波浪能發電技術的研究現狀與發展前景

劉延俊，賈　瑞，張　健

（1.山東大學 機械工程學院 高效潔凈先進制造教育部重點實驗室，山東　濟南　250061；2.山東大學 海洋研究院，山東　濟南　250100）

波浪能發電技術的研究現狀與發展前景

劉延俊1,2，賈瑞1，張健1

（1.山東大學 機械工程學院 高效潔凈先進制造教育部重點實驗室，山東濟南250061；2.山東大學 海洋研究院，山東濟南250100）

海洋波浪能由于具有可再生、綠色環保和儲量豐富的特點，已經引起越來越多國家的重視。文中介紹了波浪能的定義、成因和特點，對波浪能發電裝置進行分類總結，闡述各類裝置工作原理及特點?；谏鲜隹偨Y，分析了波浪發電裝置需要解決的問題，對世界波浪能發電裝置發展進行展望。

波浪能；波浪能發電裝置；研究現狀；發展前景

隨著世界經濟的發展，人類對能源的需求日益增長。但隨著傳統能源的日益短缺，能源問題逐漸成為世界性問題。為了解決能源供應在社會發展中所遇到的瓶頸問題，尋找可替代、可再生、清潔的新能源已成為全球各國的共識。而海洋占據地球表面積的71%，蘊藏著儲量巨大的可再生能源，主要包括海洋風能、潮汐能、波浪能、海流能、溫差能和鹽差能等[1]。其中海洋波浪能在海洋中無處不在，洶涌澎湃的海洋波浪蘊藏著極大的能量。據估算，全世界波浪能的理論值約為109kW量級，是當今世界發電量的數百倍[2]。波浪能由于具有可再生、綠色環保和儲量豐富的特點，日益受到世界許多國家的重視。

1　波浪能簡介

波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面的寬度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源。波浪能是由風把能量傳遞給海洋而產生的，它實質上是吸收了風能而形成的。能量傳遞速率和風速有關，也和風與水相互作用的距離（即風區）有關。水團相對于海平面發生位移時，使波浪具有勢能，而水質點的運動則使波浪具有動能。貯存的能量通過摩擦和湍動而消散，其消散速度的大小取決于波浪特征和水深。深水海區大浪的能量消散速度很慢，從而導致了波浪系統的復雜性，使它常常伴有局地風和幾天前在遠處產生的風暴的影響。波浪可以用波高、波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波周期（相鄰的兩個波峰間的傳播時間）等特征來描述。

波浪能作為一種可再生能源，相比于其他可再生能源（風能、太陽能），具有以下優點：①波浪能在可再生能源中具有最高的能量密度[3]；②波浪能開發利用中產生很小的負面環境影響[4]；③波浪傳輸很長的距離，而其能量的損失卻很??；④波浪能利用設備可以在90%的時間內運行，而風能利用設備和太陽能利用設備只有約20%～30%的時間可以運行[5]。

2　波浪能發電技術

波浪能利用裝置的種類繁多，有關波浪能裝置的發明專利超過1 500種，大部分的發明專利在日本、北美和歐洲申請。但這些裝置均是源于幾種基本原理，即：利用物體在波浪作用下的振蕩和搖擺運動；利用波浪壓力的變化；利用波浪的沿岸爬升將波浪能轉換成水的勢能等。

按照位置分類，波浪能發電裝置可分為：岸線波浪能利用裝置、近岸波浪能利用裝置和離岸波浪能利用裝置。按類型分類，波浪能發電裝置可分為：消耗式、截止式和點吸收式。

本文按照裝置的工作原理的不同，介紹波浪能發電裝置的研究現狀。

2.1擺式消耗型波浪能發電裝置

擺式消耗型波浪能發電裝置的原理是：在波浪的推動下，使裝置的浮力擺隨著波浪的運動而來回擺動從而產生動能，經液壓缸加以收集后，再由設置在岸上的發電機轉換為電能。芬蘭AW-Energy公司總結發明并研制出全球第一臺利用海底波浪動能來發電的裝置——WaveRoller，如圖1所示。2007年在葡萄牙Peniche對WaveRoller進行了海試試驗[6]。由于隨著水深的增加，流體質點速度逐漸減小，故這類裝置只能安裝在淺水區域。這類裝置采用水下安裝，建造成本較高，維護也較困難。

圖1　WaveRoller

2.2擺式截止型波浪能轉換裝置

擺式截止型波浪能發電裝置是利用裝置的運動部件，在波浪的推動下，通過擺體作前后或上下擺動，將波浪能轉換成擺軸的動能,如圖2所示。擺式截止型發電裝置的液壓部件一般是與裝置的擺體的軸相連接，將擺體動能轉變為液壓力，用來發電。擺體的鐘擺式規律運動符合波浪推力大和頻率低的特點[7]。因此，擺式截止型波浪能發電裝置轉換效率較高，頻率響應范圍寬，結構簡單易制造。但由于設備處于海洋環境中，裝置內機械、液壓等部件容易損壞，維修難度較大，成本較高。

圖2　擺式截止型波浪能發電裝置示意圖

2.3漂浮式擺式消耗型波浪能轉換裝置

此類型裝置是完全封閉的，浮動窗體內部有一個可以移動的質量體，當波浪作用在移動船體上時，移動船體和其內部的移動質量體開始做相對運動，兩者的相對運動通過液壓裝置（PTO）驅動發電機發電[8-9]。如圖3所示。裝置所有的移動部件都在浮動船體內，移動部件不與海水接觸，避免了海水的侵蝕，維護費用和抗擊自然災害的能力較強。內部質量體的運動壓縮液壓油，不論質量體如何運動，液壓缸都不會滿沖程，所以避免對液壓缸端點的沖擊，這樣也增強了裝置適應惡劣海況的能力。

圖3　漂浮擺式波浪能轉換裝置

但是為了在波浪作用時產生共振現象，需要將裝置的尺寸設計得很大，建設成本很高。而且海浪的不規則運動使得擺的擺動時間與海浪的運動時間不一致，會使得發電效率較低。

2.4消耗型筏式波浪能轉換裝置

筏式波浪能轉換裝置由鉸接的閥體和液壓系統組成。裝置漂浮于海面，液壓轉換系統置于鉸接處，波浪帶動筏體沿著鉸接處彎曲，轉換為液壓力，驅動發電機發電。圖4為海蛇波浪場示意圖。

圖4　海蛇波浪場示意圖

消耗型筏式波浪能裝置的優點是具有較好的整體性，抗波浪沖擊能力較強，具有較好的能量傳遞效率，發電穩定性好。但其長度方向順浪布置，迎波面較小，與垂直于浪向的同等尺度的波浪能裝置相比，筏式裝置吸收波浪能的能力較為遜色，單位價值材料所獲取的能量較小，導致實體尺寸過大[10]。

2.5鴨型波浪能轉換裝置

此裝置的形狀和運行特性類似鴨的運動，故稱為鴨式波浪能發電裝置，如圖5所示。該裝置用浮子繞中心軸線的縱搖代替升降，利用入射波的運動使得動壓力有效地推動鴨身繞軸線轉動。此外，流體靜壓力的改變也使接近鴨嘴的浮體部分作上升和下沉往返運動，由于這兩種壓力所產生的運動是同相位的，在波浪運動的一個周期內，點頭鴨將動能和位能二者同時通過液壓裝置轉化出去，然后再由液壓/電力系統把動能轉化成電能。鴨型波浪能轉換裝置轉換效率較高，理想情況下接近90%，但在不規則波作用下，系統效率較低[11]。但裝置較復雜，可靠性較差，結構脆弱，安全性較低。

圖5　鴨式波浪能轉換裝置

2.6振蕩水柱式波浪能轉換裝置

振蕩水柱式波浪能轉換裝置是通過波浪的運動，轉換為空氣的運動來進行發電的。原理如圖6所示。在波浪力的作用下，氣室中的水柱上下運動，將波浪能轉換為空氣的壓力和動力，來推動空氣渦輪運動，進行發電。振蕩水柱波浪能轉換裝置的優點是關鍵轉換裝置不與海水接觸，壽命長，可靠性高，主要部件工作在水面以上，便于檢查維修。但此類裝置轉換效率較低，建造難度較大，成本較高。

圖6　振蕩水柱式波浪能轉換裝置

2.7振蕩浮子式點吸收型波浪能轉換裝置

振蕩浮子式裝置是在振蕩水柱式裝置的基礎上發展起來的一種點吸收式波浪能發電裝置，由浮體、能量轉換機構、發電機和保護裝置等部分構成。浮體在波浪作用下上下運動，轉換為液壓或機械能進行發電。由于其較高的轉換效率和較低的建造成本，在世界上引起了廣泛重視，英國的阿基米德波浪擺、美國的PowerBuoy等已經建成，如圖7～圖8所示。

圖7　阿基米德波浪擺

圖8　PowerBuoy

3　波浪能發電裝置存在的問題及前景展望

雖然波浪能發電裝置種類繁多，波浪能發電裝置的研究與開發已取得了一定的成果，但是相比于太陽能、風能等清潔能源，并沒有在生活中普及開來，主要是存在以下問題：

（1）可靠性。波浪發電裝置工作于海洋環境中，巨浪、臺風等惡劣天氣將會造成裝置的破壞、失效或者下沉；由于海水的腐蝕性和海洋生物附著，會使得波浪發電裝置部件失效等。因此，在海洋惡劣環境中，波浪發電裝置的生存可靠性較低，這是波浪能發電裝置必須解決的難題。

（2）穩定性。海洋所蘊藏的可再生能源中，波浪能是最不穩定的能源，它不能定期產生，而且時刻在變化。大多數波浪能發電裝置是采用三相交流發電機，但波浪的隨機性和不穩定性，使得發電機輸出電壓的幅值、頻率及相位均不穩定，導入電網會增加電壓控制難度。

（3）發電效率。波浪能發電裝置需要將波浪能進行一次轉換、中間轉換和二次轉換，波能轉換效率過低，能量消耗大[12]。而且，海洋波浪的時刻變化，波浪能的能量分散不易集中，會造成裝置的發電效率較低。

（4）發電成本。波浪能發電的廣泛普及面臨的最大問題就是波浪能發電裝置的成本太高。據有關專家計算，海洋波浪能的發電成本比常規熱電高出10倍[7]。而且，由于波浪能發電裝置尺寸較大，建造、布放和維修成本都較高，波浪能發電裝置在商業應用的道路上還有很長的路要走。

隨著波浪能技術研究的進步，波浪能利用技術已經歷了理論研究、裝置發明、實驗模型研究、海況實驗等階段，取得了一定進展，但與風能、太陽能相比，波浪能發電裝置還遠沒有達到民間普及狀態。因此，世界各國都在積極研究多種多樣波浪能發電的高新技術，來提高波浪能發電裝置的生存能力、發電效率和可靠性，降低發電成本。

隨著社會經濟的發展，人類對能源的需求會越來越大。人類將會面臨化石資源枯竭、環境污染、地球變暖等后果。因此，積極開發波浪能等可再生能源將是未來獲取能源的重要手段，加大對波浪能研究、開發和利用對國家能源長期發展具有重要意義。

[1]鄧穎北，熊雯.海洋能的開發與利用[J].可再生能源，2004(3):70-72.

[2]沈利生，張育賓.海洋波浪能發電技術的發展與應用[J].能源研究與管理，2010(4):55-58.

[3]A Clément,P McCullen,et al.Wave Energy in Europe:Current Status and Perspectives[J].Renew.Sust.Energy Rev.,2002,6(5): 405-431.

[4]T W Thorpe.A Brief Review of Wave Energy[R].Technical Report no.R120,Energy Technology Support Unit(ETSU),A Report Produced for the UK Department of Trade and Industry,1999.

[5]Pelc R,Fujita R M.Renewable Energy from the Ocean[J].Mar Policy,2002,26(6):471-479.

[6]AW-Energy Oy.WaveRoller[EB/OL].2012-07-24.www.aw-energy.com.

[7]張麗珍，羊曉晨，王世明,等.海洋波浪能發電裝置的研究現狀與發展現狀[J].湖北農業科學，2011,50(1):161-164.

[8]CJosset,A Babarit,AH Clement.A Wave-to-Wire Model of the SEAREV Wave Energy Converter[C]//Proc IMechE Vol.221 Part M: J.Engineeringfor the Maritime Environment:81-93.

[9]Marie Ruellan,Hamid BenAhmed,Bernard Multon,et al.Design Methodology for a SEAREV Wave Energy Converter[J].Energy Conversion,2010,25,3:760-767.

[10]游亞戈,吳必軍,盛松偉.我國海洋波浪能技術發展建議[C]//中國可再生能源學會海洋能專業委員會第一屆學術討論會文集,杭州，2008.

[11]Mynett A,Serman D,Mei C.Characteristic of Salter's Cam for Extracting Energy from Ocean Waves[J].Applied Ocean Research, 1979,1(1):13-20.

[12]韓冰峰，褚金奎.海洋波浪能發電研究進展[J].電網與清潔能源,2012,28(2):61-66.

Research Status and Prospect of the Wave Power Generation Technology

LIU Yan-jun1,2,JIA Rui1,ZHANG Jian1
1.School of Mechanical Engineering,Shandong University,Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture, Ji'nan 250061,Shandong Province,China; 2.Institute of Marine Science and Technology,Shandong University,Ji'nan 250100,Shandong Province,China

Ocean wave power has been concerned by more and more countries since it is recognized as a clean, green,renewable and eco-friendly energy.This paper introduces the definition,genesis and characteristics of wave energy,classifies and summarizes various wave power generation devices,and elaborates their working principles and features.In addition,this paper indicates the key problems that need to be addressed,and looks to the future development trend of wave power generation devices in the world.

wave energy;wave power generation device;research status;prospect

P743.2

A

1003-2029（2016）05-0100-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.020

2016-03-06

山東大學前沿和新興學科團隊導向類項目資助（2014QY006）；山東大學交叉學科培育項目資助（2016JC035）

劉延?。?965-），男，教授，博士生導師，主要研究方向為波浪能發電技術、深海探測技術與裝備開發、流體動力控制。E-mail：lyj111ky@163.com