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《能源與環境雜志》2014年第三期

1波浪能發電技術

1.1波浪發電的原理波浪發電的原理主要是利用波浪運動的往復力、浮力產生動力或位能差。利用海洋波浪發電的方法大致有3種：①是利用海洋波浪的上下運動所產生水流或空氣流，使水（氣）輪機轉動，從而帶動發電機發電；②利用海洋波浪裝置的前后轉動或擺動產生水流或氣流，使水（氣）輪機轉動，從而帶動發電機工作，產生電；③將低壓大波浪變為小體積的高壓水，然后把水引入高位水池積蓄起來，使它形成了水位的高度差，再來沖動水輪發電機發電［2］。

1.2波浪能發電技術的分類波浪能發電是通過波浪能裝置將波浪能轉換為往復機械能，再通過動力攝取系統轉換成所需的動力或電能。現有的波浪利用技術有很多種型式，按結構形式可分為振蕩水柱式、擺式、越浪式、筏式、鴨式、點吸收式等幾種形式，介紹如下。（1）振蕩水柱式。振蕩水柱式波能裝置是最普通的海洋波浪能轉換器。其工作原理是利用1個與海水連通的容器裝置，通過波浪作用，驅動氣室內水柱作往復運動，使得水面位置發生變化，引起容器內的空氣體積變化，通過壓縮容器內的空氣產生作用力驅動葉輪工作，帶動發電裝置發電。振蕩水柱波能裝置的優點是相對脆弱的機械部分只與往復流動的水流或空氣流接觸，不與海水接觸，防腐性能好；通過氣室將低速波浪能量轉換成高速運動的氣流，傳遞方便，安全可靠，故障少、維護方便。其缺點是轉換效率低，建造費用高。（2）擺式。擺式波能發電是商用波浪發電的重要方式。其工作原理較為簡單，即利用海洋波浪的運動推動機械擺發生轉動或擺動，將波浪能轉化為機械能。與機械擺相連的通常是液壓裝置，它將機械擺的機械能轉化成液壓泵的機械能與液壓能，再驅動發電機發電。擺式波浪能轉換裝置具有頻率響應范圍寬、結構簡單易制造、可靠性好、建造費用相對較低、常海況條件轉換效率高等許多優點；不足是機械部分與海水接觸極易損壞、不易維修、轉換效率較高但不穩定、可靠性差。（3）越浪式。越浪式波浪能量轉換裝置在進行波浪能轉換時，通常有2個轉換過程：首先將波浪能轉化為可供渦輪電機運行的機械能，實現能量的1次轉換過程；然后通過渦輪電機將機械能轉化為電能進行輸出，實現能量的2次轉換過程。其優點是裝置活動部件較少，整體穩定性較高，可靠性好，波浪能量轉換效率較高，維護費用較低，在大浪時系統電力輸出穩定；不足之處是小浪下的系統轉換效率較低。（4）筏式。筏式波浪能發電裝置利用海洋波浪筏通過鉸鏈互相鉸接在一起，組成波浪能量轉換系統（通常是液壓的），轉換系統置于每一個鉸接處，波浪的運動使波面筏沿著鉸接處彎曲，從而反復壓縮液力活塞并輸出機械能。當裝置的固有頻率與波浪的頻率接近或相一致時，即形成共振，裝置的輸出效率最高。筏式技術的優點是波浪筏之間僅有角位移，即使在大浪下，該位移也不至于太大，故抗風浪性能較好；缺點是裝置順浪向布置，單位功率下材料的用量比垂直浪向布置的裝置大，可能造成裝置成本較高。（5）鴨式。鴨式波浪能發電裝置的得名是由裝置的形狀和運行特性類似鴨的運動，波浪入射波的運動使得動壓力推動轉動部分繞軸線旋轉，流體靜壓力的改變使浮體部分作上下往復運動，動能和位能同時通過液壓裝置轉化，再通過液力或電力系統把動能轉換為電能。其優點：轉換效率較高，調節鴨身質心可以使其自有頻率與波浪運動頻率相同或者接近，從而形成共振，可以達到最大的轉換效率；缺點：裝備復雜從而造成可靠性較差，尤其在惡劣的海洋環境下，裝置極易損壞。（6）點吸收式。點吸收式波浪能發電裝置是目前發展較好的波浪能轉換裝置。該技術采用浮子捕獲波浪能，通過浮子連接的液壓裝置將波浪能轉化為液壓能，再通過發電機工作輸出電能。點吸收裝置的優點是捕獲波浪能效率以及轉換效率均較高；浮子制造的成本相對較低；能量易收集，可以多個裝置組合成大規模發電系統。不足是抵抗極端天氣的能力差。

2波浪能發電技術的研究現狀

波浪能的利用最早可追溯到1799年的法國人吉拉德父子的波浪能機械發明專利，但那時的波浪能研究主要在波浪能轉換裝置的發明上，真正實用的波能發電裝置較少。1955年世界上首臺波浪能發電機組產生后，越來越多的專家學者都致力于波浪能發電技術的深入研究。20世紀70年代，許多海洋國家積極開展波浪能開發利用技術，取得了較大的進展。英國對波浪能的研究十分重視，英國致力于威爾斯氣動透平的利用、原型波力發電機組、導航浮標波力透平發電機組及小型波能轉換器［4］等研究，它的波浪發電技術居世界領先水平。日本由于是個島國，國土狹小，資源緊張，因此對波浪能研究和開發也相當活躍，開展的波浪能研究項目有：海明號波能發電船、擺式波能裝置、導航用波力發電裝置等；波浪能轉換技術實用化方面走在了世界前列。挪威主要對波浪發電裝置的理論設計做出了貢獻，提出了相位控制原理和喇叭口收縮波道式波能裝置等。瑞典在上世紀80年代進行了30kW軟管泵原型裝置的現場試驗，并在西班牙大西洋岸外建了1座1000kW的波力示范電站。據不完全統計，已有28個國家（地區）研究波浪能的開發，建設了上千臺大小波力電站，總裝機容量超過80萬kW，其建站數和發電功率分別以每年2.5%和10%的速度上升［4］。我國對波浪發電的研究自20世紀70年代開始。對波浪能發電的研究最早是在上海興起的，我國將波浪能開發技術研究確定為國家重點科技項目，將波浪能的開發研究提高到國家的層面，以推進對海上波浪能資源的開發利用，努力實現可持續發展的目標。1984年廣州能源研究所成功設計開發了應用在航標燈上的小型波浪能發電裝置，并大批應用到了我國沿海海域的航標燈上；20世紀末期開始研制30kW擺式波力電站和100kW岸式波力電站。總之，我國波浪發電研究雖然起步較晚，但在國家科技攻關技術、“863”計劃支持下，發展迅速。微型波浪發電技術已經成熟，并已商品化，小型岸式波浪發電技術也已進入世界先進行列。但是中國波浪發電裝置示范試驗的規模遠小于挪威和英國，試驗的開發方式類型遠少于日本，且小型裝置距實用化還有一定距離，裝置運行的穩定性和可靠性等還有待提高。

3發展趨勢

海洋波浪能資源豐富，能流密度較大、分布最廣的能量。如何能夠高效地收集大面積的波浪能，并集中轉化為機械能，再將其轉換成電能，是一個集合機械、物理、力學、防腐、海洋科學等多領域的難題。因此，盡管人們很早就致力于對它的開發利用。但目前這方面的技術還不純熟，海洋波浪能研究和利用處于試驗研究階段，很多實驗裝置在海上進行實驗，也有一些裝置正在試運行發電。波浪能發電技術還處于發散狀態，存在各種技術沿著不同方向發展，但發展趨勢是不斷地向高效率、高可靠性、低造價方向發展，以形成低成本的成熟技術，最后通過規模化生產和應用，可大幅降低發電成本。多元化和綜合利用是波浪能發電技術的另一新動向。結合防波堤等港工和海工設施建造波浪電站，為波能利用開辟新途徑。波浪電站的建立可以結合海上工程進行，波浪發電的成本大幅度下降。電站的吸收能作用，可以減輕作用在海工建筑的波浪載荷，增加可靠性。多種可再生資源利用的結合有發展空間：如波浪能與太陽能、風能和海洋熱能的綜合利用；波浪能提取深層海水和供氧以及改善海水牧場和養殖場的養分；利用波浪能清除海洋污染；波浪能海水談化、制氫、提取海洋中的貴重元素等。雖然波浪能發電技術還有很多的技術難題，但在相關高技術后援的支持下，海洋波浪發電技術日趨成熟，為人類在新世紀充分利用波浪能展示了美好的前景。

作者：陳韋余順年詹立壘鐘啟茂單位：集美大學機械與能源工程學院