究進展

顧煜炯，謝典，耿直（華北電力大學，北京　102206）

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波浪能發(fā)電技術研究進展

顧煜炯，謝典，耿直
（華北電力大學，北京102206）

KEY W0RDS：wave energy；Power generation device；conversion efficiency

摘要：波浪能是一種清潔可再生的新型能源，已經(jīng)吸引了各國研究者的目光，開展了相關的研究并已取得一定的成果。文章介紹了各種波浪能發(fā)電裝置的原理，對海洋波浪能發(fā)電裝置進行了分類，總結(jié)了幾種典型海洋波浪能發(fā)電裝置的優(yōu)缺點，列舉了一些國內(nèi)外較為成功的波浪能示范電站，并針對現(xiàn)階段國內(nèi)外研究現(xiàn)狀指出今后波浪能發(fā)電裝置的發(fā)展趨勢及前景。

關鍵詞：波浪能；發(fā)電裝置；轉(zhuǎn)化效率

為了解決當前傳統(tǒng)化石能源供應在社會發(fā)展中所遇到的瓶頸問題，尋找可替代、可再生、清潔的新型能源已經(jīng)成為全球各個國家的共識。海洋波浪能具有巨大的開發(fā)潛力，據(jù)國際能源組織（IEA）公布的報告預測：全球可利用的波浪能達到20～25億kW，相當于目前世界發(fā)電裝機總量的2倍[1-3]，而且波浪能能量密度大，傳播過程中只有很小的能量損失[4]。

關于波浪能轉(zhuǎn)換裝置最早的專利記錄在1799年，作者是法國人Girard[5]?，F(xiàn)代研究始于19世紀70年代的石油危機。1974年愛丁堡大學（University of Edinburgh）StePhen Sa1ter在《Nature》上發(fā)表的一篇關于波浪能的論文具有里程碑意義，引起了國際學術界對波浪能的興趣[6]。1976年在英國的坎特伯雷（Canterbury）第一次召開了關于波浪能的會議，1979年召開了2次具有代表性的國際會議：Power from Sea Waves（愛丁堡，6月）和第一屆波浪能利用研討會（瑞典，10—11月）。

數(shù)十年來，關于波浪能發(fā)電技術的專利多達數(shù)千個，發(fā)電裝置形式多種多樣，研究機構(gòu)也是層出不窮。英國、丹麥等西北歐國家以及日本、美國在波浪能發(fā)電技術較為領先，已經(jīng)建立了多個大型示范電站，其中已有一些商業(yè)化的裝置，如英國OPD公司的Pe1amis；國內(nèi)的中科院廣州能源所在波浪能發(fā)電方面開展了大量研究。此外，國家海洋技術中心、中國海洋大學、浙江大學等都進行了深入的研究工作。波浪能發(fā)電技術研究主要集中于波浪能捕獲裝置的優(yōu)化設計，從較早的振蕩水柱式，到近些年來發(fā)展較好的擺式、振蕩浮子式裝置。

1　波浪發(fā)電裝置概述

通常波浪能轉(zhuǎn)換成電能要經(jīng)過3級轉(zhuǎn)換，第一級轉(zhuǎn)換是捕獲裝置吸收波浪能；第二級轉(zhuǎn)換由中間轉(zhuǎn)換裝置優(yōu)化第一級轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生穩(wěn)定的能量；第三級轉(zhuǎn)換由發(fā)電裝置把穩(wěn)定的能量轉(zhuǎn)化成電能[7]。波浪能發(fā)電裝置分類方式按照不同標準有所不同，如表1所示[8-9]。

表1　波浪能發(fā)電裝置分類Tab. 1 Wave power generatlon devlce classlflcatlon

2　波浪能發(fā)電裝置國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外的許多研究機構(gòu)均開展了波浪能發(fā)電技術的研究工作，并研發(fā)了各種各樣的裝置，建立了許多示范電站。早期的研究主要集中于振蕩水柱式發(fā)電裝置的研究，該項技術已趨于成熟，但效率相對較低；然后又逐漸產(chǎn)生了筏式、擺式、振蕩浮子式等裝置，國內(nèi)的研究主要集中于振蕩水柱式、擺式和振蕩浮子式裝置，各種形式的波浪發(fā)電裝置及其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀如表2所示。

3　各種波浪能發(fā)電裝置綜合比較及相關應用實例

3.1各種形式的波浪能發(fā)電裝置性能比較

各種形式的波浪能發(fā)電裝置性能比較如表3所示。

從現(xiàn)有幾種波浪能發(fā)電裝置的優(yōu)缺點以及目前存在的問題來看，振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置相比較而言具有很明顯的優(yōu)勢。因為其效率高、成本低、可靠性好，因此是今后波浪能發(fā)電裝置的重要發(fā)展方向，英國、美國、荷蘭、瑞典、丹麥、中國均開展了振蕩浮子式波浪能裝置的研究。

3.2相關成功應用的典型波浪能電站簡介

3.2.1國外相關案例

英國是全球波浪能發(fā)電技術的領先者，Aquamarine電力公司的OYSTER擺式發(fā)電裝置，經(jīng)過幾代研究，已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化運行，據(jù)Aquamarine電力公司稱，20臺該裝置建設的小型發(fā)電場可為12 000多戶家庭提供電力。Pe1amis作為英國OPD公司開發(fā)的波浪發(fā)電裝置，同樣實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，盡管其價格較高，但在一些較為偏遠的海島區(qū)域，成本已經(jīng)低于傳統(tǒng)的柴油機發(fā)電，因此仍然具有一定市場。

加拿大的AquaBuoy也是較為成功的振蕩浮子式波浪發(fā)電站，裝置由一個浮子組成，其升沉運動和加速管中水的慣性產(chǎn)生反作用，通過一對軟管泵產(chǎn)生高壓水流，2007年該裝置在美國俄勒岡州海岸進行了建造和測試。

丹麥的wave star則是由多個陣列浮子組成的波浪發(fā)電站，2006年，該裝置于丹麥北部海灣進行了比例尺為1：10的模型試驗，模型長24 m，裝機容量為5.5 kW，共由20個浮子組成，據(jù)實驗報道，該裝置運行效率較高，具有較高的推廣價值。

3.2.2國內(nèi)相關案例

“八五”、“九五”期間，我國國家海洋局海洋技術中心分別研建了8 kW和30 kW岸式懸掛擺式波能發(fā)電裝置，為島上居民供電。1996年國家海洋局海洋技術研究所在山東省即墨市大管島建造的岸式懸掛擺波浪能發(fā)電裝置，其設計額定功率可達30 kW，該懸掛擺式波浪能發(fā)電裝置適用于入射波高為1～6 m的設計波況，發(fā)電狀況良好。

中科院廣州能源研究所研發(fā)的10 W波浪發(fā)電航標燈已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化運營，相關產(chǎn)品已出口國外。2005年1月9日，能源所在汕尾研建的波浪能發(fā)電系統(tǒng)由獨立發(fā)電系統(tǒng)、制淡系統(tǒng)及漂浮式充電系統(tǒng)3部分組成，系統(tǒng)在抗沖擊、穩(wěn)定發(fā)電、小浪發(fā)電方面都達到了預計效果，總裝機容量為50 kW，最大峰值功率達400 kW。

4　結(jié)論

本文對各種形式的波浪能發(fā)電裝置進行了綜合考察，廣泛調(diào)研了國內(nèi)外研究動態(tài)，對波浪能利用技術的問題及未來發(fā)展趨勢進行了解析，綜合對比各種技術，擺式和振蕩浮子式波浪發(fā)電技術是較有前景的。

隨著化石能源的日益緊張，陸地資源的日益緊缺，向廣闊的海洋發(fā)展是人類必經(jīng)之路，波浪能蘊藏量巨大，可為人類源源不斷提供清潔無污染的能源。盡管波浪能發(fā)電成本還高于常規(guī)熱發(fā)電，但在一些特殊地區(qū)如偏遠海島，波浪發(fā)電的成本已經(jīng)低于柴油機發(fā)電成本，具有應用價值。

表2　各種形式波浪能發(fā)電裝置Tab. 2 Varlous forms of wave energy generatlon devlce

未來波浪能發(fā)電技術主要發(fā)展方向應包含以下幾個方面：

1）目前的理論研究主要是基于線性波浪理論開展，已經(jīng)解決了大多數(shù)線性理論范圍內(nèi)的問題，但對非線性問題特別是非線性隨機問題的研究顯得尤為緊急，若上述問題得到解決，可使波浪能發(fā)電裝置的設計出現(xiàn)十分巨大的革新。

2）波浪能開發(fā)的研究難點是高效轉(zhuǎn)換，由于與波浪的不穩(wěn)定造成轉(zhuǎn)換裝置長期在設計外工況，除此之外，能流密度和轉(zhuǎn)換效率低也進一步提高了發(fā)電的成本，因此，波浪能研究的目標始終是提高轉(zhuǎn)換率和降低發(fā)電成本，需要提高波浪發(fā)電裝置的波浪適應性，使之在較寬的波況范圍內(nèi)都能保持較高效率。

3）裝置穩(wěn)定性問題：如何將不穩(wěn)定、低密度的波浪能高效吸收起來轉(zhuǎn)化為可用的電能，需要充分考慮儲能系統(tǒng)的配置，以保證裝置能夠穩(wěn)定地發(fā)電，同時還需要加強系統(tǒng)功率控制技術的研究。

4）裝置的可靠性問題，主要的研究發(fā)展方向應包括：波浪發(fā)電裝置承受海浪沖擊及其在大風浪條件下的生存技術，如設計合理轉(zhuǎn)換裝置和錨泊系統(tǒng)、良好的下潛避浪技術；裝置在建造與施工過程中的海上工程技術；防腐技術和防生物附著技術。

5）波浪能發(fā)展的另一新方向是多元綜合利用：波浪能與海上風能、太陽能、潮流能可構(gòu)成綜合能源供應系統(tǒng)，可起到互補的作用，使得整個系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性更好，成本更低；波浪能也可用于提取深層海水和供氧以及改善海水牧場和養(yǎng)殖場的養(yǎng)份；利用波浪能清除海洋污染或者波浪能船舶推進等；利用波浪能進行深海養(yǎng)殖、制氫、海水淡化等綜合研究也是一些新途徑。

總之，盡管目前的波浪能利用還存在許多問題，但隨著相關技術的日益成熟，波浪能一定會在更多領域發(fā)揮作用。

表3　幾種波浪能發(fā)電裝置的優(yōu)缺點及適用場合Tab. 3 Features and appllcable occaslons of dlfferent devlces

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顧煜炯（1968—），男，博士，教授，研究方向為風能及海洋可再生能源的利用。

（編輯黃晶）

Project SuPPorted by SPecia1 Fund for Oceanic Renewab1e Energy Research（GHME2011BL01）；Nationa1 Hi -Tech Research Program（No.SS2012AA052601）；SPecia1 Fund for Basic Research for Centra1 Universities（2014XS31）.

Research Progress of Wave Energy Generatlon Technology

GU Yujiong，XIE Dian，GENG Zhi
（North China E1ectric Power University，Beijing 102206，China）

ABSTRACT：Wave energy is a new kind of c1ean and renewab1e energy，which has attracted the attention of researchers at home and abroad. Re1evant researches have been carried out and obtained some achievements. In this PaPer，the PrinciP1e of various wave energy generating units is introduced，and the advantages and disadvantages of severa1 tyPica1 ocean wave Power generation units are c1assified. Some successfu1 wave energy demonstration Power stations at home and abroad are introduced. Furthermore，in view of the Present situation of strudy both at home and abroad，the PaPer high1ights the future deve-1oPment trend and ProsPect of wave energy generation device.

作者簡介：

收稿日期：2015-06-26。

基金項目：海洋可再生能源專項資金項目（GHME2011BL01）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目（2014XS31）。

文章編號：1674-3814（2016）01-0064-05

中圖分類號：TK01

文獻標志碼：A