韓冰峰，褚金奎，熊葉勝，姚斐

（1.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連116023；2.遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點實驗室，遼寧大連116023）

傳統(tǒng)能源面臨日益枯竭、環(huán)境保護、安全供應(yīng)等問題，可再生能源成為重要的替代能源。波浪能[1]作為一種清潔、無污染的可再生能源，分布廣闊、能量巨大。英國碳信托投資公司[2]估算，英國實用離岸波浪能每年為55 TWh，占當(dāng)前所需能源14%，歐洲潛在波浪能至少每年為280 TWh。美國電能研究所評估美國切實可行的波浪能為每年為255 TWh，占當(dāng)前所需能源6%。

世界各海洋大國十分重視波浪能方面的研究，英國、瑞典、葡萄牙、美國、日本等國處于領(lǐng)先地位。英國波浪能研究部門包括愛丁堡大學(xué)、南安普頓大學(xué)等，歐洲海洋中心便坐落于蘇格蘭奧克尼群島。瑞典烏譜薩爾大學(xué)在波浪能研究領(lǐng)域較為著名。葡萄牙主要研究機構(gòu)包括高級技術(shù)研究所和國家能源技術(shù)研究所。美國俄勒岡大學(xué)和OPT公司在波能研究領(lǐng)域有一定知名度，美國國家海洋中心設(shè)立于俄勒岡大學(xué)。日本波浪能關(guān)于振蕩水柱技術(shù)和后彎管技術(shù)著名，主要研究機構(gòu)包括佐賀大學(xué)、筑波大學(xué)等。中國從事波浪能研究機構(gòu)主要有中國科學(xué)院廣州能源研究所等。

根據(jù)發(fā)電裝置的拾能原理和轉(zhuǎn)換原理，并參照歐洲海洋中心的分類[3]方法，把波能發(fā)電裝置按波浪能一次轉(zhuǎn)換、中間轉(zhuǎn)換和二次轉(zhuǎn)換進行了分類分析。波浪能一次轉(zhuǎn)換主要收集波浪所具有的動能和勢能。主要類型分為：振蕩水柱型、漫反射型、水下壓力差型、振蕩搖擺型及衰減器型等。中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)主要輔助[4]波浪能二次轉(zhuǎn)換,主要分為機械式、液壓式和氣動式。二次轉(zhuǎn)換主要將能量轉(zhuǎn)換成電能，主要類型分為電磁感應(yīng)發(fā)電機、直線發(fā)電機、磁流體發(fā)電機、壓低發(fā)電機等。本文首先對國內(nèi)外已有的發(fā)電裝置一次轉(zhuǎn)換、中間轉(zhuǎn)換和二次轉(zhuǎn)換部件進行了系統(tǒng)的分析，總結(jié)了幾種主要波浪能發(fā)電裝置的優(yōu)缺點，并指出了波浪能發(fā)電的關(guān)鍵問題和發(fā)展方向，可為波浪能發(fā)電裝置的研究、開發(fā)提供參照。

1 一次轉(zhuǎn)換

波浪能一次轉(zhuǎn)換主要指收集海洋表面波浪的動能和勢能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量。

1.1 振蕩水柱型（Oscillating Water Column）

振動水柱式波浪發(fā)電裝置是目前研究和使用最多波浪能裝置，基本原理是利用壓縮空氣推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。根據(jù)安裝位置可分為離岸式、近岸式和靠岸式，主要裝置[5-7]如表1所示。

振蕩水柱型波能裝置由于沒有活動部件在水下，可靠性好。缺點是成本高、發(fā)電效率不足30%。

表1 振蕩水柱波能裝置Tab.1 Oscillating water column wave energy devices

1.2 漫反射型（Overtopping）

漫反射型波能裝置主要是收集波浪勢能，利用渦輪機轉(zhuǎn)化成電能。丹麥設(shè)計出兩種錐形槽漫反射裝置[8]“SSG”，利用越浪效應(yīng)將海水存儲并驅(qū)動渦輪機發(fā)電。丹麥的“Wave Dragon”漫反射裝置[9]，利用專門水道，將波浪勢能存儲到高位，利用低水頭渦輪機轉(zhuǎn)化成電能。瑞典研制出浮漂波能容器波能裝置[10]，利用4個浮漂支撐蓄能容器，功率可達1.5 MW。

漫反射發(fā)電裝置體積巨大、效率低，水下有活動部件，可靠性不高。

1.3 水下壓差型（SubmergedPressureDifferential）

水下壓差型波浪裝置原理利用波浪的波峰和波谷對轉(zhuǎn)換裝置的壓力差工作。荷蘭研制的阿基米德（Archimedes Wave Swing）波能轉(zhuǎn)換裝置[11]，利用壓力差產(chǎn)生相對運動，帶動透平或直線發(fā)電機發(fā)電。美國波能公司研制出新型壓力差波能轉(zhuǎn)化裝置[12]如圖1所示，利用3個特殊形狀水中浮漂，分別通過齒輪、齒條帶動發(fā)電機發(fā)電。

水下壓差型波浪裝置優(yōu)點：整體結(jié)構(gòu)在水下，不會影響海上航運；能夠避免極端天氣對波能裝置的損毀。缺點是密封性和防銹不易保證。

1.4 振蕩搖擺型（Oscillating Wave Surge Converter）

圖1 新型壓力差波能能裝置Fig.1 The novel Submerged Pressure Differential wave energy device

振蕩搖擺型波能裝置利用水粒子橢圓運動特性工作。英國碧綠海洋能源公司[13]設(shè)計出牡蠣波能轉(zhuǎn)換裝置，通過壓縮水充當(dāng)液壓油，利用岸上液壓馬達帶動發(fā)電機發(fā)電。芬蘭設(shè)計出一種振蕩搖擺型波能裝置[14]，該裝置利用柱塞泵吸收擺板動能，并將動能傳遞給封閉的液壓馬達、發(fā)電機結(jié)合的液壓系統(tǒng)。

振蕩搖擺型波能裝置結(jié)構(gòu)簡單、效率較高。但只適用于淺海，液壓油泄露能夠造成污染。

1.5 衰減器型（Attenuator）

利用浮漂在波浪傳播方向有效地將波浪運動吻合，利用某種約束獲取能量。英國索爾特研制出理論效率90%的波能機構(gòu)，該裝置能夠吸收波浪動能和勢能。英國OPD公司研制出名為“pelamis”的波能裝置，如圖2所示，該裝置[15]利用十字接頭的結(jié)構(gòu)連接各浮筒，能夠吸收各浮筒橫向和垂向相對運動的能量，單個圓筒產(chǎn)生0.75 MW電能。

圖2 PelamisFig.2 Pelamis

衰減器型波能裝置結(jié)構(gòu)精巧、效率較高。缺點是結(jié)構(gòu)有活動部件在水中，可靠性低；抵抗極端風(fēng)浪能力差。

1.6 點吸收型（Point Absorber）

點吸收型波能轉(zhuǎn)化裝置，利用浮漂結(jié)構(gòu)吸收波浪各個方向能量。美國的McCable設(shè)計一種海水泵[16]設(shè)計，并通過理論和實驗進行研究。該裝置利用懸臂浮漂和支撐相對位移收集波能，并利用阻尼板增加轉(zhuǎn)換效率。美國OPT公司研制成功基于流體力學(xué)、電子、能源轉(zhuǎn)換以及計算機控制系統(tǒng)組成的智能波能轉(zhuǎn)換裝置[17]，效率較高。

點吸收型波能裝置結(jié)構(gòu)簡單，效率較高。缺點抵抗極端天氣的能力差。

目前，波浪能一次轉(zhuǎn)換效率較高的類型集中在衰減器類型和點吸收類型，較為成功的裝置如OPD公司的“Pelamis”和OPT公司的點吸收波能裝置。如何設(shè)計新的結(jié)構(gòu)，能夠同時收集波浪的動能和勢能是提高一級轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。

2 波浪能中間轉(zhuǎn)換

波浪能二次轉(zhuǎn)換通常需中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)輔助。中間環(huán)節(jié)將機械能等能量進行處理，達到穩(wěn)定、穩(wěn)速和加速能量傳輸?shù)淖饔谩?/p>

2.1 機械轉(zhuǎn)換

機械轉(zhuǎn)換主要由齒輪等機構(gòu)組成。K.Rhinefrank[18]等設(shè)計一種由2個浮漂和Spar平臺組成的點吸收波能裝置。它利用密封的驅(qū)動軸和齒輪機構(gòu)，將波浪垂蕩和擺蕩能量傳遞給電磁感應(yīng)發(fā)電機。Hadano K[19]等設(shè)計了平衡式點吸收波能裝置，該裝置利用轉(zhuǎn)動離合器和增速轉(zhuǎn)換機構(gòu)進行能量傳遞。

機械轉(zhuǎn)換是傳統(tǒng)的波能轉(zhuǎn)換方法，技術(shù)成熟；缺點是效率較低。

2.2 液壓轉(zhuǎn)換

1980年，McCabe[16]提出液壓泵構(gòu)想。該泵利用兩翼浮筒在海平面上下擺動驅(qū)動液壓泵，驅(qū)動液壓馬達帶動電機獲取電能。2005年，英國OPD公司和愛丁堡大學(xué)聯(lián)合研制出“Pelamis”轉(zhuǎn)換裝置[15]，該裝置利用十字連接結(jié)構(gòu)和液壓缸連接浮筒，浮筒相對轉(zhuǎn)動能能夠轉(zhuǎn)換成液壓能。2007年，浙江大學(xué)王峰等設(shè)計一套新型液壓動力系統(tǒng)[20]，該系統(tǒng)利用海水對裝滿液壓油的彈性容器壓力變化驅(qū)動液壓系統(tǒng)，在2 400 m深海中效率達63.8%。

液壓能能夠存貯，便于控制，適合波浪能換能裝置能量轉(zhuǎn)換。

2.3 氣動轉(zhuǎn)換

氣動轉(zhuǎn)換通常以空氣為介質(zhì)，將空氣動能轉(zhuǎn)換為渦輪機動能。渦輪機主要分為單向整流渦輪機和雙向渦輪機，單向渦輪機效率較高，結(jié)構(gòu)龐大。雙向渦輪機常用的是威爾斯渦輪[21]，無需整流，效率高；缺點攻角過大，容易產(chǎn)生失速現(xiàn)象。

2.4 非接觸轉(zhuǎn)換技術(shù)

圖3為俄勒岡大學(xué)非接觸轉(zhuǎn)換裝置。非接觸轉(zhuǎn)換概念[22]由俄勒岡大學(xué)首先提出來的，利用永磁鐵和鐵非接觸作用力，通過滾珠絲杠和滾珠螺母將直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能。該裝置盡可能少地利用機械或液壓裝置，密封良好，效率超過50%，峰值功率達50 W。

波浪能中間轉(zhuǎn)換技術(shù)主要集中在液壓轉(zhuǎn)換技術(shù)和氣動轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域。波浪能中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)效率的高低，對波浪能整體效率影響很大，因此設(shè)計便于控制、穩(wěn)定和高效的中間轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是波浪能研究熱點和難點。

圖3 俄勒岡大學(xué)非接觸轉(zhuǎn)換裝置Fig.3 The contact-less conversion device of Oregon State University

3 波浪能二次轉(zhuǎn)換

波浪能二次轉(zhuǎn)換類型主要分為：電磁感應(yīng)發(fā)電機、直線發(fā)電機、磁流體發(fā)電機和壓電發(fā)電技術(shù)。電磁感應(yīng)發(fā)電機是傳統(tǒng)發(fā)電結(jié)構(gòu)。線性發(fā)電機技術(shù)廣泛被使用于波浪能發(fā)電技術(shù)研究。磁流體發(fā)電技術(shù)、非接觸轉(zhuǎn)換技術(shù)、壓電發(fā)電技術(shù)為最新出現(xiàn)二次轉(zhuǎn)換技術(shù)。

3.1 直線發(fā)電機

直線發(fā)電機主要分5類：永磁同步發(fā)電機、電磁感應(yīng)發(fā)電機、開關(guān)磁阻發(fā)電機、縱向磁通發(fā)電機和橫向磁通發(fā)電機。Henk Polinder[23]研究表明：三相永磁同步發(fā)電機比感應(yīng)發(fā)電機、開關(guān)磁阻發(fā)電機以及帶氣隙繞組永磁發(fā)電機效率更高，并提出了一種新式雙側(cè)橫向磁通永磁發(fā)電機，非常適合AWS波能裝置。英國的N.J.Baker and M.A.Mueller and Spooner[24]設(shè)計一種空心管型永磁同步發(fā)電機，運用有限元方法對發(fā)電機經(jīng)行設(shè)計，通過實驗驗證了其性能。Wang J,JewellG.W and HoweD[25]設(shè)計了不同磁化方向的管直線永磁發(fā)電機，并進行詳細(xì)的設(shè)計分析，為管式直線永磁發(fā)電機設(shè)計提供了參照。Irina A.Ivanova、Olov Gren and Hans Bernhoff[26]研制的“八角形”縱向磁通永磁直線發(fā)電機，發(fā)電效率超過87%。

直線發(fā)電機不依賴機械或液壓轉(zhuǎn)換裝置，效率更高，缺點是必需專門設(shè)計，成本昂貴。

3.2 磁流體發(fā)電

磁流體發(fā)電機原理工作是霍爾效應(yīng)，由于缺乏運動部件，未被廣泛使用和研究。1979年，美國專利公開一種磁流體波浪發(fā)電裝置[27]，利用海水流經(jīng)磁流體通道切割磁力線原理制成。美國SARA公司于1991年在美國能源部資助下運用磁流體技術(shù)研制成功50～100 kW發(fā)電機，這是磁流體技術(shù)首次成功應(yīng)用波浪大功率發(fā)電。中國科學(xué)院電工研究所于2007年成功研制磁力傳動液態(tài)金屬磁流體波浪能直接發(fā)電裝置。該裝置利用活塞帶動液態(tài)金屬在封閉流道內(nèi)流動，經(jīng)外磁場產(chǎn)生電動勢。

3.3 壓電波能技術(shù)

R.Murray and J.Rasteger[28]設(shè)計基于波浪能壓電能量獲取裝置，如圖4所示。該裝置主要特點通過浮漂系統(tǒng)和壓電系統(tǒng)將低頻波浪振動轉(zhuǎn)化壓電系統(tǒng)高頻振動。Seiki Chiba等[29]利用裝有壓電聚合物結(jié)構(gòu)在波浪作用下發(fā)生變形獲取電能。

圖4 壓電波能轉(zhuǎn)換裝置Fig.4 The piezoelectric conversion device harvested wave energy

壓電發(fā)電技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、電壓高的優(yōu)點，可以為海洋無線傳感網(wǎng)等微型海洋器件提供能量。但壓電發(fā)電需要在高頻激振下才能具有較高的發(fā)電效率，所以增頻的轉(zhuǎn)換機構(gòu)設(shè)計是波浪能壓電發(fā)電的關(guān)鍵問題。

當(dāng)前，波浪能二次轉(zhuǎn)換技術(shù)研究較多的永磁直線發(fā)電機技術(shù)。永磁直線發(fā)電機效率高，非常適合波浪能二次轉(zhuǎn)換。但成本高，目前還不成熟。一些新的技術(shù)僅處于研究和探索階段，暫時無法解決波浪能發(fā)電的效率與成本問題。

4 波浪能發(fā)電的關(guān)鍵問題及發(fā)展趨勢

當(dāng)前，波浪能研究與開發(fā)取得了一定進展，出現(xiàn)較為成功的波能裝置有OPT公司的點吸收式波能裝置和OPD公司的“Pelamis”等。但波能發(fā)電的商業(yè)應(yīng)用仍面臨很多問題，包括波能發(fā)電裝置的成本、并網(wǎng)等問題無法得到解決。據(jù)有關(guān)專家計算，海洋波浪能的發(fā)電成本比常規(guī)熱電高出10倍[30]，暫時難以商業(yè)應(yīng)用。因波浪的隨機性、不穩(wěn)定特性，波浪能發(fā)電的輸出電壓在幅值、頻率及相位均不穩(wěn)定，并網(wǎng)時對電網(wǎng)會形成沖擊。

波浪能發(fā)電總體效率比較低，提高波能發(fā)電裝置一級轉(zhuǎn)換和中間轉(zhuǎn)換的效率成為解決問題的關(guān)鍵。一級轉(zhuǎn)換效率較高的波能裝置包括博爾特鴨、Pelamis等，這些裝置的主要特點是能夠吸收波浪多個方向的動能和勢能，可見，提高波能發(fā)電裝置一級轉(zhuǎn)換效率的重要途徑是盡可能吸收波浪各個方向的能量。波能發(fā)電裝置中間轉(zhuǎn)換效率較高的轉(zhuǎn)換方式主要有機械轉(zhuǎn)換和液壓轉(zhuǎn)換，中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)需匹配波能發(fā)電裝置的一級轉(zhuǎn)換和二級轉(zhuǎn)換機構(gòu)，效率提高難度較大。當(dāng)前，借助電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、先進控制技術(shù)等提高波浪能發(fā)電裝置的效率已經(jīng)成為熱點。

波浪能發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)研究[4-5,30]包括相位控制技術(shù)、生存技術(shù)、穩(wěn)定發(fā)電技術(shù)、波能裝置施工技術(shù)、新原理的波能裝置研發(fā)等。相位控制技術(shù)研究較多，該技術(shù)對于提高波浪能的效率有重要意義。中科院廣州能源所首先在世界上解決了波浪能的穩(wěn)定發(fā)電問題。從長遠來看，穩(wěn)定發(fā)電是大功率的波浪能發(fā)電裝置并入國家電網(wǎng)的前提。海鷹一號波浪能發(fā)電裝置在建設(shè)期間已被損毀，生存問題已經(jīng)成為當(dāng)前波浪能發(fā)電裝置研究的最需迫切解決的問題。特別對于我國海域而言，極端臺風(fēng)天氣較多，極易導(dǎo)致波浪能發(fā)電裝置的破壞。

海水淡化及綜合利用是波浪能發(fā)展的重要方向。海水淡化、波能供給對于解決邊遠海島和臨海干旱國家的能量供應(yīng)有重要意義。當(dāng)前，人類對淡水需求日益增加，海水淡化能夠大大緩解人們淡水需求的壓力。特別對于偏遠島嶼而言，波能發(fā)電裝置可實現(xiàn)電能供給和淡水供應(yīng)，可促進島嶼的開發(fā)與利用。

利用海洋波浪能進行養(yǎng)殖、制氫等綜合研究是利用海洋能新途徑。海洋養(yǎng)殖是國家重要的經(jīng)濟活動，利用波浪能發(fā)電實現(xiàn)養(yǎng)殖海域海況監(jiān)測、能量供給、養(yǎng)殖條件的改善具有重要意義。利用波浪能制氫能間接實現(xiàn)波浪能的儲存，可為燃料電池等發(fā)電裝置提供原料。

目前，我國已超越日本成為世界第二經(jīng)濟大國，對能源需求進一步增大。化石資源屬不可再生資源，難以滿足能源進一步需求，且化石資源大規(guī)模利用必加重環(huán)境污染，加速地球變暖?？梢姡祟悓Σɡ四艿瓤稍偕鍧嵞茉吹男枨蟊厝辉鰪?，從長遠來看，波浪能的利用具有重大潛力，加大波浪能研究開發(fā)具有重要的意義。

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