■ 哈爾濱電機廠有限責任公司 劉斌

太陽注入地球表面的能量換算為電功率約為1013kW，其中大約2/3為海洋能量。由于地球和月球太陽之間相對的天體運動和相互作用而引起了海洋的潮流、潮汐以及氣流等。其中氣流的運動又形成風力，并引起了波浪、波流等。它們都可以用來發(fā)電。全球海洋能量約為500億kW，其中潮汐約為27億kW，波浪約為25億kW，海流約為50億kW。發(fā)展較快的是潮汐和波浪發(fā)電。雖然潮汐發(fā)電容量較大，但是必須滿足電站選址條件：需要海灣作為水庫并建造長壩，潮差在8m以上。而波浪發(fā)電則隨處可設(shè)，可在海上，也可在堤岸，甚至可在無風區(qū)域，無風三尺浪。早在1992年，聯(lián)合國就把波浪發(fā)電 列為開發(fā)海洋能源的首位。

1 波能發(fā)電機理

波浪由風引起，但地震、火山爆發(fā)也可引起（海嘯）。地球與月球的引力引起的大波浪，被列入潮汐的范疇。在數(shù)千公里外由風暴引起并傳遞過來的波浪稱為涌浪；在風力直接作用下產(chǎn)生的波浪稱為風浪。波浪的特點是力量大、速度低，做無規(guī)則的往復(fù)運動。波力----- 巨大驚人，大波浪可把重達130t的巖石拋到高達20m的岸上。波流能量密度雖然很低，但其橫向作用能量密度很高，沿海岸線分布，有利于開發(fā)大功率波力發(fā)電站。全球的波能每年可達23650億kWh。當波高為2m、波浪起伏周期為2.5s，發(fā)電功率為24kW，波高3m、周期11時為130kW。由于波浪運動的不規(guī)則性，只能采用統(tǒng)計學(xué)來處理數(shù)據(jù)。波能E可用下式表達（波浪橫向長度為1m時的波能平均值）：

E=0.5×(H1/3)2×T1/3, kW/m

式中H1/3和 T1/3分別為波高H和波浪周期T的算數(shù)平均值。計算結(jié)果表明，日本近海波能平均值為7kW/m，海岸線總長約為5200km，波能共約3600萬kW ;而我國的大陸岸線就長達1.8萬kW ，還有島嶼岸線長1.4萬kW，波能功率在、總共約為22400萬kW。

2 波能轉(zhuǎn)換類型

全球波能發(fā)電專利多達千項以上，但被采用較多的是下列3種波能轉(zhuǎn)換類型。

2.1 空氣能

波能是一種沖擊動能，它與利用勢能發(fā)電的潮汐發(fā)電不同，無法直接帶動旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機發(fā)電，必須進行能量 轉(zhuǎn)換。首先轉(zhuǎn)換為空氣能是最為廣泛應(yīng)用的一種。讓波浪沖擊并擠壓空氣室內(nèi)的空氣，利用這種壓縮空氣來驅(qū)動氣輪機和透平發(fā)電機發(fā)電。

2.2機械能

通過油壓可將波能轉(zhuǎn)換為機械能，使波力沖擊振子，振子便泵油并形成壓力油，該油壓驅(qū)動馬達旋轉(zhuǎn)，并帶動發(fā)電機發(fā)電。

2.3 水位能

將盛滿海水的水斗通過連桿機構(gòu)固定到堤岸岸基上，而水斗浮在水面上，波浪沖擊并推舉上升到一定高度后，便被連桿機構(gòu)折翻，并將水斗內(nèi)部的海水越過堤壩倒入水庫，周爾復(fù)始 ，反復(fù)作用，使升高的水庫水面與海面之間形成水位差，利用這個水頭便可使低水頭水輪機/水輪發(fā)電機發(fā)電。

3 開發(fā)利用

3.1 日本

海洋波浪發(fā)電的開發(fā)利用已有百年歷史。最早的是法國，而日本較晚，但是實現(xiàn)商業(yè)化較多。上個世紀末建造的120 kW 和130 kW 波能電站已投運，它采用空氣室原理，屬于固定式防波堤型；本世紀初又建造一座200kW的這種電站，采用可移動的浮體型，需經(jīng)海底電纜輸電。

3.2英國

20世紀80年代英國已經(jīng)成為世界波能研究中心。建造過振蕩水柱式和岸基固定式波浪電站，采用英國專利發(fā)明的維爾斯空氣透平機，可在2種相反方向海流作用下，保持單一方向旋轉(zhuǎn)。建造了采用高壓油原理的750 kW 波浪發(fā)電設(shè)備是當時世界上最大的。在毛里求斯建造了20 MW 的這種電站。在完成研究項目以后，正在建造功率高達2 GW 這種設(shè)備。

3.3 挪威

發(fā)明了多諧振振蕩水柱和減速槽道新技術(shù)。在印尼和澳大利亞建造了2座1400 kW 的波能電站以后，又在印尼建造1500 kW 的這種電站，并擬建數(shù)百座以便聯(lián)網(wǎng)。

3.3 中國

我國海域遼闊，岸線漫長，海浪能源豐富。然而開發(fā)較晚，投入力度太小。1975年造成1 kW 波浪發(fā)電浮標；80年代建造5 kW 漂浮式、8 kW 擺板式和20 kW 岸基固定式；90年代建成100 kW的波電站，2000年運行。最近在山東、廣東、海南各建1座1000 kW 的岸基固定式。

4 新技術(shù)

4.1 對稱翼型葉片

20世紀70年代由英國發(fā)明。空氣推動的透平機葉片截面呈對稱型，當波浪起伏往返運動而使空氣室內(nèi)氣流來回流動時，這種具有對稱翼型的葉片可在相反方向氣流作用下仍然保持旋轉(zhuǎn)方向不變。具有這種葉片的透平機已被廣泛應(yīng)用。

4.2 水柱與波浪諧振

挪威發(fā)明。在空氣室前加上“引浪”口，使波浪對空氣室內(nèi)水柱的沖擊與波浪起伏沖擊之間產(chǎn)生諧振，使裝置吸收的波能增多，即用較窄的“迎波”口便可吸收較寬范圍的波能，從而提高發(fā)電效率和降低成本。這種新技術(shù)首先在500的大型波浪電站上應(yīng)用。

4.3水柱相位控制

也是挪威提出。通過控制能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)（如水柱、浮體、“擺板”等）的運動相位，使其與波浪作用力的相位相適應(yīng)，以便更有效地吸收波能，從而達到減小設(shè)備尺寸、提高效率的目的。

4.4正負水閥整流

日本提出。在氣流回路中設(shè)置正、負2個水閥來取代過去常用、但受水流反復(fù)沖擊容易損壞的風門式逆止閥。新型水閥可靠性高、效率高，便于維護?？諝馔钙桨l(fā)電機軸的兩端分別置有正壓和負壓轉(zhuǎn)輪。波峰時，壓縮氣流通過正壓水閥驅(qū)動轉(zhuǎn)輪帶動發(fā)電機發(fā)電；波谷時，因負壓作用而從大氣吸入空氣，并推動另一端的轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)、帶動發(fā)電機發(fā)電。發(fā)電機旋轉(zhuǎn)方向不變。正壓、負壓水閥都相當于逆止閥，兩條回路互不干涉。

4.5彈簧發(fā)條蓄能

這是我國云南師范大學(xué)能源處發(fā)明的，非常簡單適用。波浪沖擊活塞并通過其連桿和“拐臂”擰緊蓄能器的彈簧發(fā)條，而發(fā)條則持續(xù)地帶動大齒輪并傳動與其嚙合的、固定在發(fā)電機“軸伸”端上的小齒輪來發(fā)電。其傳動原理類似鐘表?；钊B桿上套有壓縮彈簧，波峰時活塞壓縮彈簧；波谷時彈簧將活塞推回原位。整套設(shè)備裝在漂浮箱體內(nèi)，固定在堤壩上，可上下浮動，但活塞始終迎向波浪，充分吸收波能。

5 今后課題

在波浪發(fā)電的百年發(fā)展史上，始終伴隨著試驗、研究、探索。現(xiàn)在它已經(jīng)由航標燈塔用的微小型發(fā)展到與電力系統(tǒng)并網(wǎng)的中大型，由實驗驗證時代發(fā)展到商品化、商業(yè)化和國際貿(mào)易化。全世界已經(jīng)確認海浪發(fā)電是海洋能源開發(fā)利用的重要項目，是清潔無污染的可再生新能源的主要組成部分。今后的發(fā)展面臨的主要科研 課題如下：

5.1 耐久性

它比效率的提高還重要。波浪隨著季節(jié)、時間而變，甚至每月、每天、每小時都在變。短時間的變化尚能適應(yīng)，長期變化仍有困難。在造價容許限度內(nèi)，設(shè)備的疲勞破壞承受能力、耐久性、使用壽命，仍然是第一位的難題。

5.2 蓄能性

如果容量不大，又不能聯(lián)網(wǎng)、并網(wǎng)，波能發(fā)電的能量儲存要求方便、價格低廉。蓄電池雖然價格低廉，然而容量有限。最好采用壓縮空氣蓄能發(fā)電方式，適于大容量化，而且造價低廉，只需就地挖洞即可。

5.3高效性

雖然比不上耐久性主要，但是提高效率仍是永恒的課題，特別是波能轉(zhuǎn)換效率，潛力仍然很大。

5.4 經(jīng)濟型

波能發(fā)電設(shè)備雖然簡單，但是造價不低。計算結(jié)果表明，容量為130kW時，造價約為11億日元；容量為10MW時，發(fā)電成本約為33日元/kWh。如果形成規(guī)模，實現(xiàn)群體化，增大容量，超過10MW時，成本就會降低。

5.5 安全性

波浪發(fā)電設(shè)備應(yīng)能在與風暴有關(guān)的大浪中自動解列，以免過載或遭受破壞。最好設(shè)有阻尼裝置，以免設(shè)備移動、損壞。

6 結(jié)論

我國海域遼闊，岸線漫長，海浪能源豐富。然而開發(fā)較晚，投入力度太小。應(yīng)像風力發(fā)電那樣，積極開發(fā)、應(yīng)用波浪發(fā)電，也會后來居上。海洋能量是清潔的可再生的新能源，而且取之不盡，用之不竭。