李學(xué)民

浙江浙能鎮(zhèn)海聯(lián)合發(fā)電有限公司

0 引言

海洋是孕育人類的搖籃，也蘊(yùn)藏著巨大的能量，海洋覆蓋了地球70%的表面，全球約44%的人口都居住在距海岸線150 km的范圍內(nèi)，人類向大海索取資源或?qū)⒊蔀楸厝坏内厔?shì)。理論上，海洋完全可以滿足地球上所有的能源需求，并且不會(huì)對(duì)大氣造成污染，由于波浪能是海洋能中品位最高、分布最廣的可再生清潔能源（其分布情況如圖1所示）,如何高效利用廣闊的波浪能，一直是各國科技工作者夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。

近年來，世界許多國家都在積極開展波浪能發(fā)電技術(shù)的研究和探索，有的處在研發(fā)期，有的已生產(chǎn)出了各種類型的波浪能發(fā)電裝置，進(jìn)入了海洋試驗(yàn)階段，還有的已成功發(fā)電，并向特定的用戶進(jìn)行供電。然而，波浪能發(fā)電普遍存在發(fā)電功率小、發(fā)電不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率不高、制造和運(yùn)維成本高等問題，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作，還需社會(huì)各方的共同努力。

本文就國內(nèi)外近年來在波浪能發(fā)電方面的研究情況進(jìn)行一個(gè)初步的分析，提出未來發(fā)展建議，為助推波浪能發(fā)電向商業(yè)化發(fā)展提供動(dòng)力。

1 國內(nèi)外波浪能研發(fā)現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

全球范圍內(nèi)，目前僅有英國(Aquamarine、Ecotricity、REH、AWS Ocean、PWP 公 司)、愛 爾 蘭（Ocean Energy公司）、丹麥（Wave Star、Waveplane、Wavedragon公司）、美國（OPT公司）、澳大利亞（Energetch公司）和挪威（LWP公司）等國家研發(fā)了一些波力發(fā)電裝置[1-20]（見圖2）。

圖1 全球波浪能能流密度分布（圖中數(shù)字的單位為kW/m）

圖2 國外波力發(fā)電部分產(chǎn)品樣機(jī)

當(dāng)前，能夠持續(xù)在海洋中運(yùn)行的離岸波浪能裝置已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)，如英國的改良筏式裝置即第二代海蛇（Pelamis），以及浮力擺裝置牡蠣（Oyster），美國的點(diǎn)吸收裝置PowerBuoy，愛爾蘭的漂浮振蕩水柱式裝置OE Buoy等，有的作為示范或特殊軍用，進(jìn)行了獨(dú)立發(fā)電和并網(wǎng)測(cè)試。

國際上現(xiàn)有的波力發(fā)電裝置主要有點(diǎn)吸收式、擺式、振蕩水柱式、越浪式、筏式和點(diǎn)頭鴨式6種類型[2]。

點(diǎn)吸收式的代表性裝置有愛爾蘭的Wavebob、美國的Powerbuoy等，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于模塊化制造，單位體積功率比較高，但容易“隨波逐流”，對(duì)波頻敏感，俘獲波能有限。

擺式裝置有英國的Oyster、葡萄牙的Waveroller等，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝置可靠性較好，但岸式結(jié)構(gòu)受潮汐漲落影響，漂浮式轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定需剛性系泊，俘獲波能有限。

振蕩水柱式的代表性裝置有澳大利亞的Oceanlinx和愛爾蘭的OE-Buoy。振蕩水柱式由空氣作為能量傳遞介質(zhì)，能量傳遞過程無活動(dòng)部件，大浪條件下不易損壞，可靠性高，裝置排水量相對(duì)較小，目前空氣透平轉(zhuǎn)換效率低（15%），其水動(dòng)力特性不夠理想。

越浪式裝置有丹麥的Wave Dragon、挪威的TAPCHAN等，水體本身為能量傳遞介質(zhì)，能量傳遞過程無活動(dòng)部件，但結(jié)構(gòu)體積大，波浪越浪量和轉(zhuǎn)換效率受有效波高影響，如果有非常好的波浪條件，建造成本可控制在較合理水平。

筏式的代表性裝置有英國的Pelamis[3,9,12]，該裝置吸收能量多，發(fā)電功率大，對(duì)波頻變化敏感度不高，使得裝置能在設(shè)計(jì)工況下高效俘能，而在極端海況下低效俘能，從而具有高的生存能力。這種筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電效率高，如第二代Pelamis裝置（由五節(jié)長36 m、直徑為4 m的圓筒所組成）在海上試驗(yàn)中所測(cè)得的俘獲寬度比（效率）達(dá)86%，該裝置自由懸浮在水中可應(yīng)對(duì)惡劣海況，其安全性較高且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但成本相對(duì)較高。

點(diǎn)頭鴨式裝置[6]需要在海域內(nèi)固定，能截獲大部分的波浪能，效率較高，但其吸收功率源方式單一、頻響寬度較小，制造成本較高，可靠性和生存能力一般。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，我國目前在引進(jìn)和消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了單機(jī)功率大小不等的各類波浪發(fā)電裝置，一些裝置也已開展了海上測(cè)試多年，并實(shí)現(xiàn)了成功發(fā)電。

國家海洋技術(shù)中心于2012年7月在大管島海域?qū)?00 kW浮力擺式裝置進(jìn)行了海試，經(jīng)受了臺(tái)風(fēng)考驗(yàn)。山東大學(xué)于2012年11月在山東成山頭海域開展了120 kW振蕩浮子式波浪能裝置的海上試驗(yàn)。浙江海洋學(xué)院研制了“惡劣海況下自保護(hù)式波浪能發(fā)電裝置”，于2013年5月在舟山海域進(jìn)行試驗(yàn)。集美大學(xué)于2014年6月在廈門小嶝島海域?qū)?0 kW浮擺式波浪能裝置進(jìn)行了海試。中船重工710所研制的筏式波浪能裝置于2014年7月開始海試，8月中旬因海況惡劣而中止試驗(yàn)。中國海洋大學(xué)對(duì)點(diǎn)吸收式裝置、越浪式裝置進(jìn)行了研究。中科院電工所于2017年對(duì)10 kW磁流體波浪能發(fā)電裝置開展了海試研究。

我國一些大型企業(yè)制造了與海蛇二代波浪能發(fā)電裝置相似結(jié)構(gòu)（即采用二節(jié)鉸接的圓筒浮體和多節(jié)鉸接的圓筒浮體，油壓驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電）的發(fā)電裝置，并開展了海試，但沒有達(dá)到預(yù)期效果。

中科院廣州能源所于2013年制造了100 kW漂浮點(diǎn)鴨式發(fā)電裝置[21,22]，裝置重350 t，長寬高尺寸為23×12×14 m，有效波高0．7～4 m，在大萬山島進(jìn)行了海試。2015年11月20日，中科院廣州能源所開始在萬山島海域測(cè)試100 kW鷹式裝置的性能，該裝置長寬高為36×24×16 m、吃水深12 m，為半潛駁船與波浪能轉(zhuǎn)換設(shè)備的結(jié)合體，在波高0．6～2．5 m（對(duì)應(yīng)波周期 4．0～6．5 s）時(shí)裝置發(fā)電效率約20%。

清華國際研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過幾年的探索，研發(fā)了適應(yīng)各類波高和不同能量密度的筏式波龍I型發(fā)電裝置[13]（見圖3），該裝置基于波浪能利用技術(shù)的研究現(xiàn)狀，在Pelamis裝置技術(shù)基礎(chǔ)上作了一些重大的技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新，具有生存能力強(qiáng)、能量轉(zhuǎn)換效率高、頻響寬度寬的優(yōu)勢(shì)。主要體現(xiàn)在：

1）采用流線型、低排水量的體型技術(shù)，使裝置在較小波浪力作用下能高效工作；

2）采用單向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，使水平布置的液壓缸只受軸向力，更好地確保其正常工作，且液壓缸布置在水面以上，有利于防腐蝕和維護(hù)；

3）采用大小機(jī)組組合及控制技術(shù)，使得裝置在各種大小海況下都能高效運(yùn)行；

4）采用前點(diǎn)浮球系泊和后點(diǎn)控制轉(zhuǎn)向范圍系泊的雙點(diǎn)系泊技術(shù)，有利于減弱錨鏈對(duì)于多結(jié)構(gòu)體相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的約束作用，也有利于裝置與來波方向一致，使裝置最大程度俘獲能量；

5)采用儲(chǔ)能技術(shù)及壓強(qiáng)、流量控制技術(shù)，從而提高電力輸出穩(wěn)定性和增大發(fā)電量。

目前該裝置已完成了理論研究和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，準(zhǔn)備適時(shí)打造樣機(jī)，開展海試。

2 當(dāng)前存在的問題

雖然各國波浪能發(fā)電示范研究都有了一些進(jìn)展，取得了具有較高科學(xué)價(jià)值的相關(guān)數(shù)據(jù)，但從目前技術(shù)發(fā)展來看，波浪能發(fā)電裝置的研發(fā)仍處在技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化前夕階段，還有諸多問題需要解決，主要有以下4個(gè)方面的表現(xiàn)。

1）波浪能利用的理論和開發(fā)技術(shù)目前仍在發(fā)散，說明國內(nèi)外研究人員對(duì)波浪能利用技術(shù)的看法并不統(tǒng)一。而實(shí)際上，這種技術(shù)的統(tǒng)一是相當(dāng)困難的，原因在于世界各地的波浪能資源不盡相同。我國海域主要靠季風(fēng)產(chǎn)生波浪，波浪能流密度約2～10 kW/m，而西風(fēng)帶的英國、挪威、西班牙、澳大利亞、美國等大洋東岸海域內(nèi)波浪能流密度高達(dá)50～90 kW/m，波浪能資源較為豐富。此外，波浪的形態(tài)也極不穩(wěn)定，通常表現(xiàn)為風(fēng)浪、涌浪和近岸浪三種，因此，對(duì)波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)利用的側(cè)重點(diǎn)也不同，難以達(dá)成統(tǒng)一的技術(shù)。

2）現(xiàn)今波浪能的利用形式是將大面積的波浪能加以吸收，并集中轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再帶動(dòng)電磁發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。由于波向、波高、周期等波浪要素的隨機(jī)性較大，如何最大限度地獲取波浪能，提高轉(zhuǎn)換效率是一個(gè)需要不斷試驗(yàn)總結(jié)改進(jìn)的過程，進(jìn)而造成研發(fā)周期長、運(yùn)維和試驗(yàn)費(fèi)用高等問題。

3）我國是一個(gè)季風(fēng)特點(diǎn)的波浪形態(tài)，能量密度較小，能量俘獲難度更大，外加?xùn)|海和南海臺(tái)風(fēng)較多，極端氣候時(shí)有出現(xiàn)，如何提高波浪能裝置的可靠性也需要在實(shí)踐中找到答案。

4）就筏式等波浪能裝置，其液壓缸泄漏問題至今未能得到有效解決，而浮式振蕩水柱波浪能發(fā)電裝置，如何解決高效沖動(dòng)式空氣透平效率問題，有待于技術(shù)上的進(jìn)一步突破。

圖3 波龍Ⅰ型發(fā)電裝置外形圖

3 波浪能裝置發(fā)展建議

3.1 加大政策導(dǎo)向和扶持力度

國家應(yīng)出臺(tái)有關(guān)波浪能研發(fā)和利用的鼓勵(lì)政策，明確有關(guān)地方政府為波浪能海洋試驗(yàn)提供必要的場(chǎng)所和支持。成立有權(quán)威性、代表性的國家層面波浪能研發(fā)團(tuán)隊(duì)，集各家所長，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷改進(jìn)。此外，還應(yīng)給予國家電網(wǎng)對(duì)可并網(wǎng)的波浪發(fā)電裝置接入系統(tǒng)的政策支持，明確波浪能優(yōu)惠的上網(wǎng)電價(jià)，盡可能地提高波浪能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 加強(qiáng)產(chǎn)、學(xué)、研合作

形成國家支持，學(xué)院、科研單位和企業(yè)共同投入的開發(fā)體系，有效發(fā)揮各自所長，破解目前因研發(fā)經(jīng)費(fèi)不足和技術(shù)上的瓶頸所帶來的困境。此外拓展思路，積極探索諸如摩擦納米發(fā)電技術(shù)的波浪能發(fā)電裝置。

3.3 探索波浪能發(fā)電與海上風(fēng)電共同開發(fā)的示范項(xiàng)目研究

充分利用海上風(fēng)電附近海域，借助其電網(wǎng)接入、運(yùn)維平臺(tái)等便利條件，最大限度地降低波浪能發(fā)電研發(fā)成本，同時(shí)結(jié)合太陽能、儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)的開發(fā)模式。此外，還可考慮與海洋養(yǎng)殖、旅游觀光相結(jié)合，開發(fā)多功能一體的商業(yè)運(yùn)營模式。

4 結(jié)語

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，我國正在著力開發(fā)海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，特別是一些遠(yuǎn)離大陸的海島、海上工作平臺(tái)的電力短缺問題亟待解決。如果能研發(fā)出一種高效可靠的波浪能發(fā)電裝置，將是一種可持續(xù)提供清潔能源的途徑，為海洋強(qiáng)國提供可靠的能源保障。