李居躍，何宏舟，2

（1.集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 廈門 361021；2.福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術(shù)研究中心 廈門 361021）

波浪能采集裝置技術(shù)研究綜述*

李居躍1，何宏舟1，2

（1.集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 廈門 361021；2.福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術(shù)研究中心 廈門 361021）

波浪能采集是波浪能發(fā)電利用技術(shù)的研究核心。文章評(píng)述了幾種典型波浪能采集裝置的技術(shù)原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了當(dāng)前關(guān)于提高波浪能采集系統(tǒng)效率的若干研究。

波浪能；采集裝置；評(píng)述

1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的激增、社會(huì)的進(jìn)步，能源危機(jī)和環(huán)境污染成為當(dāng)今社會(huì)最重要的兩個(gè)發(fā)展問題，促進(jìn)了海洋能的發(fā)展研究。海洋能指海洋中所蘊(yùn)藏的可再生的自然能源，包括波浪能、潮汐能、海流能、溫差能和鹽差能等。其中，波浪能由于開發(fā)過程中對(duì)環(huán)境影響最小且以機(jī)械能的形式存在，是品位最高的海洋能。據(jù)估算，全世界波浪能的理論值約為量級(jí)，是現(xiàn)在世界發(fā)電量的數(shù)百倍，有著廣闊的商用前景。

人類很早就從事波浪能的開發(fā)，在20世紀(jì)60年代以前，波浪能利用的研究主要集中在波浪能采集裝置的發(fā)明方面，有關(guān)波浪能技術(shù)的專利已超過1 000項(xiàng)［1］；經(jīng)過20世紀(jì)70年代對(duì)多種波浪能裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室研究和80年代進(jìn)行的海況試驗(yàn)及應(yīng)用示范研究，波浪發(fā)電技術(shù)已逐步接近實(shí)用化水平；20世紀(jì)90年代以來，隨著波浪能轉(zhuǎn)換裝置技術(shù)的日趨成熟以及在實(shí)用化方面取得的進(jìn)步，波浪能利用已朝著多元化和綜合利用的方向發(fā)展。

2 典型波浪能采集裝置

目前關(guān)于波浪能利用技術(shù)的研究大都源于以下幾種基本原理：利用物體在波浪作用下的沉浮和搖擺運(yùn)動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；利用波浪的爬升將波浪能轉(zhuǎn)換成水的勢(shì)能等。絕大多數(shù)波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由三級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)組成 （圖1）。其中，一級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu) （波浪能采集裝置）將波浪能轉(zhuǎn)換成某個(gè)載體的機(jī)械能；二級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將一級(jí)能量轉(zhuǎn)換所得到的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械 （如水力透平、空氣透平、液壓馬達(dá)、齒輪增速機(jī)構(gòu)等）的機(jī)械能；三級(jí)能量轉(zhuǎn)換通過發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。有些采用某種特殊發(fā)電機(jī)的波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)波浪能俘獲裝置對(duì)發(fā)電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)，這些系統(tǒng)沒有二級(jí)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。

圖1 波浪能發(fā)電裝置三級(jí)轉(zhuǎn)換

根據(jù)一級(jí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換原理，可以將目前世界上的波浪能采集利用技術(shù)大致有振蕩水柱式、收縮波道式、振蕩浮子式 （點(diǎn)吸收式）、擺式、筏式和鴨式等。下面對(duì)這幾種波浪能采集技術(shù)進(jìn)行介紹。

2.1 振蕩水柱式

目前已建成的振蕩水柱波浪能采集裝置都利用空氣作為轉(zhuǎn)換的介質(zhì)。其一級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)為氣室，二級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)為空氣透平。氣室的下部開口在水下與海水連通，氣室的上部也開口 （噴嘴），與大氣連通。在波浪力的作用下，氣室下部的水柱在氣室內(nèi)做強(qiáng)迫振動(dòng)，壓縮氣室內(nèi)的空氣往復(fù)通過噴嘴，將波浪能轉(zhuǎn)換成空氣的壓能和動(dòng)能。在噴嘴處安裝一個(gè)空氣透平并將透平轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)相連，則可利用壓縮氣流驅(qū)動(dòng)透平旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，振蕩水柱式波浪能裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 振蕩水柱式波浪能裝置

振蕩水柱波浪能裝置的優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不與海水接觸，防腐性能比較好，安全可靠，維護(hù)方便。其缺點(diǎn)是：二級(jí)能量轉(zhuǎn)換效率比較低，施工難度很大，發(fā)電成本比較高，適用于大風(fēng)浪區(qū)域。

近年研建的振蕩水柱發(fā)電裝置有：英國(guó)Wavegen公司研建的LIMPET沿岸固定式波浪能電站，裝機(jī)容量500 k W；葡萄牙在Pico島建造的沿岸固定式波浪能電站，裝機(jī)容量400 k W；澳大利亞Energetec公司建造的離岸固定式波浪能電站，裝機(jī)容量500 k W；英國(guó)布里斯維爾大學(xué)研制的Sperboy離岸漂浮式振蕩水柱發(fā)電裝置，1／5尺度裝機(jī)容量50 k W等［］。

2.2 收縮波道式

收縮波道式波浪能轉(zhuǎn)換裝置是基于波聚理論的一種波浪能轉(zhuǎn)換裝置。收縮波道式波浪能轉(zhuǎn)換裝置中，波道與海連通的一面開口較寬，然后逐漸收縮并流通至貯水庫(kù)。波浪進(jìn)入喇叭形的收縮波道時(shí)，由于聚波效應(yīng)，波高不斷地被放大，直至波峰溢過邊墻，將波浪能轉(zhuǎn)換成勢(shì)能貯存在貯水庫(kù)中。水庫(kù)與外海間的水頭落差可達(dá)3～8 m，利用水輪發(fā)電機(jī)組可以發(fā)電。收縮波道式波浪裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 收縮波道式波浪能裝置

收縮波道式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的優(yōu)點(diǎn)是：一級(jí)轉(zhuǎn)換沒有活動(dòng)部件，可靠性好，維護(hù)費(fèi)用低，系統(tǒng)出力穩(wěn)定。不足之處是：裝置建造對(duì)地形有要求，不易推廣。

目前比較著名的收縮波道式波浪能轉(zhuǎn)換裝置主要有：挪威的350 k W收縮波道式電站、丹麥的Wave Dragon波力裝置、挪威的SSG槽式裝置等。

2.3 振蕩浮子式

現(xiàn)階段比較典型的振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置主要有：瑞典的Aquabuoy、英國(guó)AWS Ocean Energy有限公司研制的阿基米德波浪擺裝置、美國(guó)的OPT（ocean power technologies）公司研制的裝機(jī)容量40 k W的PowerBuoy波力裝置，丹麥的Wave Star公司的Wavestar裝置以及我國(guó)開發(fā)的50 k W岸式振蕩浮子式波浪能電站等。

振蕩浮子式裝置的結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過隨浮子運(yùn)動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)換器將浮子吸收的波浪能轉(zhuǎn)換成電能。

圖4 振蕩浮子式波浪能裝置

振蕩浮子式波能采集裝置的優(yōu)點(diǎn)是：建造難度和成本較低，施工容易；吸收波浪能的效率較高。其缺點(diǎn)是：浮子受過多的波浪沖擊，容易損壞［5－7］。振蕩浮子式波浪能采集裝置由于所占面積較小，適用于一些為燈塔、浮標(biāo)等提供電源的場(chǎng)合。

2.4 擺式

擺式波浪能采集裝置最早由日本室蘭工業(yè)大學(xué)的度部富治教授提出，1983年，日本在北海道建造了首座5 k W的推擺式波力電站，該電站運(yùn)行了20個(gè)月，最后毀于暴風(fēng)雨；1987年，日本在燒尻島建造了一座20 k W的推擺式波浪電站，用來向漁民公寓提供熱水，但建成3個(gè)月后又被惡劣海況損毀；據(jù)報(bào)道，日本近期準(zhǔn)備在一個(gè)100 m長(zhǎng)的防波堤上建造一座300～600 k W擺式波能裝置［8］。

擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)如圖5所示，由擺板、液壓泵、水室等組成。它利用裝置的活動(dòng)部件包括擺板和液壓泵推桿等，在波浪的推動(dòng)下，將其從波浪中吸收的能量轉(zhuǎn)換成裝置的機(jī)械能：在波浪的作用下，擺體作前后或上下擺動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換成擺軸的動(dòng)能；而與擺軸相連的液壓裝置又將擺軸的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成液力泵的動(dòng)能，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

擺式波浪能采集裝置適用于建造在防波堤上，裝置的優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換效率高，可以方便地與相位控制技術(shù)相結(jié)合，使波浪能裝置能吸收到裝置迎波寬度以外的波浪能；缺點(diǎn)是維護(hù)較為困難。

圖5 擺式波浪能裝置

2.5 筏式

筏式波能發(fā)電裝置是通過漂浮在水面、端部鉸接的若干浮體 （筏）俘獲波浪能，再通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，其采能裝置的結(jié)構(gòu)如圖6所示。筏通過鉸鏈相互鉸接在一起，能量轉(zhuǎn)換裝置置于每一鉸鏈處，波浪運(yùn)動(dòng)引起筏產(chǎn)生沿鉸接處 （軸）的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而反復(fù)壓縮液壓活塞以輸出機(jī)械能。筏式技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：筏體之間僅有角位移，即使在大浪下，該位移也不會(huì)過大，故抗風(fēng)浪性能較好；缺點(diǎn)是：裝置順著波浪方向布置，單位功率下材料的用量比垂直于波浪方向布置的裝置大，因此裝置成本較高。

圖6 筏式波浪能裝置

目前比較知名的利用筏式技術(shù)建造的波浪能發(fā)電裝置有：英國(guó)Cork大學(xué)和女王大學(xué)共同建成的McCabe Wave Pump波力裝置；蘇格蘭Ocean Power Delivery Ltd開發(fā)的Pelamis（海蛇）波力裝置 （圖7）等。

圖7 Pelamis（海蛇）波力裝置

2.6 鴨式

鴨式裝置是英國(guó)Salter教授發(fā)明的、具有特殊外形的波浪能裝置［9］，其原理如圖8所示。在波浪作用下，鴨體繞支撐軸作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)連接鴨體與支撐軸之間的液壓轉(zhuǎn)換裝置發(fā)電。

圖8 筏式波浪能裝置

鴨式裝置對(duì)于大部分波浪有較高的轉(zhuǎn)換效率，但抗浪能力有待提高。

丹麥Wave Plane能源公司正在開展WEPTOS新型波浪能裝置研發(fā)工作，WEPTOS由兩條獨(dú)立驅(qū)動(dòng)軸的“Salter Ducks”式結(jié)構(gòu)組成（圖9），隨著波浪條件的變化，兩條鏈之間的角度可隨之改變，該裝置于2011年9月完成了模型試驗(yàn)。

圖9 WEPTOS波浪能裝置

3 提高波能采集系統(tǒng)效率的研究

為了提高裝置對(duì)波浪能的采集效率，近年來人們做了很多研究：在理論計(jì)算方面，梁賢光等［10］發(fā)現(xiàn)三維波下點(diǎn)吸收裝置具有聚波效應(yīng)，當(dāng)其與來波發(fā)生共振時(shí)，輻射波和入射波的干涉效應(yīng)使得裝置能夠吸收到迎波面之外的波浪能，具有較高波能采集效率。為使浮體保持較高的轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)使其達(dá)到或接近共振條件；盛松偉等［11］對(duì)彈簧—質(zhì)量—阻尼器系統(tǒng)下的振蕩浮子型裝置采用邊界元法進(jìn)行了計(jì)算，在給定條件下對(duì)阻尼系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；蘇永玲等［12］對(duì)在港內(nèi)的振蕩浮子進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)前港長(zhǎng)和浮子長(zhǎng)對(duì)裝置性能影響最大，浮子吃水濃度和港內(nèi)水深的影響相對(duì)較?。籆ANDIDO等［13］在頻域、時(shí)域和隨機(jī)模型下，分別對(duì)浮子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算，主要比較了波浪周期、波長(zhǎng)、阻尼系數(shù)與彈簧剛度對(duì)捕獲寬度的影響；張弘弨等［14］研究了不同波浪條件、不同外力作用和不同尺寸對(duì)浮子吸收波浪能效率的影響。此外，研究發(fā)現(xiàn)［15］，相位控制、無功負(fù)載控制和反饋調(diào)節(jié)控制等控制策略，雖然能提高裝置在變化頻率下的轉(zhuǎn)換效率，但同時(shí)也增加了裝置的復(fù)雜性，耗費(fèi)部分轉(zhuǎn)換的電能。

在裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，為提高浮子自適應(yīng)性方面，SALTER［9］設(shè)計(jì)了一種點(diǎn)頭鴨裝置，能減少裝置向后興波，使得在相當(dāng)寬的頻譜內(nèi)裝置效率均可達(dá)到80%以上；梁賢光等［10］進(jìn)行后彎管波力發(fā)電浮體模型試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)貙⒑髲澒芩蕉蜗蚝笱由?，可以提高峰值效率，擴(kuò)寬響應(yīng)波周期范圍；ENGSTR?M等［16］發(fā)現(xiàn)通過在漂浮體下端懸掛一個(gè)懸浮的球體，可極大地改進(jìn)裝置的吸波特性，裝置的轉(zhuǎn)換效率可提高一倍，同時(shí)帶寬增加；蘇永玲等［7］通過在不同波浪周期條件下，改變浮子與發(fā)電機(jī)之間的中間轉(zhuǎn)換裝置參數(shù)來確定浮子的最優(yōu)俘獲寬度比；王凌宇［17］利用弗汝德—克雷洛夫假定法分別對(duì)長(zhǎng)方體、垂直圓柱體、水平圓柱體和球體上的波浪力進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在基本海況、排水體積相同的情況下，垂直圓柱形浮子所受的浮力最大，為最佳浮子形狀。

4 總結(jié)

波浪能采集是波浪能發(fā)電利用技術(shù)的研究核心。目前波浪能的采集利用技術(shù)大致有振蕩水柱式、收縮波道式、振蕩浮子式 （點(diǎn)吸收式）、擺式、筏式和鴨式等。其中，振蕩浮子式和鴨式裝置具有較高的波能采集效率。目前，關(guān)于波能采集技術(shù)的研究重點(diǎn)主要集中在提高采能裝置的效率和運(yùn)行可靠性，提高采能裝置的抗風(fēng)浪能力，降低裝置的建造和維修成本等方面。

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