海洋發(fā)電原理及發(fā)展

包佳瑞琪　馬鑫

摘 要：海洋占據(jù)著大部分的地球面積，海水存在著巨大的能量。在能源日益短缺和能源環(huán)境問題頻現(xiàn)的今天，如何更好的發(fā)掘海洋能源成為一個(gè)有意義的課題。文章主要介紹了海洋能源開發(fā)的現(xiàn)狀，提出了海洋能源轉(zhuǎn)化的幾種常見的方式，提出了海洋能源利用的廣闊前景。

關(guān)鍵字：海洋能源；發(fā)電；關(guān)鍵技術(shù)

目前來說，為了解決日益迫切的能源需求，人類必須增加能源供應(yīng)量，隨之而來的是環(huán)境問題以及能源短缺問題。為了解決這些問題，人們把目光轉(zhuǎn)移到了新能源范圍，包括：太陽能、風(fēng)能、核能、地?zé)豳Y源等，其中海洋占據(jù)了地球71%的面積，集中了地球上97%的水量，蘊(yùn)含著巨大的能源.海洋能源主要指的是海洋中依附于海水所特有的可再生能源，例如潮汐能、溫差能、潮流能、海流能、波浪能和鹽差能等，其中波浪能是品位最高的海洋能。隨著海洋開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，海洋成為能源開發(fā)的熱點(diǎn)。

1 海洋能源開發(fā)狀況

據(jù)國外研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)全世界的波浪能儲(chǔ)量理論值約為百萬kW量級(jí)，是現(xiàn)階段全世界發(fā)電量的數(shù)百倍。海洋能源利用有非常廣闊的應(yīng)用前景，成為了世界各國海洋能開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。我國雖然也是海洋面積大國，但是海洋資源開發(fā)利用還處于研究試驗(yàn)和起步階段。國內(nèi)有兩個(gè)典型的海水波浪發(fā)電電站，從1986年開始在珠江口大萬山島建設(shè)了一個(gè)3kW波浪電站，隨后通過幾年改造將該電站改造成20kW的發(fā)電站。這個(gè)電站有自身的優(yōu)點(diǎn)，為了抗擊臺(tái)風(fēng)影響，該電站設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有破浪椎的過渡性氣室和氣道，將機(jī)組提高海面上約16米高處，大大減小了海浪對(duì)機(jī)組直接打擊。另外電站的發(fā)電裝置采用變速恒頻發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，發(fā)電比較平穩(wěn)。從1996年試發(fā)電，初步試驗(yàn)結(jié)果表明，20kW波力發(fā)電機(jī)平均輸出公率為5kW，峰值功率可達(dá)15kW，總能量平均俘獲寬度比在20%一40%，這個(gè)轉(zhuǎn)化率是優(yōu)于日本、英國和挪威的同類電站[1]。另外一個(gè)為廣州能源研究所在廣東汕尾市遮浪研建lOOkW波力電站，是一座與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的岸式振蕩水柱型波能裝置，該電站的特點(diǎn)是設(shè)有過壓自動(dòng)卸載保護(hù)、過流自動(dòng)調(diào)控、水位限制、斷電保護(hù)、超速保護(hù)等功能。所有保護(hù)功能均在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行自動(dòng)進(jìn)行，大大減小了人工干預(yù)，使波浪能發(fā)電。

西方國家在利用海洋能源發(fā)電方面的探索更早，英國早在1990年和1994年分別在蘇格蘭伊斯萊島和奧斯普雷建成了75kW和2萬kW振蕩水柱式和固定式岸基波力電站。由英國國家工程實(shí)驗(yàn)室研制的渦形中空風(fēng)箱泵式海浪發(fā)電機(jī)，在蘇格蘭的奧特希萊外海上安裝發(fā)電，裝機(jī)容量達(dá)1.1萬kW。世界上第一臺(tái)商用波浪發(fā)電機(jī)已于1995年8月在英國克萊德河口海灣開始發(fā)電，裝機(jī)容量2000kw。英國500kw岸式波能裝置于2000年11月在蘇格蘭Islay島建成，站址處波能功率密度為25kW/m。目前已經(jīng)發(fā)電上網(wǎng)[2]。

日本對(duì)海洋能源轉(zhuǎn)化的研究也十分活躍，其特點(diǎn)是著重波浪技術(shù)的開發(fā)。目前開展的波浪能研究項(xiàng)目有：海明號(hào)波力發(fā)電船、60kW防波堤式電站、擺式波能裝置、40kW岸式電站、“巨鯨”漂浮式波力發(fā)電裝置、氣壓罐式波力發(fā)電裝置、導(dǎo)航用波力發(fā)電裝置等，其中海明號(hào)是世界上最著名的波力發(fā)電裝置?！熬搛L”漂浮式波力發(fā)電裝置的第一期工程于1995年底完成，該裝置既可以發(fā)電.又可凈化海水，還有消波避風(fēng)港的能力。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界已有20多個(gè)國家（地區(qū)）研究波浪能的開發(fā)，建設(shè)大小波力電站上千座，總裝機(jī)容量超過80萬kW，其建站數(shù)和發(fā)電功率分別以每年2.5%和10%的速度上升。

2 海洋能源利用方式

海洋發(fā)電的典型裝置波浪能開發(fā)利用的主要方式是海浪發(fā)電，通過研究發(fā)現(xiàn)，開發(fā)利用波浪能的裝置形狀各異，種類繁多數(shù)不勝數(shù)，這些裝置主要是根據(jù)以下幾種機(jī)理研發(fā)的：即利用物體在波浪作用下的振蕩和搖擺運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量；利用波浪壓力的變化所產(chǎn)生的能量或利用波浪的上升將波浪能轉(zhuǎn)換成水的勢能。波浪能發(fā)電裝置雖然種類繁多，但真正走出實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)逐步接近實(shí)用化水平，被認(rèn)為最具有應(yīng)用價(jià)值的包括：振蕩水柱式、鐘擺式裝置、筏式裝置、收縮波道裝置、振蕩浪涌轉(zhuǎn)換裝置、鴨式裝置等。

2.1 振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置

該轉(zhuǎn)換裝置根據(jù)振蕩水柱設(shè)置的方式分成固定式和漂浮式。 固定式又分為近岸式和離岸式兩種，裝置建造在岸邊的稱為近岸式 建造在海里的稱為離岸式。振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)主要包括港道、氣室、 風(fēng)道及渦輪機(jī)。工作原理為在入射波浪的作用下，氣室內(nèi)的水柱受力發(fā)生振蕩，使水柱上方的空氣往復(fù)地推動(dòng)風(fēng)道，從而使渦輪機(jī)產(chǎn)生機(jī)械能進(jìn)行發(fā)電。

2.2 擺式波能轉(zhuǎn)換裝置

該裝置的原理是在波浪的推動(dòng)下，將波浪能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或勢能，再利用裝置的運(yùn)動(dòng)部件直接對(duì)外做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。裝置包括水室擺板結(jié)構(gòu)、機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、發(fā)配電設(shè)備三個(gè)部分。其中提高水動(dòng)力與機(jī)械能轉(zhuǎn)換效率是該裝置研究開發(fā)的重點(diǎn)[3]。

2.3 振蕩浮子式轉(zhuǎn)換裝置

振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置是現(xiàn)階段比較典型的轉(zhuǎn)換裝置，主要有英國Awsocean Energy公司研制的阿基米德波浪擺裝置，丹麥的Wavestar裝置，美國的Power Buoy波力裝置，瑞典的Aqua buoy以及我國的50kW岸式振蕩浮子式波浪能電站等。振蕩浮子式裝置的結(jié)構(gòu)主要是電磁轉(zhuǎn)換器隨著浮子運(yùn)動(dòng)吸收能量，通過電磁轉(zhuǎn)換器將波浪能轉(zhuǎn)換成電能。

2.4 收縮波道式波能轉(zhuǎn)換裝置

該裝置的原理是基于聚波理論研發(fā)出來的。聚波理論最早是由來自挪威的Budal和Falnes兩人提出。該裝置具有一個(gè)高位水庫和一個(gè)收縮波道。收縮波道是兩道呈對(duì)數(shù)螺旋形狀的正交曲面，用鋼筋混凝土做成，兩道墻在高位水庫內(nèi)相接，從海里一直延伸到高位水庫。當(dāng)波浪進(jìn)入收縮波道時(shí)產(chǎn)生聚波作用，增大波浪的高度越過鋼筋混凝土墻進(jìn)入高位水庫。然后通過一個(gè)低水位的水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

3 前景展望

海洋能有著能量大、可再生、不污染等特點(diǎn)，利用波浪能發(fā)電是其中很有應(yīng)用前景并最為可實(shí)現(xiàn)的一種。對(duì)于波浪能源的開發(fā)來說，波浪能利用方面，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括：波浪聚集與相位控制技術(shù)。波能裝置的波浪載荷、裝置在海洋環(huán)境中的使用時(shí)間；波能裝置建造與施工中的海洋工程技術(shù)；不規(guī)則波浪中的波能轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)行優(yōu)化；波浪能的穩(wěn)定發(fā)電技術(shù)和獨(dú)立發(fā)電技術(shù)等[4]。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊焰，我國海洋可再生能源開發(fā)利用發(fā)展思路研究[J].海浪技術(shù)， 2009 （2）：106-110.

[2] 聶宏展，張明，申洪，等.波浪能發(fā)電及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J].華東電力，2013，41（1）：190-195.

[3] 方紅偉，程佳佳，劉飄羽，等.浮子式波浪發(fā)電控制策略 研究[J].沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（1）：30-34.

[4] 任典勇，施慧雄.海島風(fēng)能海水淡化組合體系研究[J].海洋學(xué)研究，2009（2）：111-118.