[科普中国]-点吸收式波浪能发电装置

简介

通过分析波浪能利用背景，点吸收式波浪能发电技术是波浪能开发利用的一种重要方式。以安装位置、能量传递方式和振荡浮子个数对点吸收式波浪能发电装置进行了分类。结合研究现状，对各类点吸收波浪能收集、转化和传递方法及其应用的优缺点进行了综合比较和分析。结果表明:安装于离岸1025 m处，以多个振荡浮子组成的浮子阵列为能量摄取机构，以液压或直线电机为能量传递方式是目前点吸收波浪能发电技术的研究热点，在波浪能利用领域具有广阔的发展前景2。

波浪能是一种清洁的海洋可再生能源，由于具有绿色环保和储量丰富的特点，日益受到科研工作者的广泛关注。至2011年，全世界已经了超过4 000种波浪能转换技术f3-51。根据查询中国知识产权网数据库，1980年后至2014年期间，中国公开的波浪能发电相关专利技术已达到1 086件，而在欧洲仅2009年就有超过1 000件与波浪能转化相关的专利技术公布。波浪能开发技术的研究目前处于加速发展的趋势。

按照波浪能俘获收集方法，可将其分为振荡水柱式、筏式、摆式、鸭式、越浪式和点吸收式等类型吼点吸收式波浪能俘获技术主要利用振荡浮子在波浪力作用下的升沉运动收集波浪能，由于具有转化效率高、建造难度小、投资成本少、不受波浪方向影响等优点，受到了广泛的重视。对的157种波浪能发电装置进行统计分析，发现点吸收式技术研究占比为46.3%，远超过其它类型，如图1所示。目前，点吸收式作为其中研究最多、最具特色的一种波浪发电技术，还未见有进行过有针对

点吸收式波浪能技术的研究现状分类方法可按照其安装位置分为沿岸式、近岸式和离岸式;按照波浪能转化传递的方式可将其分为机械式、水压式、液压式、直线电机式、压电式和磁流体式等;按照同一套装置具有振荡浮子个数将其分为单点式、组合式和阵列式。

安装位置的分类与比较按照安装位置可将点吸收式波浪能发电装置分为沿岸式、近岸式和离岸式6。沿岸式装置是指可安装在海岸边或固定在高于海平面的防波堤和岩石上的波浪能发电装置，其优势在于离陆地近，便于安装与维护，不需要锚定装置和较长的电能输送电缆;但是一般该位置波浪能资源不太丰富，而且会对岸上环境造成影响。近岸式装置一般是安装在1025 m水深处，即可漂浮在海面上也可附着于海底，目前大多数点吸收式波浪能发电装置属于近岸式装置。离岸式装置一般是指安装在水深超过40 m的深海处的波浪能装置，此处的波浪资源丰富，但由于远离陆地，设备的安装和维护比较困难，而且需要较长的海底电缆将能量输送到陆地。

机械式点吸收机械式波浪发电装置一般在振荡浮子上连接齿条、绳轮或连杆吸收波浪能，然后利用超越离合器、棘轮、齿条或链轮等设备，将浮子的上下升沉运动转化为旋转轴的单向旋转运动，利用增速齿轮箱将转速提高，采用飞轮蓄能，最后驱动发电机发电。机械传递装置具有能量传递效率高(可达90%、结构简单、造价较低等优点，但同时也有易被海水腐蚀、维护成本较高、不容易实现控制调节的缺点。 2006年美国的浮动轮式点吸收波浪能发电装置原理示意图。该装置的浮子上直接连接滑动轮，系泊绳通过滑动轮，一端连接较小配重，另一端固定于海底。当浮体随波浪上下沉浮时，配重也在上下垂荡，从而带动系泊绳驱使滑动轮转动，滑动轮连接交流发电机输出电能。图日本研制的绳轮一棘轮式点吸收波浪能发电装置原理图。该装置通过绳索的张紧力和浮子与配重的重量差发电，浮子通过绳轮连接到转动式发电机上。当浮体上升时，绳轮按顺时针方向转动，当浮体下落时，绳轮转动方向相反，绳轮的往复转动通过棘轮装置转化为单向转动后带动发电机发电。

山东大学于2013年的一种浮体绳轮式波浪能发电装置，由重力锚、拉绳、导绳器、发电机组、阻性负载、圆柱浮体等构成，拉绳一端系于海底的重力锚上，另一端经导绳器缠绕在发电机组的卷筒上，当波浪推动浮体上升时，拉绳拖动卷筒旋转，卷筒直接驱动低速同步永磁交流发电机发电;当浮体随波浪下降时，卷筒在电机内置卷簧的作用下实现自动收绳，由于卷筒与电机轴之间装有超越离合器，卷筒回转时电机转子并不旋转，浮体在下降过程中不发电，因此具有半波发电特征。

水压式点吸收水压式波浪能发电装置一般包括三级能量转化过程，其工作原理是首先通过振荡浮子带动软囊或活塞等装置将波浪能转换成高压海水的压力能，高压海水驱动水轮机旋转，水轮机再带动发电机发电。

如图6为IPS Buoy水压式波浪能发电装置，图中A为振荡浮子，加速管B两端开放，C为活塞，D为水轮机。浮子A随波浪上下运动，驱动活塞C垂直运动，活塞C挤压加速管内部的水柱，被排出的水柱驱动水轮机D旋转，并带动发电机发电。

液压式点吸收液压式波浪能发电装置主要利用液压缸、蓄能器、液压马达等液压装置传递其波浪能量，也包括三级能量转化过程，首先浮子吸收波浪能，然后驱动液压缸活塞往复运动，转化为液压油的液压能冲击液压马达单向旋转，带动旋转电机发电。美国的Electric Buoy、爱尔兰的Wave Bob、瑞士的Ocean Harvest等点吸收式波浪能发电装置均采用液压传递波浪能。

直驱式直驱式点吸收波浪能发电装置主要发电设备为直线发电机。振荡浮子和永磁直线电机的动子连接为一体，能最大限度地提取波浪能lA。图13 a所示，其原理是在波浪力的作用下，振荡浮子跟随波浪做上下的往复运动，从而使得直线电机的动子跟定子之间产生相对运动，切割磁力线，完成由波浪能向电能的转换过程。相比旋转发电系统，直驱式波浪发电系统将波浪能直接转换为电能，不需要中间转换装置，具有结构简单、转换效率高等优点。

图13 b)所示美国俄勒冈州立大学的波浪能非接触转换装置L-10原理图，该装置了非接触转换概念，利用永磁铁和金属之间的非接触作用力，通过滚珠丝杠和滚珠螺母将直线运动转化为旋转运动，带动永磁直线发电机产生电能。该装置额定功率10 kW的原型样机2008年9月在俄勒冈州纽波特进行了海试，其浮子直径为3.5 m，装置高6.7 m，装置效率超过50%;

点吸收式波浪能技术的发展趋势点吸收式波浪能发电装置种类繁多、日趋多样化，许多国家建立了实海况样机来测试装置的性能，并已有多座应用该技术的波浪能示范电站建成。点吸收式波浪能发电装置的研究涉及到复杂的海洋环境、相关系统的控制理论、海洋结构物的稳定性、可靠性等问题，未来发展趋势和重点研究的内容如下:

1早期的点吸收式波浪能发电技术涉及的只是专利申请和理论研究，装置样机在实际海洋环境中运行的较少。目前，越来越多海试样机已投入实际海况中运行，通过实海况试验研究装置的结构性能、发电效率、安全性等问题。

2由于涉及到复杂的海洋波浪和结构物间的作用，所以通过理论和仿真方法分析装置结构和性能，并在此基础上进行试验测试。这种理论计算结合模型试验和实海况测试的研究方法已经成为一种趋势。

3目前大多数波浪能发电装置为小规模单点式装置，输出功率仍在千瓦级以内。只有向大规模化与综合化发展，波浪能利用技术才能实现更好的商业化利用。因此，同时具有多个振荡浮子的阵列式波浪能发电装置，或将多个单点吸收式波浪能装置以阵列形式布放形成大规模波浪能发电厂，可使得波浪能发电装置装机容量达到百万瓦级，降低发电成本，提高发电效率。此外，未来综合利用几种采集波浪能原理的装置或者与太阳能、风能发电装置相结合将会更有利于波浪能相关装置的规模化并网利用。

4面对复杂海洋环境，如何把波浪能有效地转换成机械能，进而产生稳定、高效的电能是海洋波浪能技术领域的研究重点。通过控制策略的引入，对海洋环境因素进行反馈，将是未来点吸收式波浪能发电装置能否投入实际应用的关键。可通过相位控制技术、智能控制算法、负反馈控制等方式来提高点吸收式波浪能装置的发电效率和发电稳定性。

5如何提高在极端海洋条件下点吸收式波浪能装置的生存能力也是未来研究的重点内容。研制具有高可靠性(抗台风、耐腐蚀)、低造价的海洋波浪能发电装置，是世界各海洋国家不懈追求的目标。

6点吸收式波浪能装置不仅可为海面、水下及海岛的各种监测仪器、水下采矿系统、水下机器人、海上军事设施、海上平台等提供电力，还可开发点吸收式波浪能装置直接驱动的海水淡化技术，提高波浪能综合应用的能力，解决我国淡水资源严重缺乏的问题。

综上所述，点吸收式波浪能发电技术是波浪能开发利用装置中研究最多的一种。从安装位置上看，大多数点吸收波浪能发电装置属于近岸式。就波浪能传递技术比较而言，机械式传递效率高，但维护成本较高，不容易实现控制调节;水压式对环境无污染，但缺点是传递效率相对较低，所捕获的波浪能能量密度小;液压传递方式技术成熟，便于控制，但液压式装置可能泄漏液体及污染海水。直驱式波浪能转换装置直接把波浪能转换成电能，只需要一级能量转换，省略了二级能量转换所带来的费用、维护和能量损耗，具有可靠性高及维护成本低的优势;磁流体式具有直驱式的优点，但仍处于实验研究阶段。因而，现阶段利用液压设备和直线电机更有利于波浪能量传递。与单点吸收式波浪能装置比较，组合式与阵列式点吸收波浪能装置可同时利用多个振荡浮子收集波浪能，大规模发电，波浪能收集也更为连续、均匀。

因此，安装于离岸1025 m处，以多个振荡浮子组成的浮子阵列为波浪能量摄取机构，液压或直线电机为波浪能量传递方式的波浪能装置已经成为点吸收波浪能开发利用技术的主流和热点。