王灝　王廣大　趙尚

摘要：我國海洋資源豐富，海洋波浪能作為一種清潔能源，有著廣闊的開發(fā)和利用前景。據(jù)此，主要對(duì)我國波浪能的儲(chǔ)量與分布進(jìn)行介紹，針對(duì)現(xiàn)階段我國對(duì)波浪能發(fā)電的技術(shù)進(jìn)展和利用程度進(jìn)行簡要分析，指出波浪能發(fā)電存在的各種相關(guān)問題，并對(duì)波浪能發(fā)電的未來進(jìn)行展望，分析并闡述了波浪能發(fā)電對(duì)于我國海洋資源和能源戰(zhàn)略的意義和重要性。

關(guān)鍵詞：海洋波浪能；發(fā)電；波能發(fā)電裝置

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.07.090

0引言

隨著全球能源資源和環(huán)境問題的突出，特別是以變暖為重要特征的全球氣候變化的日趨明顯，作為豐富的海洋能源之一，波浪能一直以來受到世界各國的高度關(guān)注和重視。在當(dāng)今能源逐漸枯竭及環(huán)境狀況日益惡化的形勢(shì)下，如何有效利用資源豐富、可再生的海洋波浪能，顯得十分重要。波浪發(fā)電技術(shù)就是在現(xiàn)有利用海洋波浪能發(fā)電研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用成熟的機(jī)械制造及發(fā)電技術(shù)進(jìn)行有效的組合，將廣闊海岸取之不盡、用之不竭的波浪能低成本地轉(zhuǎn)化為電能，波浪能的利用既是對(duì)能源短缺問題的改善，也是對(duì)海洋能源合理利用的一種有效方式。

1海洋波浪能的儲(chǔ)量和分布

海洋波浪能是指海洋表面波浪所具有的動(dòng)能和勢(shì)能，波浪能儲(chǔ)量巨大。在每平方公里的海面上，運(yùn)動(dòng)著的海浪約蘊(yùn)藏30萬千瓦的能量，全球可供開發(fā)的波浪能約30億千瓦。波浪能由垂直于波浪方向的每米寬度所通過的能量速率（功率）來表征，單位為kW/m，也稱為波浪能密度。波浪能密度很大，按海岸線長度計(jì)算，在太平洋、大西洋東海岸緯度40°～60°區(qū)域，波浪能平均密度可達(dá)到30～70kW/m，某些地方達(dá)到100kW/m。表1中給出了幾種常見的海洋能資源儲(chǔ)量，可以看出波浪能的實(shí)際可開發(fā)量較高，所以波浪能具有很大的開發(fā)應(yīng)用價(jià)值。

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國沿岸波浪能資源理論平均功率約為1285.22萬千瓦，這些資源在沿岸的分布很不均勻。以臺(tái)灣省沿岸最多，約為429萬千瓦，占全國總量的1/3，其次是浙江、廣東、福建和山東沿岸也較多，在160～205萬千瓦之間，約為706萬千瓦，約占全國總量的55%，其他省市沿岸則很少，僅在143～56萬千瓦之間。廣西沿岸最少，僅8.1萬千瓦。全國沿岸波浪能源密度分布，以浙江中部，臺(tái)灣，福建省海壇島以北，渤海海峽為最高，達(dá)5.11～7.73千瓦/米。

2波浪能發(fā)電的現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界有近萬座小型波浪能發(fā)電裝置在運(yùn)行，主要用于航標(biāo)燈、浮標(biāo)等。目前利用波浪能發(fā)電的方法可分為三類：一是利用海洋波浪能的上下運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的空氣流，使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，如振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置，代表性的裝置有英國的LIMPET 500、日本的“巨鯨號(hào)”等；二是利用海洋波浪能裝置運(yùn)動(dòng)（直線往復(fù)、搖擺轉(zhuǎn)動(dòng)）的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，如振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置，代表性的裝置有加拿大的AquaBuoy、荷蘭的阿基米德波浪擺、美國的PowerBuoy裝置、澳大利亞的CETO裝置等，主要通過直線往復(fù)形式進(jìn)行波浪能發(fā)電。采用搖擺轉(zhuǎn)動(dòng)形式進(jìn)行波浪能發(fā)電的如“點(diǎn)頭鴨”式波浪能發(fā)電裝置、擺式發(fā)電裝置等，代表性的裝置有廣州能源所研發(fā)的“鷹式一號(hào)”，英國的Oyster裝置等；三是利用波浪能將水引入高位水池積蓄起來，形成一個(gè)水頭，然后沖擊水輪機(jī)發(fā)電，如越浪式波浪能發(fā)電裝置，代表性的裝置有丹麥的WaveDragon、西班牙的WaveCat波浪裝置等。

我國目前正處于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和信息化的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期，特別是沿海地區(qū)對(duì)于能源的需求急劇增加，已經(jīng)成為社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，我國國土遼闊，海島眾多，對(duì)于海洋開發(fā)和國防建設(shè)方面占有重要的地位，對(duì)于海洋能源的開采也有助于滿足海防建設(shè)的基本需求?，F(xiàn)階段的波浪能發(fā)電，無論從設(shè)計(jì)水平，還是工藝制造水平來說，均已優(yōu)于早期，波浪能發(fā)電裝置是一門集海洋環(huán)境科學(xué)、流體力學(xué)、機(jī)電工程、材料學(xué)科等于一體的交叉技術(shù)，從開始采集波浪能到最終的發(fā)電傳輸使用，涉及方案設(shè)計(jì)、材料選擇、強(qiáng)度校核、機(jī)械結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)換和電力傳輸?shù)雀鞣N問題。其中包含了很多關(guān)鍵性的技術(shù)難題，從我國現(xiàn)有的波浪能發(fā)展現(xiàn)狀和科技研究成果來看，對(duì)于波浪能發(fā)電裝置的理論體系和波浪能發(fā)電的技術(shù)研究尚未形成一套較為成熟和靈活的體系，相關(guān)的試驗(yàn)和分析工作仍需繼續(xù)進(jìn)行。

3波浪能發(fā)電存在的困境

我國現(xiàn)有的波浪能發(fā)電應(yīng)用并不廣泛，相比于海上風(fēng)電的發(fā)展，波浪能發(fā)電的潛力巨大，但是卻并未得到較為有力的支持和發(fā)展。原因是多方面的，面臨的挑戰(zhàn)和問題也是較為嚴(yán)峻的。

（1）技術(shù)問題。波浪能發(fā)電的種類和方式是多種的，但是我國現(xiàn)有的波浪能發(fā)電仍然還以近海和淺水海域的應(yīng)用居多，我國海洋領(lǐng)土和資源是非常廣闊并具有開發(fā)前景的，尤其是對(duì)深海海域資源的開采和利用將逐漸成為今后新能源利用的一個(gè)重要發(fā)展方向。深海海域的風(fēng)浪條件一般較為劇烈，對(duì)于長期工作的波浪能發(fā)電裝置來說，風(fēng)浪大意味著波浪能量大，從對(duì)波浪能的俘獲角度來看較為有利。但面臨著可能遭遇惡劣的海況，對(duì)裝置的材料和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求很高。而現(xiàn)階段對(duì)深海作業(yè)的波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)和材料的研究還有所欠缺，包括各類浮式波浪能發(fā)電裝置。

對(duì)波浪能發(fā)電裝置的關(guān)鍵部分——能量轉(zhuǎn)換部分，對(duì)該部分的研究也一直是波浪能發(fā)電裝置的熱點(diǎn)研究方向，能量轉(zhuǎn)換部分是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到電能的轉(zhuǎn)化效率?，F(xiàn)有的波浪能發(fā)電裝置上的發(fā)電機(jī)一般采用通用的小型三相交流發(fā)電機(jī)，但是這種發(fā)電機(jī)并不一定完全適用波浪能發(fā)電裝置，這也是導(dǎo)致發(fā)電效率低的重要因素。如何匹配相適應(yīng)的發(fā)電機(jī)，如何更有效的提高電能轉(zhuǎn)換效率，如何有效提高發(fā)電量等問題仍需進(jìn)一步探討和研究。

（2）成本問題?，F(xiàn)階段波浪能的發(fā)電成本比常規(guī)熱發(fā)電要高出10倍左右，這也是阻礙波浪能發(fā)電市場(chǎng)化進(jìn)程的重要因素之一，波浪能發(fā)電想要普及和大規(guī)?；?，必須改進(jìn)波浪能發(fā)電的技術(shù)，減少發(fā)電成本。水深較深的海域，相適應(yīng)的波浪能發(fā)電裝置往往尺寸較大，帶來的安裝建設(shè)費(fèi)用和難度也相應(yīng)加大，包括水下部分的系泊固定。

（3）工程問題。一方面，由于海洋環(huán)境的變幻莫測(cè)性，波浪能發(fā)電裝置所遭遇的海況也是瞬息萬變的，尤其是對(duì)深海海域風(fēng)浪較大的海況下，波浪能發(fā)電裝置往往面臨著損壞的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，海水的腐蝕性對(duì)裝置的材料耐腐蝕性要求較高，而在考慮方案的時(shí)候必須要統(tǒng)籌考慮各因素的影響，現(xiàn)階段還很難找到較為全面的方案，如何在波浪能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)階段去均衡考慮各因素的影響，也是波浪能發(fā)電研究的一個(gè)難點(diǎn)。

（4）政策標(biāo)準(zhǔn)。與海上風(fēng)電相比，波浪能發(fā)電缺少相關(guān)的政策和規(guī)范，國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中涉及波浪能發(fā)電的少之又少，對(duì)波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)方案缺少基本的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照，各種試驗(yàn)（如結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)、材料耐腐蝕試驗(yàn)等）也缺少相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，這也成為阻礙波浪能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素。

4波浪能發(fā)電的發(fā)展

波浪能發(fā)電是具有較為廣闊發(fā)展前景的新能源開發(fā)和利用的重要方式，鑒于波浪能發(fā)電現(xiàn)狀，盡管存在著諸多技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和政策上的難題，但是作為海洋能源的重要組成部分，波浪能一直是清潔能源的代表?，F(xiàn)如今在我國對(duì)于藍(lán)色海洋的重大發(fā)展戰(zhàn)略的基礎(chǔ)上，對(duì)波浪能發(fā)電的研究和發(fā)展應(yīng)當(dāng)加大力度。

（1）在大力發(fā)展藍(lán)色海洋經(jīng)濟(jì)的背景下，我國海上風(fēng)能資源、海洋石油資源和海洋生物資源等均有了長足的發(fā)展和進(jìn)步，相應(yīng)的國家政策、企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)也對(duì)海洋能源的開發(fā)和研究予以技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的支撐。相比之下，海洋波浪能發(fā)電的開發(fā)似乎力有不足，因此，合理開發(fā)海洋波浪能需要國家和政府機(jī)構(gòu)給予政策和發(fā)展計(jì)劃的扶持，刺激和鼓勵(lì)海洋波浪能發(fā)電裝置的研發(fā)和生產(chǎn)，提升技術(shù)水平的同時(shí)，宏觀調(diào)控波浪能發(fā)電的并網(wǎng)和電價(jià)，鼓勵(lì)企業(yè)創(chuàng)新和研發(fā)，并且制定波浪能發(fā)電的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

（2）開發(fā)海洋波浪能，需要對(duì)波浪能發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻克，國內(nèi)外對(duì)波浪能發(fā)電裝置也一直處于研究之中，為了提高對(duì)海洋波浪能的俘獲，波浪能俘獲的研究已經(jīng)由原來的單模態(tài)運(yùn)動(dòng)俘獲轉(zhuǎn)為多模態(tài)運(yùn)動(dòng)俘獲，其所帶來的技術(shù)難度也隨之增大。比如，在歐洲相應(yīng)政策的扶持下，英國的Pelamis公司致力于海洋能源科技的發(fā)展，對(duì)“海蛇號(hào)”波浪能發(fā)電裝置的研究一直在進(jìn)行中，“海蛇號(hào)”是典型的六模態(tài)運(yùn)動(dòng)俘獲波浪能的波能發(fā)電裝置，但是其技術(shù)難度相當(dāng)高，其中如何統(tǒng)籌考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料腐蝕、設(shè)備維護(hù)、電力儲(chǔ)存或傳輸?shù)葐栴}一直都是研究的關(guān)鍵點(diǎn)，Pelamis公司多年來已經(jīng)在“海蛇號(hào)”的技術(shù)攻克上取得了很大的進(jìn)步。相比之下，我國對(duì)于這類多模態(tài)俘獲波浪能的波能裝置并未有較多的研究。我們可以借鑒并學(xué)習(xí)國內(nèi)外優(yōu)秀的波能裝置研發(fā)策略和技術(shù)，形成適合在我國海域基于我國海洋海況條件可投入使用的波能發(fā)電裝置。

（3）在對(duì)波能發(fā)電裝置的研究同時(shí)，要注意與環(huán)境的契合與協(xié)調(diào)，許多海洋能源開發(fā)的裝置并未考慮到環(huán)境的保護(hù)問題，在投入使用和運(yùn)營以后便置之不理，不僅造成了海洋污染，同時(shí)制造了“海上垃圾”妨礙著海運(yùn)和航運(yùn)船只的正常航行，在國家倡導(dǎo)科學(xué)發(fā)展觀的前提下，對(duì)海洋清潔能源的開發(fā)和利用也必須要注意對(duì)海洋的保護(hù)，在設(shè)計(jì)研發(fā)到安裝建設(shè)，整個(gè)環(huán)節(jié)必須都要考慮到對(duì)海洋環(huán)境的影響，避免出現(xiàn)“綠色能源不綠色”的現(xiàn)象。

5結(jié)論

我國海洋資源豐富且開發(fā)潛力巨大，波浪能的開發(fā)意義和前景非常大，如果開發(fā)得當(dāng)，既可以緩解現(xiàn)如今能源危機(jī)的壓力，也具有現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)效益和戰(zhàn)略意義。現(xiàn)階段的波浪能發(fā)電由于技術(shù)條件的限制未具有發(fā)電推廣性，仍然以小型波浪發(fā)電作為主要應(yīng)用，但是要與常規(guī)能源發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)，必須要往大型化和大規(guī)模化發(fā)電的方向發(fā)展，不僅可以實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化配置，也是節(jié)能減排的有效動(dòng)力，對(duì)我國的能源開發(fā)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用。