[科普中国]-波浪力发电

现状

波浪力是海洋能利用研究中近期研究最多、政府投资项目最多和最重视的一种能源。目前，波浪力开发利用技术趋于成熟，已进入商业发展阶段，将向规模利用和独立稳定发电方向发展。波浪发电是波浪力利用的主要方式，可以为边远海和海上设施提供清洁能源。

自20世纪70年代世界石油危机以来，各国不断投入大量资金人力开展波浪力开发利用的研究，并取得了较大的进展。日、英、美、澳等国家都研制出应用波浪发电的装置，并应用于波浪发电中。我国对波浪力的研究、利用起步较晚，目前我国东南沿海福建、广东等地区已在试验一些波浪发电装置。1

原理波浪力发电原理主要是将波浪力转换为压缩空气来驱动空气透平发电机发电。波浪力的转换一般有三级。第一级为波浪力的收集，通常采用聚波和共振的 方法把分散的波浪力聚集起来。第二级为中间转换，即能量的传递过程，包括机械传动、低压水力传动、 高压液压传动、气动传动，使波浪力转换为有用的机械能。第三级转换又称最终转换，即由机械能通过发电机转换为电能。

发电装置据统计，全世界有近万座小型波浪力发电装置在运行，主要用于航标灯、浮标等。早在1799年法国人吉拉德父子就提出了波浪力装置专利。目前利用海洋波浪发电的方法大致有三种：一是利用海洋波浪的上下运动所产生的空气流，使气轮机转动，从而带动发电机发电；二是利用海洋波浪力装置运动（直线运动、转动）的机械能转化为电能；三是利用波浪力将水引入高位水池积蓄起来，形成一个水头，再来冲击水轮机发电。

1、振荡水柱式波浪力发电装置

振荡水柱波浪力发电装置（Oscillating Water Column，OWC）利用一个与海水相通的气室，波浪作用下气室内的水柱往复运动，气室内空气容积发生变化，进而由空气驱动叶轮，带动发电机发电。优点是能量转换装置（气轮机等）不与海水接触，可靠性较高，缺点是效率较低。

振荡水柱波浪力发电装置包括固定式(Fixed-structure OWC)和漂浮式(Floating-structure OWC)。固定式振荡水柱波浪力发电装置通常被安装于海底或岩石基上，如图所示。固定式振荡水柱装置由一个部分淹没于海底的混凝土或钢结构与自由水平面共同构成一个气室。波浪造成自由水平面的波动，从而使气室内的空气波动，空气流过涡轮机驱动发电机发电。2

该装置发电具有代表性的有：

①英国LIMPET 500，1998年开始建设2000年8月建成，装机功率500kW；

②葡萄牙于1996～1999年建设Pico，装机功率400kW；

③印度于1991年建成Vizhinjam，装机功率150kW。

2、越浪式波浪力发电装置

越浪式波浪力发电装置是利用水道将波浪升至高水位水库形成水位差，利用水位差产生的势能直接驱动水轮发电机发电。挪威波能公司(Norwave A.S)于1986年建造了一座装机容量为350kW的收缩波道式波浪力电站TapChan，见图。电站的技术关键是它的开口约60m的喇叭形聚波器和长约30m的逐渐变窄的楔形导槽。

此外，丹麦科学家Erik Friis-Madsen在20世纪80年代发明了漂浮式波浪力发电装置WaveDragon，西班牙圣地亚哥联合大学将漂浮式波浪力发电装置与船相结合研发了WaveCat波浪力装置。

3、运动式波浪力发电装置

运动式波浪力发电装置利用波浪的运动推动波浪力发电装置的活动部分产生往复运动（直线、转动），驱动机械系统或液压系统，最后驱动发电装置发电。

⑴振荡浮子式发电装置

振荡浮子式波浪力发电装置利用海洋波浪的运动推动浮子产生直线往复运动，驱动机械系统或以油、水等作为中间介质的液压系统，进而带动发电机发电。目前国外已建成的振荡浮子式波浪力发电装置有：加拿大的AquaBuoy装置、荷兰的阿基米德波浪摆、美国的PowerBuoy装置及澳大利亚的CETO，分别见图说明。

⑵点头鸭式发电装置

点头鸭式装置由英国Salter教授发明，如右图。鸭体在波浪作用下绕转动轴往复转动时，装置的后部因为圆弧形，不造出向后行进的波，故点头鸭式装置的背后往往为无浪区——这使得鸭式装置可以将所有的短波拦截下来，所以它具有较高的一次能量捕获效率。

广州能源所从2007年开始了鸭式技术的研发，2009年进行了10kW装置的实海况试验，在此基础上研发出鹰式波浪力发电技术，主要包括三个部分，鹰式吸波浮体、液压能量转换系统和半潜船体，实验室试验测得波浪力到液压能转换效率超过60%，见下图所示。

2012年12月进行10kW“鹰式一号”装置海上试验，2014年5月回收，装置在无人值守的条件下单次无故障连续运行超过6个月。下图为目前正在运行的100kW级“万山号”鹰式波浪力发电装置的结构图。

⑶摆式发电装置

摆式波浪力发电装置发电原理为利用摆在波浪力的作用下作往复摆动从而捕获波浪力量，通过与摆相连的机械结构或液压系统转换将摆的动能和势能转换为机械能或液压能，进而转换为电能。

摆式波能装置也可分为悬挂摆式和浮力摆式两种。日本的度部富治教授最早提出了摆式波浪力发电技术的概念，见图。日本室兰工业大学于1983年建造了世界上首台悬挂摆式波浪力发电装置，其装机容量为5KW。

英国的Aquamarine Power公司和女王大学合作研发的Oyster装置是目前最为成功的浮力摆装置，Oyster的设计工作水深10～15m，离岸约500m，浮力摆铰接于位于海底的基础上，顶部露出平均水面。装机功率315 kW的第一代Oyster装置（下图左）于2009年开始海试(摆宽18m，高12m)，已累计运行6000多小时。目前，AquamarinePower公司正在开发总装机功率2.4MW的大型波浪力电站，拟建3座装机功率800kW的第二代Oyster装置（下图右）(摆宽26m，高12m)，项目建成后将能满足2000多户居民的用电需求。2

我国波浪发电装置专利辽阔的海洋蕴含着巨大的能量，在涨潮落潮的潮汐以及海浪过程中就蕴含着大量的动能，如果将这些动能转变为电能将为人类提供充足的能源。波浪力是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪力具有能量密度高、分布面广等优点，是一种可再生清洁能源。而波浪发电是利用波浪力的主要方式。

我国沿岸波浪力资源理论平均功率约1285万千瓦，具有良好的开发应用价值。我国的波浪发电产业虽然起步较晚，但发展势头良好。微型波浪发电技术已经成熟，小型岸式波力发电技术已经进入世界先进行列。

我国首座波力独立发电系统汕尾100千瓦岸式波力电站于1996年12月开工，2001年进入试发电和实海况试验阶段，2005年首次实海况试验获得成功。该电站建于广东省汕尾市遮浪镇最东部，为并网运行的岸式振荡水柱型波能装置，设有过压自动卸载保护、过流自动调控、水位限制、断电保护、超速保护等功能。

①聚能型浪涌水流发电装置

聚能型浪涌水流发电装置发明专利，可充分利用海洋自然潮汐周期性循环涨、退特性进行发电，可以解决潮汐能和波浪力的机械能转化问题，达到通过发电装置有效提取潮汐潜能量的目的。目前我国对“聚能型浪涌水流发电装置”的市场需求量较大，专利技术存在着广阔的市场空间。

一是随着传统能源日益紧缺，新能源的开发与利用得到世界各国的广泛关注，越来越多的国家采取鼓励新能源发展的政策和措施，新能源的生产规模和使用范围正在不断扩大。

二是《京都议定书》到期后，新的温室气体减排机制将进一步促进绿色经济以及可持续发展模式的全面进行，新能源将迎来一个发展的黄金年代。

三是自《可再生能源法》正式生效后，政府陆续出台了一系列与之配套的行政法规和规章来推动新能源产业发展，我国新能源行业进入发展的快车道。

四是新能源作为国家加快培育和发展的战略性新兴产业之一，将为大规模开发利用新能源提供坚实的技术支撑和产业基础。国家已经出台和即将出台的一系列政策措施，将为新能源产业发展注入动力。

五是随着投资新能源产业的资金、企业不断增多，市场机制的不断完善，“十二五”期间新能源企业将加速整合，我国新能源产业发展前景乐观。

六是我国潮汐能资源理论蕴藏量占世界的3.7%，而可开发潮汐能资源按年发电量计算占世界的34%-44%，可见我国潮汐能资源的可开发程度很高，开发条件比较好。

七是我国对海洋能发电技术的研发设计起步晚，在波浪力利用上，我国与世界各国一样，尚处在试验阶段，本专利技术方案的有效实施弥补了国内外波能发电技术市场的不足，容易实施易于推广。

②漂浮式直驱波浪力发电系统

漂浮式直驱式波浪力发电系统采用直线发电机发明专利，可减少中间传动机构、结构简单、系统转换效率更高。具有系统机构简单、成本低、投放区域广，适合于规模化应用。可直接应用于海洋观测仪器供电系统、军事及民用测试浮标供电系统、独岛供电系统、作业平台供电系统以及大规模并网型海洋能发电系统。并研发了多个功率等级的漂浮式直驱式波浪力发电机及其运行控制系统。

③大型波浪摆式发电装置

波浪发电是海洋能利用的重要方向，我国波浪力资源丰富，开发波浪发电技术，对推动我国海洋能利用具有重要意义。针对我国波浪力技术发展的需求，对摆式装置进行水动力仿真计算优化，并进行相应的模型试验，攻克摆式波浪力发电和海上施工的主要关键技术;研建摆式波浪力摆板、液压、储能、发电输电等完整的波浪力发电系统;建立MW级摆式发电站。1

我国波浪力发电产业化意义我国目前正处于实现工业化和信息化的经济高速发展期,特别是沿海地区,能源需求的急剧增加以成为社会和经济发展的瓶颈。众多海岛 ,在海洋开发和国防建设方面占有重要地位,特别是远离大陆的岛屿 ,依靠大陆供应能源 ,供应线过长 ,且受风浪影响.能源和淡水是海洋资源开发和海防建设活动的基本需求,能源和淡水供应的成本关系到海洋资源开发的成本,因而也就直接影响到海洋资源开发的能力。解决能源和淡水供应问题成为远海资源开发的关键,相对于其它形式的可再生能源 ,波浪力等形式的海洋能易于规划 ,具有较大优势 ,因此建立利用波浪力的独立发电和海水淡化系统大有发展潜力。

据估计,从现在起到未来的 30 年中,平均每 10年我国能源需求总量应增加5亿吨标准煤 ,再过30年或稍长一点时间 ,中国有可能超过美国成为世界第一能源消费大国.我国的化石燃料资源有限,而更多化石燃料的消耗必将造成更加严重的环境污染 ,清除这些污染 ,代价则更为巨大 ,因此不能单纯依靠增加化石燃料的生产来解决.尽管目前在技术成熟程度、规模和价格等方面海洋能与常规能源还难以相提并论 ,但从我国能源长期发展战略和技术储备 ,以及为常规能源难以到达的特殊场合提供能源和综合利用的角度来看 ,加大和加快开海洋波浪力源的开发研究具有重要的现实和战略意义。1

我国波浪力开发适合地域根据调查和统计，我国沿岸波浪力资源理论平均功率为1285.22万千瓦，这些资源在沿岸的分布很不均匀。以台湾省沿岸为最多，为429万千瓦，占全国总量的1/3。其次是浙江、广东、福建和山东沿岸也较多，在160~205万千瓦之间，约为706万千瓦，约占全国总量的55%，其他省市沿岸则很少，仅在143～56万千瓦之间。广西沿岸最少，仅8.1万千瓦。 全国沿岸波浪力源密度（波浪在单位时间通过单位波峰的能量，单位千瓦/米）分布，以浙江中部，台湾，福建省海坛岛以北，渤海海峡为最高，达 5.11～7.73千瓦/米。

这些海区平均波高大于1米，周期多大于5秒，是我国沿岸波浪力能流密度较高，资源蕴藏量最丰富的海域。其次是西沙、浙江的北部和南部。福建南部和山东半岛南岸等能源密度也较高，资源也较丰富。其他地区波浪力能流密度较低，资源蕴藏也较少。根据波浪力能流密度及其变化和开发利用的自然环境条件，应首选浙江、福建沿岸作为重点开发利用地区，其次是广东东部、长江口和山东半岛南岸中段。也可以选择条件较好的地区，如峡山岛、南鹿岛、大骰山、云澳、表角、遮浪等处。这些地区具有能量密度高、季节变化小、平均潮差小、近岸水较深、均为基岩海岸；岸滩较窄，坡度较大等优越条件，是波浪力源开发利用的理想地点，应作为优先开发的地区。2

存在问题今天的波浪力发电装置，无论从零件的设计水平，还是从其工艺制造水平来讲，都是远远优于早期;材料科学的日益更新也为波浪力装置的新材料设计、耐腐蚀及密封等提供了可靠的保证。对于波浪力发电装置而言，波浪力发电技术是

一门集海洋环境科学、流体力学、机电工程、材料学科等多学科于一体的交叉技术，其中仍然包括很多关键技术问题尚待解决，尚未形成自己的理论体系，相关的模型分析及试验研究工作仍需继续进行。

（1）发电成本，据有关专家的计算，现阶段海洋波浪力的发电成本比常规的热发电高出10 倍左右,因此成本问题已经成为普及和大规模利用波浪力发电的最大障碍。只有改进波浪力发电的技术，减小发电成本，才能使波浪力发电真正达到实用化水平，为人们所用。

（2）总效率，我们研究波浪力装置时通常只是在规则的、平稳的造波池中做试验，得出的结论往往并不具有实际操作性和可行性，因为正常情况下海洋的波浪是时刻变化的，波浪力的能量分散不易集中，因此造成装置的发电总效率并不高。此外，目前波浪力发电装置上使用的发电机一般都采用的是通用的小型三相交流发电机，这种发电机并不完全适用在波浪发电装置上使用，这也是造成发电总效率低的原因之一。

（3）工程性，波浪力装置大多是直接放臵在海水中的，海洋环境下台风天气时常发生，台风具有巨大的破坏能力，会损坏波浪力装置，造成装置失效。并且海水具有腐蚀性，装置容易被腐蚀。所以从工程观点来看，理想的、工程性较好的波浪力发电装置的方案应该包括以下三个方面：

①没有水中活动部件；

②总体结构上应有利于抗风浪；

③尽量少的现场施工。但目前似乎还难以找出一个各全其美的方案，这也是波浪力研究中的一个难点。

海洋波浪力发电是一种无污染的、清洁的、可再生的新能源，具有得天独厚的优势，但是要进行大规模地开发利用，还存在一些难点。相信经过我们的努力与奋斗，利用波浪力发电这一新型的方式会普及到人们的生活中去，真正做到为人们的生活、工作谋福利。我国建立波浪力发电系统大有发展潜力，这一技术研究的关键问题是提高转换效率和降低成本。相信在解决这一问题后，波浪力发电产业化前景将一片光明。2

前景海洋能量巨大，合理发开利用，不仅能实现能源的优化配臵，而且能促进节能减排。目前，大规模波浪力发电的成本还难与常规能源发电竞争，但特殊用途的小功率波浪力发电，已在导航灯浮标、灯柱、灯塔等上获得推广应用。在边远海岛，小型波浪力发电 已可与柴油发电机组发电竞争。预计随着化石能源资源的日趋枯竭，技术的进步，波浪力发电将在波浪力丰富的国家占有一定的地位。

波浪力作为一种绿色清洁可再生能源对于人类可持续发展起着重要的作用。中国波浪力资源丰富，建立波浪力发电产业发展潜力巨大且具有重大意义。1