海洋波浪能利用技术及前景

海洋波浪能发电技术现状与前景1游亚戈1,2，盛松伟1,2,3，吴必军1,2（1.中国科学院广州能源研究所，广东广州510640；2.中国科学院研究生院可再生能源和天然气水合物重点实验室，广东广州 510640；3.中国科学院研究生院，北京 100049）摘要：海洋波浪能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，具有资源分布广泛、能流密度大、技术环境友好等优点。

利用海洋波浪能发电能够改善能源结构和环境，有利于海洋资源开发，受到许多国家的重视。

本文主要对波浪能发电系统的技术原理、特点和技术现状做了综述，讨论了海洋波浪能利用的意义和前景。

关键词：波浪能发电；振荡水柱；摆式；浮子；鸭式；点吸收海洋波浪能主要来源是太阳热能。

由于太阳热能的不均匀分布，导致地球上空气流运动，形成风。

风作用于海面，其压力以及对水面的摩擦力使海面出现凸凹不平，在引力和惯性作用下，形成波浪运动。

在风的持续作用下，波浪逐渐生长，形成巨大的涌浪。

因此，波浪的大小取决于风速、风的作用距离以及水面的大小。

世界上最丰富的波浪能资源出现在南北纬30°-60°（西风带）的大洋东面，年平均能流密度可以达到20-100 kW/m。

中国海位于大洋西侧，包围在由北到南的一系列岛链内，故中国的波浪能是由季风造成的，比西风带的波浪能在能流密度上小了一个量级，只有2-7 kW/m [1]。

海洋波浪能是清洁的可再生能源，开发和利用海洋波浪能对缓解能源危机和环境污染问题具有重要的意义，全世界各国政府，特别是海洋波浪能资源丰富的国家，大力鼓励海洋波浪能发电技术的发展。

由于海洋波浪能能发电系统的运行环境恶劣，与其他可再生能源发电系统，如风电、光伏发电，相比发展相对滞后，甚至滞后于潮汐能和潮流能技术。

但是随着相关技术的发展，以及各国科技工作者的努力，近年来，海洋波浪能发电技术取得了长足的进步，已有试验电站进入商业化运行。

可以预见，不远的将来，随着海洋波浪能发电技术日益成熟，将会有越来越多的海洋波浪能发电系统接入电网运行。

由于海洋波浪能蕴藏量巨大，必将成为能源供给的重要组成部分。

本文对各种海洋波浪能发电系统的主要技术原理、特点和技术发展现状做了综述和评价，最后指出海洋波浪能利用的意义和前景。

1 国外的波浪能发电技术目前研究的波能利用技术大都源于以下几种基本原理：利用物体在波浪作用下的升沉和摇摆运动，将波浪能转换为机械能；利用波浪的爬升将波浪能转换成水的势能等。

绝大多数波浪能转换系统由三级能量转换机构组成。

其中一级能量转换机构（波能俘获装置）将波浪能转换成某个载体的机械能；二级能量转换机构将一级能量转换所得到的能量转换成旋转机械（如水力透平、空气透平、液压马达、齿轮增速机构等）的机械能；三级能量转换通过发电机将旋转机械的机械能转换成电能。

有些采用某种特殊发电机的波浪能转换系统，可以实现波能俘获装置对发电机的直接驱动，这些系统没有二级转换环节。

根据一级转换系统的转换原理，可以将目前世界上的波能利用技术大致划分为振荡水柱、摆式、筏式、收缩波道、点吸收（振荡浮子）、鸭式等技术。

这里对这几种波浪发电技术进行介绍。

1.1 振荡水柱技术振荡水柱（Oscillation Water Column，OWC）波能装置利用空气作为转换的介质。

图1为振荡水柱波能转换系统的示意图。

其一级能量转换机构为气室，其下部开口在水下与海水连通，上部也开口（喷嘴），与大气连通；在波浪力的作用下，气室下部的水柱在气室内作上下振荡，压缩气室的空气往复通过喷嘴，将波浪能转换成空气的压能和动能。

二级能量转换机构为空气透平，安装在气室的喷嘴上，空气的压能和动能可驱动空气透平转动，再通过转轴驱动发电机发电。

振荡水柱波能装置的优点是转动机构不与海水接触，防腐性能好，安全可靠，维护方便；其缺点是二级能量转换效率较低。

近年国外建成的振荡水柱式波能装置有：英国的LIMPET[2]（固定式500 kW，如图2所示）、葡萄牙400 kW固定式电站[3]、澳大利亚500kW离岸固定式装置[4]（如图3所示），正在研究的有英国的漂浮式装置SPERBUOY [5]。

1本文得到国家海洋能专项资金项目（GHME2010GC01）、（GHME2010ZC06）以及科技支撑项目（2008BAA15B01）支持作者简介：游亚戈（1956-），男，研究员，主要从事波浪理论、聚波理论及波能转换的水动力学；非线性随机波浪运动、能量传递及收集；波能装置的优化设计。

E-mail：youyg@图1 振荡水柱波能装置示意图图2 英国LIMPET电站图3 澳大利亚振荡水柱装置1.2 摆式技术摆式有两种技术：悬挂摆（Pendulum）[6]和浮力摆（Bottom Hinged）。

摆板在波浪作用下前后摆动，驱动由液压缸、蓄能器、液压马达、发电组成的液压式能力装换装置，获取电力。

悬挂摆铰接点在水面上，浮力摆铰接点在海底。

摆式技术的优点是结构简单易于制造，缺点是在俘获波浪能同时造波，降低了效率。

建成的摆式装置有日本的5 kW悬挂摆和400 kW海底铰接摆Oyster[7]（图4）。

1.3 筏式技术图5为筏式技术示意图。

筏式装置由铰接的筏体以及液压系统组成。

筏式装置顺浪向布置，筏体随波运动，将波浪能转换为筏体运动的机械能（一级转换）；然后驱动液压泵，将机械能转换为液压能；后者驱动液压马达转动，转换为旋转机械能（二级转换）；再通过轴驱动电机发电，将旋转机械能转换为电能（三级转换）。

筏式技术的优点是筏体之间仅有角位移，即使在大浪下，该位移也不至于过大，故抗浪性能较好；缺点是装置顺浪向布置，单位功率下材料的用量比垂直浪向布置的装置大，可能造成装置成本较高。

图4左：悬挂摆，右：400 kW浮力摆Oyster 图5筏式波能装置示意图采用筏式波浪能利用技术的有英国Cork大学和女王大学研究的McCabe波浪泵（如图6所示）波力装置和苏格兰的Ocean Power Delivery公司的Pelamis（海蛇）波能装置（如图7所示）。

McCabe波浪泵[8]由3个宽4 m的钢浮体铰接而成，其中间浮体较小，但其下有一块板，可以增加附加质量，使中间浮体运动幅度相对较小，以增大前后两端浮体相对中间浮体的角位移。

该装置可以为制淡提供能量，也可用来发电。

海蛇装置[9]为改良的筏式装置。

该装置不仅允许浮体纵摇，也允许艏摇，因而减小了斜浪对浮体及铰接结构的载荷。

装置的能量采集系统为端部相铰接、直径3.5 m的浮筒，利用相邻浮筒的角位移驱动活塞，将波浪能转换成液压能。

装置由三个模块组成，每个模块的装机容量为250 kW，总装机容量为750 kW，总长为150 m，放置在水深为50 m~60 m深的海面上。

三条海蛇装置形成的波浪能发电场已经在葡萄牙北部开始商业运行。

图6 波浪泵图7 海蛇式波浪发电系统1.4 收缩波道技术收缩波道装置由收缩波道、高位水库、水轮机、发电机组成（如图8所示）。

其喇叭型的收缩波道为一级能量转换装置。

波道与海连通的一面开口宽，然后逐渐收缩通至高位水库。

波浪在逐渐变窄的波道中，波高不断地被放大，直至波峰溢过收缩波道边墙，进入高位水库，将波浪能转换成势能（一级转换）。

高位水库与外海间的水头落差可达3~8 m，利用水轮发电机组可以发电（二、三级转换）。

其优点是一级转换没有活动部件，可靠性好，维护费用低，在大浪时系统出力稳定；不足之处是小浪下的系统转换效率低。

图8 收缩波道装置示意图目前建成的收缩波道电站有挪威350 kW的固定式收缩波道装置[10]（如图9所示）以及丹麦的Wave Dragon[11]（如图10）。

Wave Dragon的优点在于可以根据波况调节高位水库的高度，其水轮机的启动压力为0.2 m水头，故对波况的适应性很强。

装置已正在丹麦北部Nissum Bredning的海湾进行了近2年的实海况并网发电试验，近来正在计划在中国推广其技术。

图9 挪威收缩波道装置图10 波龙发电装置1.5 点吸收（振荡浮子）技术点吸收式装置的尺度与波浪尺度相比很小，利用波浪的升沉运动吸收波浪能。

点吸收式装置由相对运动的浮体、锚链、液压或发电装置组成。

这些浮体中有动浮体和相对稳定的静浮体，靠动浮子与静浮体之间的相对运动吸收波浪能，如图11所示[12]。

目前建成点吸收式装置的有英国的AquaBuOY装置、美国的PowerBuoy装置（图12）以及阿基米德波浪摆。

图11 点吸收装置示意图图12 PowerBuoy（美国，40kW）1.5 鸭式技术鸭式装置是英国Salter教授发明的、具有特殊外形的波能装置[13]（图13）。

该装置有通过某种方式约束的支撑轴以及绕轴往复转动的鸭体，通过鸭体俘获波浪能。

鸭体横截面后部为圆弧形，圆心位于轴心，支撑轴垂直于来波方向布置。

在波浪作用下，驱动连接鸭体与支撑轴之间的液压转换装置发电。

装置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；又由于鸭式装置吃水较深，海水靠近表面的波难以从装置下方越过，跑到装置的后面，故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，如果设计得好，鸭式装置在短波时的一级转换效率接近于100%。

鸭式装置对于大部分波浪有较高的转换效率，但抗浪能力有待提高，目前尚未得到较好的发展。

2 我国的波浪能发电技术2.1 振荡水柱技术我国的波浪能技术研究开始于1979年。

在2002年前主要研发振荡水柱技术。

1985年至1987年研发了10 W航标灯用波浪发电装置，之后又陆续研发了60 W、100 W航标灯（船）用波浪发电装置。

其中，10 W航标灯用波浪能装置得到了持续的研发，到2003年解决了叶片断裂、轴承锈蚀等问题，逐渐研发成为成熟产品（图14），在0.3 m、周期3 s浪况下可以满足航标灯浮标用电。

该装置在广东沿海珠江口、湛江、福建泉州、上海等地使用,，并出口日本、英国。

图13 鸭式装置示意图图14 10 W航标灯用波浪能装置（左）运行中（右）1987年开始研发3 kW岸式振荡水柱波浪能装置（图15左），1989年在广东省珠海市大万山岛建成[14]。

该装置建于悬崖下一块完整的巨大石块上，是世界上第一座岩坝施工法建成的岸式波浪能装置——采用爆破方法，在石块上预留岩坝、开挖基坑，建成装置主体结构；之后，采用控制爆破，清除岩坝——英国在2001年也采用该方法建成500 kW岸式振荡水柱电站LIMPET（图2）。

整个施工工艺设计得十分精巧，装置建造十分成功，过程经实海况试验，发电效率较高，但装机容量偏小，气室偏矮，在大浪中透平提供的轴功率远超过3 kW。

1992年至1996年，我国建成了一台20 kW岸式振荡水柱装置[15]（图15右）和一台5 kW漂浮式后弯管振荡水柱发电船[16,17]。