波浪能发电技术研究.docx

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波浪能发电技术研究

波浪能发电前景与国内外发电装置

目前，全球能源需求持续增加，传统能源曰益枯竭，同时大量化石能源的使用又引发了严重的环境污染和气侯问题，这些已成为全球普遍关注的焦点。

据国际能源署预测，2040年全球能源需求增长37%，年平均需求增长1～2%，原油需求量将从2013年的9000万桶/日增加至2040年的10400万桶/日。

21世纪30年代前期中国将超过美国成为全球最大的石油消费国。

2040年与能源相关的二氧化碳排放量将增长1/5，与这一排放量相对应的是，全球平均气温将上升3.6℃。

因化石能源使用而引发的气候异常现象和酸雨等环境问题也呈逐年增多之势。

为有效地解决上述问题，大力开发可再生能源势在必行，也是人类社会实现可持续发展的必要条件。

1、波浪能发电的前景

可再生能源技术是实现全球能源低碳供应的关键要素。

可再生能源，是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的能源，主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、海洋能等可再生能源的使用对环境无害或危害极小，资源分布一般比较广泛，适宜就地开发利用。

与其他能源相比，电力对于减少全球能源结构中化石能源的份额发挥着更重要的作用。

总体而言，到2040年，为应对电力需求的增加，以及替代现有的到2040年要退役的装机容量（约占现役装机容量的40%），需要新建7200吉瓦（GW）的装机容量。

可再生能源占发电比重增加最多的是发达国家，达到37%，发展中国家可再生能源发电量增长两倍多，以中国、印度、拉丁美洲和非洲地区为代表。

为了解决能源问题，越来越多的国家把目光投向占地球表面积71%的海洋。

海洋能一般是指存在于海水中的可再生能源，包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等。

波浪能是海洋表层海水在风里的作用下波动所蕴藏的能量。

全球海洋能理论可再生功率达76600GW。

几种常见海洋能资源的储量见下表，波浪能的实际可开发量较高，为300GW。

各类海洋能的资源储量单位GW

能源种类

理论储量

技术可用储量

实际可开发量

潮汐能

3000

100

30

波浪能

3000

1000

300

海流能

600

300

30

盐差能

30000

3000

300

温差能

40000

2000

100

根据《中国沿海农村海洋能资源区划》，我国沿岸波浪能资源平均理论总功率为12.84GW。

其中台湾省沿岸的波浪能资源最丰富，为4.29GW，约占全国总量的1/3；其次是山东、浙江、福建和广东省沿岸，约为1.61～2.05GW，合计7.06GW，占全国总量的55%，其他省市沿岸则较少，仅在0.14～0.56GW之间。

全国沿岸波能功率密度分布浙江中部、台湾、福建海坛岛以北、渤海海峡和西沙地区沿岸最高，其次是浙江南部和北部、广东东部、福建海坛岛以南、山东半岛南部沿岸，渤海、黄海北部和北部湾沿岸最低。

具体的渤海海峡（7.73kW/m）、台湾岛南北两端（6.21～6.36kW/m）、浙江中部（6.29kW/m）、福建海坛岛以北（5.32～5.51kW/m）和西沙地区沿岸（4.05kW/m），这些地区年平均波高大于1m，平均周期多大于5m；其次是浙江南部和北部（2.76～2.82kW/m）、广东东部（3.62kW/m）、福建海坛岛以南（2.25～2.48kW/m）、山东半岛南部沿岸（2.23kW/m）。

2、国内外波浪能发电装置

据统计，全世界有近万座小型波浪能发电装置在运行，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能装置专利。

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；二是利用海洋波浪能装置运动（直线运动、转动）的机械能转化为电能；三是利用波浪能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。

2.1振荡水柱式波浪能发电装置

振荡水柱波浪能发电装置（OscillatingWaterColumn，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。

振荡水柱波浪能发电装置包括固定式（Fixed-structureOWC）和漂浮式（Floating-structureOWC）。

固定式振荡水柱波浪能发电装置通常被安装于海底或岩石基上，如下图所示。

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。

固定式振荡水柱波浪能装置原理图

该装置发电具有代表性的有：

①英国LIMPET500，1998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。

1940年，振荡水柱装置创始人YoshioMasuda设计的世界上首台漂浮式振荡水柱装置Kaimei在日本海域进行实验。

1987年，日本开始研发另一个漂浮式振荡水柱装置“巨鲸号”MightyWhale波浪能发电船，见下图。

“巨鲸号”MightyWhale波浪能发电船

2003年英国科克大学和OceanEnergy公司合作研发出OEBuoy漂浮式振荡水柱装置，2006～2009年进行1:

4模型海试，装置可经受浪高8.2m极端海况，见下图。

OEBuoy波浪能装置

2005年开始瑞典研制350kW的OWEL，2011年开始进行海试，并开始研制了2MW级OWEL，见下图。

OWEL波浪能装置

到2001年中国开发了一系列振荡水柱（OWC）波能装置，装机容量分别为10W、60W、100W。

现在，大约700台10W振荡水柱装置用于为导航浮标供电。

2.2越浪式波浪能发电装置

越浪式波浪能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（NorwaveA.S）于1986年建造了一座装机容量为350kW的收缩波道式波浪能电站TapChan，见下图。

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。

TapChan波浪能电站示意图

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

2.3运动式波浪能发电装置

运动式波浪能发电装置利用波浪的运动推动波浪能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

振荡浮子式波浪能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能发电装置有：

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，分别见下图说明。

AquaBuoy装置

⑵点头鸭式发电装置

点头鸭式装置由英国Salter教授发明，见下图。

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。

鸭式原理图

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能发电技术，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能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”鹰式波浪能发电装置的结构图。

⑶摆式发电装置

摆式波浪能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能量，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能发电技术的概念，见下图。

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能发电装置，其装机容量为5KW。

悬挂摆结构图

英国的AquamarinePower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315kW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的大型波浪能电站，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。

3、波浪发电设备促海洋能产业发展

海洋能指海洋中所蕴藏的可再生自然能源，主要为潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水温差能和海水盐差能。

广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。

海洋能具有蕴藏量大、可再生性、不稳定性及造价高污染小等特点。

世界海洋能的蕴藏量约为750多亿千瓦，如此巨大的能源资源是当前世界能源总消耗量的数千倍，开发利用潜力巨大，因此利用海洋能发电已经成为国际新能源市场的一大热点。

在我国大陆沿岸和海岛附近蕴藏着较为丰富的海洋能资源，总蕴藏量约为8亿多千瓦，目前尚未得到充分开发。

我国海洋能的现代开发利用始于20世纪50年代末，到70年代末、80年代初，我国海洋能的开发利用有了较大发展，具备了一定的科技和开发基础。

经过不断努力，我国海洋能发电产业稳步增长，海洋能发电“十五”期间平均增长速度为16%左右，“十一五”期间仍然保持良好发展势头。

近年来，我国海洋能开发步伐进一步加快。

山东长岛海上风电场、江苏如东海上示范风电场一期工程开工建设，上海东海大桥海上风电场顺利建成，浙江三门两万千瓦潮汐电站工程、福建八尺门潮汐能发电项目正式启动，海洋微藻生物能源项目落户深圳龙岗……温岭江厦潮汐试验电站是我国最大的潮汐电站，规模位居世界前列。

在能源消费量持续攀升和传统能源日趋紧缺的外部环境影响下，新能源开发利用已经成为大势所趋。

经过多年的技术积累，我国在海洋能开发及相关研究领域已经取得丰硕成果，开发成本不断降低，海洋能产业进入战略机遇期。

我国海洋能资源蕴藏量丰富，再生能力强，海洋能发电产业得到国家政策的鼓励和扶持，投资前景良好。

根据规划，到2020年，我国计划在山东、海南、广东各建1座1000千瓦级岸式波浪能电站，在浙江舟山建设10千瓦级、100千瓦级和1000千瓦级的潮流电站，在西沙群岛和南海各建1座温差能电站。

4、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。

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。

波浪能具有能量密度高、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能的主要方式。

我国沿岸波浪能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。

⑴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能的机械能转化问题，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，在波浪能利用上，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。

⑵漂浮式直驱波浪能发电系统

漂浮式直驱式波浪能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能发电机及其运行控制系统。

⑶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，我国波浪能资源丰富，开发波浪发电技术，对推动我国海洋能利用具有重要意义。

针对我国波浪能技术发展的需求，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，攻克摆式波浪能发电和海上施工的主要关键技术;研建摆式波浪能摆板、液压、储能、发电输电等完整的波浪能发电系统;建立MW级摆式发电站。

5、结束语

综上所述，波浪能具有非常好的开发意义和开发前景，如果开发得当，将成为一种可以提供人类生活生产需要的绿色能源。

从数据上可知，我国的波浪能资源非常丰富，这样得天独厚的天然条件，使我国研究波浪能发电技术具有重要的意义，既可以缓解能源危机的压力，同时也具有现实的经济效益和长远的战略意义。

作者简介：

万占鸿，男，1974年出生，山东菏泽人，2006年博士毕业于浙江大学，曾赴美WoodsHoleOceanographicInstitution访学，现就职于浙江大学海洋学院，副教授，主要从事海洋动力学、船舶与海洋工程、海洋可再生能源等方面的研究和教学工作。

波浪能发电技术与产业化前景

（张斌北京航空航天大学能源与动力工程学院）

摘要:

波浪能是海洋能源中蕴藏最为丰富的能源之一,也是海洋能利用研究中近期研究最多的海洋能源,其开发利用技术已趋于成熟,正在进入或接近于商业化发展阶段。

本文针对海洋波浪能发电技术的技术类型、产业化前景等作了全面综述,介绍了国内外海洋波能发电技术的进展和主要波能装置,同时也分析了我国波浪能研究和利用的必要性及目前存在的相关问题,指出我国波浪能利用对于沿海地区海洋资源的开发有着十分重要的意义。

关键词:

波浪能;波能转换;发电;新能源

Abstract:

Waveenergyisoneofmostrenewableresourcecontainedintheoceanicenergy.Thiskindofoceanicenergyhasalluredthemostattentionsinthefieldofoceanicenergyutilization.Theexploitationandutilizationtechnologyinthefieldofwaveenergyhastendedtomature.Nowitisrunningintoornearcommercialexploitationlevel.Technologytypeofpowergenerationfromwaveenergyanditsindustrializationprospectareintroducedinthispaper.Thedevelopmentofwaveenergyconversiontechnologiesandthemainwaveenergydevicesintheworldarepresented.Inthispaper,thenecessityofwaveenergyresearchandtheproblemsrelatedhavebeenanalyzed.Ithasbeendiscussedthattheutilizationofwaveenergyisveryimportantfortheexploitationofoceanicresourceinthelittorals.

Keywords:

waveenergy;wavepowerconversion;electricitygeneration;newenergyresource

1、绪论

随着世界经济的发展、人口的增加、社会生活水平的不断提高，各国对能源的需求迅速增长。

近年，受化石能源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，作为主要可再生能源之一的海洋能事业取得很大发展，海洋能应用技术日趋成熟，为人类在21世纪充分利用海洋能展示了美好前景。

海洋能指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要有潮汐能、波浪能、海水盐差能和海水温差能。

其中，波浪能以机械能形式出现，是品位最高的海洋能，其能流密度最大，分布最为广泛。

据世界能源委员会的调查显示，全球可利用的波浪能达到20亿kW，相当于目前世界发电能量的2倍。

因此，世界各海洋大国均十分重视波浪能研究利用。

世界上波浪能转换设备开发最早的国家是法国，后来英国、挪威、印度、日本、美国、葡萄牙等国相继开发。

各国都在积极开发研究各种各样的波浪能发电的高新技术，其中以日本和英国两国技术居于世界的领先水平。

日本一直非常重视波浪能发电技术的研究与应用，在波浪能发电技术方面走在世界的前列。

目前日本已建造1500多座波浪能发电装置。

从20世纪80年代中期至今已建成4座岸基固定式和防波堤式波浪能电站，单机容量为40~125kW，其中20世纪80年代初建造的“海明”号波浪能发电船最为著名，总装机容量可达1250kW。

英国具有世界上最好的波浪能资源。

从20世纪70年代开始，英国将波浪能发电研究放在新能源开发的重要位置。

20世纪80年代，英国已成为世界浪能研究的中心。

20世纪90年代初在苏格兰伊斯莱岛和奥斯普雷建成75kW和20MW振荡水柱式和岸基固定式波浪能发电站。

2000年11月，世界上第一个波浪能发电厂在苏格兰伊斯莱岛附近建成并开始商业化运行，英国波浪能发电的开发目标是总容量为2GW的波浪能发电设备。

我国近代的波浪能研究始于1968年,研究波浪能发电最早兴起于上海，为了开发海洋资源、促进经济发展，我国将波浪能发电研究列入了国家重点科技攻关项目，目前从事波浪能发电研究与开发的单位共有十几家，因此波浪能发电技术获得了较快的发展，其中以中国科学院广州能源研究所拥有的水平与成果最为先进。

1984年研制成功航标灯小型波浪能发电装置，在我国沿海海域大面积推广与运用。

1997年在珠海大万山岛建成国内首座3kW的岸式波浪能试验电站。

“九五”期间完成重点科技项目攻关-汕尾100kW岸式波浪能发电电站。

“十五”期间，2002年在海洋波浪能发电关键技术上取得了重大突破，研制的装置可以将随机的波浪能转换成用户能够直接使用的稳定电源，从而为大规模地利用波浪能开辟了新的途径和思考方法。

2008年，中国科学院研制成功了液态金属磁流体波浪能直接发电的原理性演示装置，提出了一种工作原理与常规波浪能发电系统完全不同的新型波浪能发电技术，其实质是系统采用了磁流体发电机，提供了一个与波浪吻合很好的机械阻抗，因此，系统转换效率高，功率密度大，结构紧凑，成本低廉，而且移动性好。

2、波浪能发电技术类型

按国内外波浪能现有装置技术对波浪能能流影响的结果可大致划分为振荡水柱式、点吸收式、消耗式（该类波浪能装置则仅吸收一部分入射波的能量，背浪一侧仍有绕射的波浪）和截止式（该类波浪能装置能巧妙利用自身几何形状避免波浪向后辐射，具有较高的转换效率）四大类，这些以直接从流体介质（海水、空气）中捕获动能为特征的能源机械及其发电系统已成为规模开发波浪能的主流方式。

下面分别对这四类波浪能技术的国内外发展现状进行简述分析。

2.1振荡水柱式波浪能技术

振荡水柱技术是利用一个水下开口的气室吸收波能的技术。

波浪驱动气室内水柱往复运动,再通过水柱驱动气室内的空气,进而由空气驱动叶轮,得到旋转机械能,或进一步驱动发电装置,得到电能（见图1）。

图1振荡水柱式波能装置示意图图2　澳大利亚UisceBeatha波能装置

目前已建成的振荡水柱装置有挪威的500kW岸式装置、英国的500kW岸式装置LIMPET、澳大利亚的500kW离岸装置UisceBeatha（见图2）、中国的100kW岸式装置、日本和中国的航标灯用10W发电装置等。

其中日本和中国的航标灯用10W发电装置处于商业运行阶段,其余处于示范阶段。

振荡水柱技术其优点是转换装置不与海水接触,可靠性较高;工作于水面,便于研究,容易实施;缺点是效率低。

2.2点吸收式波浪能技术

点吸收式（也称振荡浮子式）波浪能技术近年来发展很快，其工作原理是通过浮子的上下浮动从而捕获波浪能量，作为能量传递系统的液压传动或机械装置将波浪能转换成液压能或旋转的机械能，再通过相连的发电机转换成电能或通过其他设备制造淡水或冰。

振荡浮子式波浪能发电装置作为点吸收式波浪能技术的一种成功应用，近年来得到了较快的发展，并成功在商业上应用了此类波能转换系统，为导航设备（如浮标灯）提供电力。

英国AWSoceanEnergy有限公司研制的阿基米德波浪摆装置（图3）由2个相嵌套的圆筒组成，上部圆筒为漂浮的，在波浪作用下上下运动，而下部圆筒固定不动。

美国OPT（OceanPowerTechnologies）公司研制的PowerBuoy波力装置（图4）通过控制浮力，控制能量的吸收。

2006年2月，OPT公司在英国北部Cornwall对该装置进行第六次试验。

2007年2月获得联邦能量结构委员会（FERC）批准，建立50MW示范装置场。

2007年10月OPT公司获得美国海军190万美元的资助，在夏威夷安装PowerBuoy装置系统。

图3AWS振荡浮子式波能装置图4PowerBuoy点吸收式波力装置

振荡浮子式的主要优点是其建造方便，投放点机动灵活，缺点是其水动力学性能不佳，装置前面的反射波很大，装置背后的波浪能仍然很大