陳喜龍，王志平，谷漢斌，熊　瑋，潘桂凰

（1.神華國華（舟山）發(fā)電有限責任公司，浙江　舟山　316000；2.舟山港股份有限公司，浙江　舟山　316000；3.浙江海洋大學，浙江　舟山　316000）

0　引言

目前，全球不可再生能源占能源消耗比例極大，存在枯竭的危險。因此，可再生能源成為未來解決能源問題的重要來源，包括水能、太陽能、風能、海洋能、地熱能等。其中，海洋波浪能是主要的海洋能源之一，全球儲量約25億kW[1-2]。盡管海洋波浪能大部分分布在西風帶海洋水域[3]，但是我國海岸線很長，很大范圍海岸水域波浪能處于可開發(fā)利用范圍，總可開發(fā)利用功率約3 000～4 000萬kW[2，4-6]，由此，海洋波浪能源利用成為我國重要研究開發(fā)領(lǐng)域。

1799年法國吉拉德父子獲得最早波浪能利用機械發(fā)明專利。1854—1973年119年間，英國登記了波浪能發(fā)明專利340項，美國61項。在法國，可查有關(guān)波浪能利用技術(shù)有600多種。1910年，法國布索·白拉塞克建了第一座氣動式波浪發(fā)電站。1960年代，日本研制成功用于航標燈浮體上氣動式波浪發(fā)電裝置。從1970年代以來,中國也開展了此項研究[1]，英國、日本、挪威等國為波浪發(fā)電研究投入大量人力物力，成效最顯著。目前歐洲、澳洲和美國等更是對波浪能源利用給予更大期望，一方面進行科學試驗研究，一方面進行了許多波能轉(zhuǎn)換裝置海洋試驗，以提高波浪能捕獲，能源轉(zhuǎn)換和并網(wǎng)等技術(shù)。我國也開始投入更多的資金，參考發(fā)達國家經(jīng)驗，以期獲得關(guān)鍵技術(shù)突破。

浙江海域年平均波浪能功率5.32～7.31 kW[7-11]；近海年平均波浪能功率2～6 kW[12-13]；該海域波浪能利用有效時間長[14]，具有很好的開發(fā)利用前景。舟山群島由1 390個大小島嶼組成，海洋經(jīng)濟新區(qū)的成立，帶動新一輪發(fā)展，勢必極大增加能源需求[15]；而其海洋能源資源豐富，有條件充分利用海洋能源。所以，在此探討舟山海域波浪能利用方案與設(shè)想是非常有意義的。

1　波浪能發(fā)電原理與波浪能利用技術(shù)發(fā)展

為了利用波浪能發(fā)電，目前人們提出各式各樣波浪能源轉(zhuǎn)換裝置[16-24]。按地理位置，可分為岸式[25-27]、近岸式和離岸式[28]。按波浪能轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)形式分為漂浮震蕩式、點吸收式[29]和平臺式[30]。按波浪能轉(zhuǎn)換裝置的操作形式，分為淹沒壓差式、 搖擺式[31-32]、 OWC（震蕩水柱式）[33-34]和越浪式裝置[35]。

然而，一些裝置可能帶有幾種分類特性。Babarit對能夠收集到詳細數(shù)據(jù)資料的各種波浪能裝置捕能效率采用波浪能捕捉寬度比（裝置捕捉波浪能/單寬理論波浪能/裝置特征寬度）[36]進行了比較。各類裝置波浪能捕捉寬度比范圍在3%～182%，每類裝置效率有高的也有低的，不同類型轉(zhuǎn)換裝置特性統(tǒng)計見表1。因此，無法判斷哪類裝置有明顯優(yōu)勢或劣勢，在實際應(yīng)用時，應(yīng)該根據(jù)具體裝置的特性進行選擇。

國內(nèi)外波浪能轉(zhuǎn)換裝置發(fā)展呈現(xiàn)幾種趨勢：

（1）從裝置本身來說，完善單體裝置水動力特性，提高波浪能量吸收效率。

（2）降低波浪發(fā)電成本，研究波浪裝置陣式布置，形成規(guī)模化，便于商業(yè)化運營。

（3）進行波浪能源裝置海上測試。

（4）完善儲能方式。

（5）安裝海上波浪能、風能、潮流和太陽能復(fù)合裝置等。

2　舟山波浪能資源分析

舟山位于浙江省東北部，東鄰東海，西面杭州灣，南面與浙江省大陸相距3 km左右，北面長江入海口。該海域眾多外島面臨廣闊東海，海域波浪資源豐富，是我國波浪能量儲量最大的海區(qū)之一（見圖1）。有居民的海島能源都十分緊缺，這些海島多遠離大陸，供電、供水緊張，嚴重制約了海島經(jīng)濟發(fā)展。因此，在深遠海及邊遠海島充分開發(fā)利用波浪能、海上風能資源，使之由近岸走向深遠海和邊遠海島，加速產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；蚱颇茉蠢Ь?，緩解能源危機，促進舟山地區(qū)可持續(xù)發(fā)展，迫在眉睫，意義深遠。

圖1　舟山海域島嶼分布

據(jù)文獻[7]研究表明，東極島至中塊島之間，譜峰周期7～9 s波浪蘊藏波浪能功率占全年50%左右，0.8～1.8 m有效波高所產(chǎn)生波浪能占全年70%左右；臺門鎮(zhèn)和蝦峙鎮(zhèn)以東海域，譜峰周期6～9 s波浪蘊藏波浪能功率占全年70%左右，0.8～1.8 m有效波高所產(chǎn)生波浪能占全年60%以上；壁下鄉(xiāng)大嘴島以東，嵊山以北海域，譜峰周期6.5～8.5 s波浪蘊藏波浪能功率占全年50%左右，特別是6.5～7.5 s波浪能儲量較大，0.8～1.8 m有效波高所產(chǎn)生波浪能占全年60%左右，0.8～2.2 m有效波高所產(chǎn)生波浪能占全年75%左右。年均波浪能功率密度在5～6 kW/m，波浪資源豐富。

表1　不同類型波浪能源轉(zhuǎn)換裝置特性統(tǒng)計（基于Babarit研究[36]和M4資料）

舟山市陸域面積1 440 km2，海域面積2.08萬km2，大小島嶼1 390個，島嶼岸線2 444 km，外島多位于-20 m等深線以外，這里水深、浪大，是波浪能利用的好場所。外島分布總體看，從南向北呈SSW（南偏西南）到NNE（北偏東北）走向分布。局部外島又呈群島式、孤島式、環(huán)抱式、外突式等等（圖2—圖5），可以按島嶼特征采用不同波浪能利用方式，綜合開發(fā)利用。下面依據(jù)波浪能裝置特點提出一些建議和展望，希望為本地區(qū)波浪能利用提供參考。

圖2　群島式

圖3　孤島式

圖4　環(huán)抱式

圖5　外突式

3　舟山海域波浪能的利用方式

盡管舟山海域波浪資源豐富，但每年有4次左右臺風登陸，對裝置安全存在巨大威脅，因此在波浪能利用的設(shè)計、建設(shè)、安裝和運營維護等方面都要引起足夠重視。

另外，可以依據(jù)海島特征利用波浪反射、聚焦、淺水變形和爬坡等特性，提高波浪能利用效率。還要考慮環(huán)境影響，盡量減少對環(huán)境較大改變，具體方案如下：

3.1　岸式

岸式波浪能轉(zhuǎn)換裝置受潮位影響較大，舟山海域可以將波浪能利用和潮汐能利用結(jié)合起來，特別在群島式或環(huán)抱式岸線上。該海域外島至少10個以上海灣面積大于2 km2，具有建成潮汐和波浪能利用發(fā)電廠的水域面積和波浪資源。波浪能轉(zhuǎn)換裝置可以采用越浪式、震蕩水柱式或點吸收式（見圖6），可以連接陸域建成封閉水域，使連接的堤壩基本垂直常浪向和強浪向，利用波浪反射增大堤前波高。如采用越浪式波浪能設(shè)施，利用深水大浪的同時，堤體結(jié)構(gòu)反射增加了越浪量。也可以利用震蕩水柱式裝置，在這方面我國具有大型沉箱結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工建造能力；建造大型底部開孔箱體，上部設(shè)汽輪發(fā)電機透氣孔，即可實現(xiàn)震蕩水柱式波能利用裝置?；蛘哌€可以利用固定點吸收式裝置，在堤壩上安裝滑桿和振動浮子，利用浮子吸收波浪能。同時設(shè)置單向水流進入的流道，漲潮時蓄水發(fā)電、落潮時放水發(fā)電。形成波浪能和潮汐能綜合利用的發(fā)電設(shè)施。

圖6　波浪能潮汐能綜合利用場所設(shè)想

在孤島式和外突式島嶼上（見圖7），波浪能裝置可以采用越浪式、震蕩水柱式或點吸收式?？梢跃植刻幚戆毒€使其基本垂直常浪向，利用波浪反射增大堤前波高?；蚶冒毒€夾角，稍作工程處理使其形成局部波浪能集中的區(qū)域，提高波浪能利用效率。

圖7　利用波浪反射或夾角波浪能集中的波能利用場所設(shè)想（岸式）

岸式能源轉(zhuǎn)換裝置使用，方便利用海島電力進行海水淡化，解決海島淡水不足的問題。在局部海灣筑壩攔水，勢必引起其他附近水域水流流速變化，在流速增大的水域可設(shè)置潮流發(fā)電設(shè)施。

波浪能、潮汐能和潮流能的綜合利用要以海域資源細致調(diào)查為基礎(chǔ)，首先了解自然資源，然后進行擬建工程水域內(nèi)資源重新分配的模擬調(diào)查，包括詳盡數(shù)值模擬和必要物理模擬，指導(dǎo)工程設(shè)計、優(yōu)化和實施。

3.2　近岸式

在相對較淺的水域（一般水深小于1/2波長），通常采用適用于近岸波浪能轉(zhuǎn)換裝置，如搖板式、系于海底基礎(chǔ)上的點吸收式或安裝于固定平臺上的點吸收式等。這里也可充分利用波浪傳播特性，尋找與波浪入射方向接近垂直的岸線前淺水域、或具有水深沿波浪傳播方向陡然變淺的水域、或能夠產(chǎn)生波浪能集中的夾角水域，如圖8所示。適當處理附近岸線，以便于波浪能量集中，這種處理須盡量減少對環(huán)境的影響。為了能夠充分利用波浪能，波浪能轉(zhuǎn)換裝置在淺水水域按陣列布置，形成規(guī)模、降低單位成本。同時考慮陣列布置方式時，使該布置每一個裝置的波浪能吸收能夠達到最大化。這種布置方式的比較需要有數(shù)值或物理模型試驗來提供科學支持。

圖8　利用波浪反射或夾角波浪能集中的波能利用場所設(shè)想（近岸式）

在這類水域還可以考慮波浪能和潮流能、風能的綜合利用，提高海洋能利用效率。如采用固定平臺上點吸收式浮子裝置吸收波浪能，平臺上部可設(shè)風機塔，支撐平臺的結(jié)構(gòu)下部安裝低水頭水輪機，利用潮流能發(fā)電。

3.3　離岸式

漂浮震蕩式波浪能轉(zhuǎn)換裝置適用于離岸深水區(qū)。如前所述，有各種各樣的漂浮震蕩式波浪能裝置，其中M4（系泊多浮體多模式），見圖9，波浪能轉(zhuǎn)換裝置具有很高的波浪能捕獲效率[37-40]，按Babarit對裝置波浪能捕捉寬度比的定義，其波浪能捕捉寬度比最大達182%。該裝置設(shè)計適用于離岸深水海域，物理試驗?zāi)M顯示能在16 m巨浪情況下生存。它由3個吸收波浪能的浮體沿波浪傳播方向一字排開，迎浪為最小尺度浮體，錨鏈系于該浮體上；中間為中尺度浮體，和小尺度浮體剛性連接；第3個為大尺度浮體，其上部剛性連接一鋼梁與中間浮體上的立柱鉸接；發(fā)電機構(gòu)是連接立柱和鋼梁的氣缸。該裝置不同尺度浮體對應(yīng)不同自振頻率，可較好利用共振原理吸收海上不同頻率波浪。系泊多浮體多模式M4波浪能轉(zhuǎn)換裝置已完成大量理論分析、數(shù)值和物理試驗研究，具有完善的研究基礎(chǔ)，因此，設(shè)想在舟山外島深水海域使用。以島嶼為支撐，提供陸域支持，浮式多模式波浪能裝置設(shè)于深水大浪區(qū)，可以較好利用波浪資源，使電力轉(zhuǎn)換最大化。同時考慮陣列式布置，提高電量生產(chǎn)、降低單位電價；設(shè)想布置見圖10。該裝置的研究仍在進行中，包括浮式多連體物體運動數(shù)學模型、錨泊系統(tǒng)模型和流體水動力學模型及相關(guān)物理模型，并有效地結(jié)合；進一步優(yōu)化裝置機構(gòu)；研究各種海況情況下裝置波浪能捕捉寬度和極端海浪條件下結(jié)構(gòu)受力等，為設(shè)計提供科學依據(jù)。

圖9　M4波浪能源轉(zhuǎn)換裝置

圖10　浮式、多模式、潛浮的波浪能裝置在深水區(qū)波能利用場所設(shè)想

離岸深水區(qū)也可以考慮波浪能、潮流能、風能、甚至太陽能的綜合利用，但綜合利用的設(shè)施復(fù)雜，海上環(huán)境條件又非常惡劣，在裝置研究不很成熟的情況下，考慮單一裝置比較實際。

4　結(jié)語

以上首先介紹了波浪能利用的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢；然后分析了舟山海域波浪資源，介紹了舟山4種島嶼特征形式；結(jié)合國內(nèi)外波浪能源裝置研究和舟山海域外島特征及波浪資源，提出了適用島嶼岸式、近岸和離岸式波浪能利用設(shè)想和展望。特別是近岸圍灣筑壩綜合利用潮汐、波浪能和潮流能，試圖尋求能源最大化的利用模式，及離岸漂浮多模式波浪能轉(zhuǎn)換裝置既能高效捕捉波浪能又具有抗臺風浪能力，為波浪能源開發(fā)利用提供參考。