張亞群，盛松偉?，游亞戈，王坤林，王振鵬

（1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

0 引 言

我國(guó)擁有3.2萬(wàn)km海岸線，300 多萬(wàn)km2海洋國(guó)土，海洋資源豐富，海洋開發(fā)活動(dòng)方興未艾。波浪能作為海洋能中的一種，其資源儲(chǔ)存量豐富[1-2]，優(yōu)勢(shì)明顯，發(fā)展前景樂觀。波浪能在我國(guó)作為一種新興的海洋清潔可再生能源，在中國(guó)未來能源結(jié)構(gòu)中的作用不可小覷。發(fā)展波浪能是國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略的必然要求，波浪能的開發(fā)和應(yīng)用將會(huì)成為我國(guó)能源領(lǐng)域未來研究的熱點(diǎn)。波浪能發(fā)電技術(shù)的研究同時(shí)也有利于推動(dòng)我國(guó)海洋高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

對(duì)國(guó)內(nèi)外波浪能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行綜述以期為海洋能的利用提供參考和建議。

1 波浪能發(fā)電技術(shù)

波浪能發(fā)電技術(shù)已有逾百年的歷史，關(guān)于波浪能發(fā)電技術(shù)的專利多達(dá)數(shù)千項(xiàng)，發(fā)電裝置形式多種多樣。波浪能發(fā)電技術(shù)研究主要集中于波浪能捕獲裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從較早的振蕩水柱式，到近些年來發(fā)展較好的擺式、振蕩浮子式、點(diǎn)吸收式等多種形式的裝置。目前行之有效的波浪能俘獲技術(shù)基本都根據(jù)以下幾種原理：（1）利用捕獲浮體在波浪作用下的垂蕩或縱搖等運(yùn)動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換為捕獲浮體的機(jī)械能（振蕩浮子式）；（2）通過收縮波道等結(jié)構(gòu)，利用波浪的爬升，將波浪能轉(zhuǎn)換成海水的勢(shì)能（收縮波道式或稱越浪式）；（3）利用有限封閉空間內(nèi)波浪的擠壓，將波浪能轉(zhuǎn)換為空氣或其他流體的動(dòng)能等（振蕩水柱式和軟囊式）[3]。

振蕩水柱式裝置作為最早發(fā)展起來的第一代波浪能發(fā)電技術(shù)，雖然一級(jí)俘獲寬度比較高，但是二級(jí)空氣透平轉(zhuǎn)換效率低，導(dǎo)致整體轉(zhuǎn)換效率低。越浪式裝置由于需要收縮波道和高位水庫(kù)結(jié)構(gòu)，尺寸往往較大，建造施工成本高。除此之外，岸式越浪裝置對(duì)地形要求嚴(yán)苛，漂浮式越浪裝置對(duì)錨泊系統(tǒng)要求高。軟囊式裝置現(xiàn)在還不成熟，一級(jí)俘獲效率低，俘獲技術(shù)還需要進(jìn)一步優(yōu)化提高。振蕩浮子式裝置依靠浮子的相對(duì)振蕩運(yùn)動(dòng)來俘獲波浪能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)成本低，通過優(yōu)化俘獲浮子，可以達(dá)到很高的一級(jí)俘獲寬度比，同時(shí)依靠成熟的液壓能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)裝置整體的高可靠性、高效率和高壽命[4-6]。

從技術(shù)角度來看，離岸漂浮式波能轉(zhuǎn)換技術(shù)研究是當(dāng)今波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流，漂浮式波能裝置在投放運(yùn)行時(shí)選址更加靈活方便，除了裝置的錨泊系統(tǒng)需要考慮水深因素之外，不必進(jìn)行水下施工，避免昂貴的施工成本，漂浮式裝置依靠船舶行業(yè)成熟的技術(shù)更易批量制造和集中投放，可以形成大規(guī)模的波浪能發(fā)電場(chǎng)，后期裝置的維護(hù)也較便利，起錨之后依靠船舶可以方便運(yùn)輸。

綜上可知，離岸漂浮振蕩浮子式波浪能裝置更能代表今后波浪能的發(fā)展方向，近年來國(guó)內(nèi)外發(fā)展較好的波能轉(zhuǎn)換裝置絕大部分為離岸漂浮振蕩浮子式。

2 波浪能裝置研發(fā)現(xiàn)狀

經(jīng)濟(jì)性是評(píng)價(jià)新技術(shù)能否轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)力的主要指標(biāo)之一。就波浪能轉(zhuǎn)換裝置而言，高效率、高可靠性和低成本意味著良好的經(jīng)濟(jì)性，其中裝置的成本包含建造、投放和維護(hù)成本。

英國(guó)、丹麥等西北歐國(guó)家以及日本、美國(guó)在波浪能發(fā)電技術(shù)起步較早，投入大，較為領(lǐng)先，這些國(guó)家沿海波浪能資源豐富，已經(jīng)建立了多個(gè)大型示范電站，其中已有一些商業(yè)化的裝置，如英國(guó)的筏式裝置“Pelamis”（圖1）；蘇格蘭的擺式裝置“Oyster”（圖2）；美國(guó)的點(diǎn)吸收式裝置“Power Buoy”（圖3）；澳大利亞的振蕩水柱式裝置“Energetech oscillating wave column（OWC）”（圖4）；丹麥的振蕩浮子式裝置“Wave Star”（圖5）。

圖1 英國(guó)筏式裝置“Pelamis”Fig.1 Pelamis wave energy converter (WEC)in England

圖2 蘇格蘭擺式裝置“Oyster”Fig.2 Oyster WEC in Scotland

圖3 美國(guó)點(diǎn)吸收式裝置“Powerbuoy”Fig.3 Powerbuoy WEC in America

圖4 澳大利亞振蕩水柱裝置“Energetech OWC”Fig.4 “Energetech OWC” in Australia

圖5 丹麥振蕩浮子式裝置“Wave Star”Fig.5 Wave Star WEC in Denmark

在我國(guó)，波浪能裝置研究起步于20世紀(jì)80年代，雖晚于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，但技術(shù)并不落后，許多研究機(jī)構(gòu)，例如中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所、國(guó)家海洋技術(shù)中心、清華大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)、浙江大學(xué)、華南理工大學(xué)、集美大學(xué)、710所等都對(duì)波浪能進(jìn)行了深人的研究。國(guó)內(nèi)唯一一個(gè)進(jìn)入了商業(yè)化生產(chǎn)的波浪能裝置是由中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所在20世紀(jì)80年代研發(fā)的航標(biāo)燈用波浪能發(fā)電裝置（見圖6），累計(jì)銷售約1 000臺(tái)，其中部分出口到新加波、英國(guó)。目前國(guó)內(nèi)已并網(wǎng)發(fā)電的波浪能裝置是由中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所研發(fā)的“萬(wàn)山號(hào)”和“先導(dǎo)一號(hào)”，這兩種波浪能裝置均是基于鷹式技術(shù)的振蕩浮子式波浪能裝置。

圖6 航標(biāo)燈用BD-102型波浪能發(fā)電裝置Fig.6 Type BD-102 WEC for pharos

3 波浪能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向

波浪能發(fā)電技術(shù)雖經(jīng)過近百年的發(fā)展，出現(xiàn)了種類繁多的波浪能裝置，但其優(yōu)劣勢(shì)參差不齊。近年來，波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，波浪能裝置的應(yīng)用價(jià)值也日益突出。因此，如同其他新技術(shù)一樣，波浪能發(fā)電技術(shù)需要合理有序地規(guī)劃發(fā)展方向，開拓應(yīng)用領(lǐng)域或市場(chǎng)，才可長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

3.1 形成微電網(wǎng)供電

波浪能裝置作為獨(dú)立的發(fā)配電系統(tǒng)，依靠自身的控制及管理供能實(shí)現(xiàn)功率平衡控制、系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化、故障檢測(cè)與保護(hù)、電能質(zhì)量治理等方面的功能，組成了一套完整的電力系統(tǒng)，形成了小型智能微電網(wǎng)，為裝置自掛或外部的海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備、海洋水文儀器、海洋測(cè)試儀器等供電[7]。

形成微電網(wǎng)供電的波浪能技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用主要為小型化波浪能供電裝置。十千瓦級(jí)海洋波浪能發(fā)電設(shè)備的成功開發(fā)，可解決小型海洋工程設(shè)備長(zhǎng)期以來的缺電現(xiàn)象，最大程度地利用海洋豐富的波浪能資源，最小程度地利用蓄電池一次供電，綠色穩(wěn)定的電力供應(yīng)將會(huì)開啟海洋測(cè)量事業(yè)的快速發(fā)展之門。中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所積極開展小型波浪能發(fā)電裝置的最優(yōu)外形、最大功率捕獲等理論與技術(shù)研究，成功開發(fā)多種型號(hào)的小型波浪能發(fā)電裝置，目前主要包含兩個(gè)方面的應(yīng)用：航標(biāo)燈用波浪能發(fā)電裝置和海上觀測(cè)及防護(hù)網(wǎng)用波浪能發(fā)電裝置，如圖7所示。這種小型的波浪能發(fā)電裝置具有實(shí)時(shí)定位、數(shù)據(jù)傳輸、充放電自我保護(hù)、自動(dòng)報(bào)警等功能，作為小型的智能微電網(wǎng)為航標(biāo)燈及航標(biāo)其他用電設(shè)備供電。目前這類小型化波浪能技術(shù)在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，并正在逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

圖7 小型波浪能發(fā)電裝置Fig.7 Small WECs

3.2 并入大型電網(wǎng)供電

波浪能供電裝置作為大型電網(wǎng)的有力補(bǔ)充，以可再生能源為能量來源，以綠色能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石油化工能源，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[8]。

圖8 鷹式波浪能發(fā)電裝置“萬(wàn)山號(hào)”Fig.8 Sharp Eagle WEC “Wanshan”

圖9 海上可移動(dòng)能源平臺(tái)“先導(dǎo)一號(hào)”Fig.9 Marine moveable energy platform “Xiandao I”

實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次近海并網(wǎng)發(fā)電的波浪能發(fā)電裝置是鷹式波浪能裝置“萬(wàn)山號(hào)”，如圖8。2015年，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所成功建成我國(guó)首臺(tái)100 kW鷹式裝置工程樣機(jī)“萬(wàn)山號(hào)”，于2015年11月在珠海市萬(wàn)山島開始實(shí)海況試驗(yàn)。裝置實(shí)現(xiàn)了0.5 m微小波高下間歇發(fā)電，4 m高大浪工況下安全發(fā)電，整機(jī)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20%以上，在世界上處于領(lǐng)先地位。2017年4月，“萬(wàn)山號(hào)”鷹式波浪能發(fā)電裝置在珠海市萬(wàn)山島并網(wǎng)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)波浪能電力首次進(jìn)入海島居民家庭使用，在海洋能發(fā)展史上具有里程碑意義。繼鷹式波浪能裝置“萬(wàn)山號(hào)”之后，2018年8月31日，260 kW“先導(dǎo)一號(hào)”海上可移動(dòng)能源平臺(tái)通過海底電纜成功并入三沙市永興島電網(wǎng)，標(biāo)志著我國(guó)成為全球首個(gè)在深遠(yuǎn)海布放波浪能發(fā)電裝置并成功并網(wǎng)的國(guó)家?！跋葘?dǎo)一號(hào)”可移動(dòng)能源平臺(tái)也是全球首個(gè)海上波-光-儲(chǔ)互補(bǔ)平臺(tái)，如圖9。

3.3 組成獨(dú)立發(fā)電站

波浪能利用技術(shù)的主要應(yīng)用之一為供電，每臺(tái)波浪能裝置即為一座發(fā)電站。單臺(tái)波浪能裝置供電能力有限，供電距離也受控，很難形成大型的供電站。但多臺(tái)波浪能裝置可形成波浪能裝置群，可靈活組合成不同裝機(jī)容量的波浪能發(fā)電站，為不同規(guī)模、不同需求的用戶供電。例如2017年我國(guó)首個(gè)兆瓦級(jí)波浪能示范場(chǎng)由原國(guó)家海洋局支持、由中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所牽頭建設(shè)。該波浪能示范場(chǎng)旨在利用中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所鷹式波浪能發(fā)電技術(shù)，在珠海市萬(wàn)山島打造我國(guó)首個(gè)、亞洲領(lǐng)先、國(guó)際一流的兆瓦級(jí)波浪能示范場(chǎng)，使萬(wàn)山成為我國(guó)對(duì)外集中展示波浪能技術(shù)的重要基地，并向全國(guó)其他海島推廣應(yīng)用。該示范場(chǎng)中建設(shè)多個(gè)波浪能裝置系泊點(diǎn)，為形成波浪能裝置群提供了基礎(chǔ)條件，同時(shí)也形成獨(dú)立的發(fā)電站，為島礁及其居民供電。

另外，國(guó)內(nèi)方面，香港大學(xué)的Motor Wave、浙江海洋大學(xué)的“海院1號(hào)”、集美大學(xué)的“集大1號(hào)”，均是陣列式發(fā)電場(chǎng)的嘗試[9-11]。

3.4 多功能綜合平臺(tái)

隨著海上生產(chǎn)活動(dòng)的廣泛開展，波浪能裝備最終將向多能互補(bǔ)和平臺(tái)化方向發(fā)展，且有望建成集科考、探測(cè)、旅游、科普、供電等多種功能為一體的綜合平臺(tái)，甚至建造供人類生產(chǎn)與生活的浮動(dòng)島嶼[12]。海洋是可再生能源在立體空間上的集合。在海洋中蘊(yùn)藏著豐富的波浪能、潮流能、潮汐能、鹽差能、溫差能等多種海洋能；在海面上，無(wú)建筑物的影響，海上風(fēng)力強(qiáng)勁，風(fēng)速快且傳播范圍廣，風(fēng)能資源比陸地更為豐富；且海上面積廣闊，無(wú)結(jié)構(gòu)物的遮蔽，太陽(yáng)能資源更易于利用。在單種可再生能源的利用上，存在資源量在時(shí)間上和空間上分布不均勻、周期性變化的現(xiàn)象，但將多種可再生能源綜合在一個(gè)公共的基礎(chǔ)平臺(tái)上，統(tǒng)一管理、統(tǒng)一轉(zhuǎn)換、統(tǒng)一利用，將大大降低綜合成本，提高能源的利用率，提升能量的可適應(yīng)性[13]。該綜合平臺(tái)可根據(jù)需求增加功能，例如，在提供電力以外供應(yīng)淡水，可自主變動(dòng)工作海域，應(yīng)用范圍將不斷地?cái)U(kuò)大，靈活性幅度不斷提高。另外，波浪能裝置在提供電能的同時(shí)還能起到消波的作用，保護(hù)島礁及島上居民的生產(chǎn)生活安全。

中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所將鷹式波浪能發(fā)電技術(shù)與漁業(yè)養(yǎng)殖、遠(yuǎn)海旅游、科普教育等有效結(jié)合起來，利用波浪能為半潛式波浪能發(fā)電-養(yǎng)殖-旅游平臺(tái)供電，可解決傳統(tǒng)養(yǎng)殖網(wǎng)箱無(wú)法走出港灣、無(wú)法獲得有效能源、無(wú)法在惡劣海況中生存等問題，服務(wù)國(guó)家海洋牧場(chǎng)、藍(lán)色糧倉(cāng)建設(shè)。該平臺(tái)技術(shù)已申請(qǐng)中國(guó)、歐盟、日本和加拿大專利。首臺(tái)樣機(jī)已于2019年6月建成，目前正在開展實(shí)海況試驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合分析了不同波浪能技術(shù)，介紹了國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行商業(yè)化的波浪能裝置，詳細(xì)闡述了波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展方向。

隨著國(guó)家“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，波浪能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展步伐將逐步加快，技術(shù)成熟度必定越來越高。與傳統(tǒng)化石能源相比，波浪能發(fā)電技術(shù)目前雖然還存在成本偏高、穩(wěn)定性及可靠性不足等問題，但隨著各國(guó)政府對(duì)可再生能源的重視度逐漸提高，經(jīng)費(fèi)支持力度逐步增大，以及投入其中的科研技術(shù)力量的不斷增多，波浪能的發(fā)展前景將十分廣闊[14]，波浪能發(fā)電技術(shù)也將會(huì)有更大的發(fā)展空間，在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用。