趙金峰，黃筱云，陳 理

（1.長沙理工大學水利與環(huán)境工程學院，湖南 長沙 410114；2.湖南水利水電職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410131）

引 言

電力消耗水平是衡量社會和諧發(fā)展的重要指標。到2040年，發(fā)電量將占到全球能源消耗的40%。傳統(tǒng)能源終究有限，屆時新能源將扮演重要角色。過去的三十年，新能源的大規(guī)模開發(fā)主要集中在太陽能和風能領域，而波浪能發(fā)電技術的社會資本投入相對較少，還未實現(xiàn)產業(yè)化。波浪能利用本身并不是新鮮事物，13世紀的中國就利用波浪用于推動磨盤，法國人Girard于1799年申請了波浪能轉換的首份專利，法國人Praceique-Bochaux于1910年制造首套波浪能發(fā)電裝置，日本人增田吉夫于1940年開發(fā)出首套振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置[1]。較太陽能和風能而言，波浪能能量密度更大，且更可靠。波浪能轉化裝置的利用率也遠高于風能和太陽能轉化裝置[2]。

波浪能發(fā)電裝置形式多樣，但大致原理基本一致，即先通過波浪能捕捉裝置將波浪能吸收，再通過傳動機構將波浪能轉換成穩(wěn)定輸出的機械能，然后利用發(fā)電裝置將機械能轉化成電能[3]?，F(xiàn)有波浪能捕捉裝置包括振蕩水柱式、擺式、越浪式、鴨式、筏式、點吸式等[4]。依據(jù)其作用原理，可分為壓力差式、越浪式、浮體式和擺式四類，見圖1。在傳動方式上，振蕩水柱式裝置采用氣壓傳動，越浪式裝置通過水輪機傳動，其它裝置則利用液壓傳動[3]。根據(jù)修建位置，波浪能發(fā)電裝置分為海岸、近岸、離岸三類。根據(jù)捕捉裝置相對大小以及相對于波浪的擺放方式，分為消浪式、點吸式和終端式，見圖2。其中，消浪式裝置的長軸與波浪傳播方向一致，終端式的長軸則與波峰平行。

圖1 目前波浪能捕捉常見形式

圖2 波浪能捕捉裝置布置形式

1 波浪能捕捉裝置

1.1 壓力差式

壓力差式波浪能捕捉裝置是利用波峰與波谷之間的壓力差，并通過氣壓傳遞能量。這類裝置可分為阿基米德式和振蕩水柱式（OWC）兩類。前者一般安放在海底，當波峰經(jīng)過該裝置時，該裝置被壓縮，而當波谷通過時，該裝置則回彈，如圖1（a）所示；后者為半浸沒于水中的氣室，如圖1（b）所示，當波浪傳遞到氣室前時，氣室內水面出現(xiàn)上下振蕩。當水面上升壓縮空氣時，空氣被噴出，反之，外界空氣被吸入，這樣，氣流將推動透平轉動，并帶動發(fā)電機發(fā)電。圖3為壓力差式波浪能捕捉裝置案例。

圖3 壓力差式波浪能捕捉裝置案例

1.2 越浪式

越浪式波浪能轉換裝置（OWEC）是將越過該裝置的水體截留下來，并利用該部分水體回流帶動葉輪轉動，如圖1（c）所示。該裝置同樣根據(jù)安放位置分為固定式（陸域）和漂浮式（海上）。OWEC裝置具有波浪能轉換率較高、整體穩(wěn)定性較好，可與其它近岸設施相結合以減少投資等優(yōu)點。圖4為越浪式波浪能捕捉裝置案例。

圖4 越浪式波浪能捕捉裝置案例

1.3 浮體式

該裝置利用漂浮在水面的浮體隨波浪而產生的相對和絕對運動。該類裝置包含鴨式、筏式、振蕩浮子式等。鴨式海洋波浪能發(fā)電裝置由英國愛丁堡大學于1975年提出，它形如鴨蛋，如圖1（d）所示，在波浪作用下呈繞軸轉動，遇到短波時轉換效率接近100%。圖5為浮體式波浪能捕捉裝置案例。

圖5 浮體式波浪能捕捉裝置案例

1.4擺 式

該裝置利用隨波浪運動的擺體捕捉波浪能。擺式裝置按照固定方式分為懸掛擺和浮力擺。懸掛擺擺體鉸接于海面上，如圖1（h）所示，浮力擺擺體則鉸接在海底，如圖1（i）所示。懸掛擺式波浪能發(fā)電裝置又可分為沿岸固定式和海上浮體式兩種。圖6為擺式波浪能捕捉裝置案例。

圖6 擺式波浪能捕捉裝置案例

2 傳動裝置

2.1 空氣傳動

振蕩水柱波浪能發(fā)電常采用空氣透平，將氣流轉化成機械能。由于氣流會改變方向，空氣透平實際上是自整流的空氣渦輪機。目前，空氣透平主要有威爾斯透平、丹尼斯透平和軸流沖擊式透平三類（圖7）[1,8]。威爾斯透平屬于自整流軸流渦輪機，其扭矩對氣流方向不敏感，是目前最常用的空氣渦輪機；丹尼斯透平是一種可變螺距自整流渦輪機，其葉片位于轉子輪轂的外圍，平行于流動的軸向方向，而不是與旋轉方向相切；軸流沖擊式透平的旋轉軸線則與氣流方向對齊。

圖7 常見的空氣輪機形式

2.2 水力傳動

在波浪能發(fā)電裝置內采用的水輪機分為軸流式和沖擊式兩類[1]，見圖8。沖擊式水輪機由高速水射流驅動。水射流沖擊葉片時，帶動渦輪旋轉。佩爾頓水輪機就屬于沖擊式水輪機。與沖擊式水輪機不同，軸流式水輪機將噴嘴連接到轉子上，水流在管道上產生反作用力，使轉子沿與水流方向相反的方向旋轉，這種水輪機必須被包裹起來以容納水壓，或者完全浸沒在水流中。兩種最常見的軸流式水輪機是卡普蘭和弗朗西斯水輪機。越浪式發(fā)電裝置常采用軸流式水輪機，其中，低水頭裝置使用卡普蘭水輪機，高水頭裝置則安裝弗朗西斯水輪機。

圖8 常見的水輪機形式

2.3 液壓傳動

浮體式和擺式發(fā)電裝置常采用液壓傳動。液壓傳動系統(tǒng)主要由液壓活塞缸、蓄能器、閥組和液壓馬達組成，如圖9所示。浮體運動通過液壓缸轉化成液壓能，而液壓能通過連接液壓馬達的發(fā)電機轉換成電能，蓄能器的作用則是將低頻波浪轉換成穩(wěn)定輸出的機械能。

圖9 液壓傳動系統(tǒng)

2.4 直驅式

浮體式波浪能裝置也可以采取直驅方式發(fā)電，即利用浮體的運動直接推動線性發(fā)電機作往復直線運動發(fā)電，如圖10所示。其優(yōu)點是減少中間環(huán)節(jié)，降低了設計的復雜性和維護成本。

圖10 直驅系統(tǒng)

3 國內波浪能捕捉裝置研究

國內最早開展波浪能發(fā)電技術研究的單位是中科院廣州能源所和國家海洋局海洋技術中心。早在20世紀80年代，中科院廣州能源研究所便研發(fā)了振蕩水柱式發(fā)電裝置用于航標燈供電，并實現(xiàn)商業(yè)化運營[9]。1989年，該所在珠海大萬山島修建了我國第一座岸式振蕩水柱電站?！熬盼濉逼陂g，該所在廣東汕尾市研發(fā)建設了100 kW振蕩式波浪電站。2009年，該所研制了國內第1臺10 kW鴨式波浪能發(fā)電裝置，并進行了測試[10]。2012年，該所在鴨式裝置基礎上，研制出鷹式發(fā)電裝置[11]。2015年，100 kW鷹式裝置在萬山島進行了測試，見圖11。

圖11 浮式波浪能捕捉裝置（中科院廣州能源研究所）

同樣在20世紀80年代，國家海洋局海洋技術中心研發(fā)建設了8 kW岸式懸掛擺發(fā)電裝置，見圖6（a）。在1996年，該中心在山東大管島建造了30 kW岸式懸掛擺發(fā)電裝置，至今狀況良好[9]。2012年，該中心研發(fā)的100 kW浮力擺發(fā)電裝置在大管島海域投放運行（圖12）。

圖12 擺式波浪能捕捉裝置（國家海洋局海洋技術中心）

此外，國內不同高校和研究院所也研制了不同類型的波浪能發(fā)電裝置，見圖13。如中船重工701所研制的筏式液壓波浪能發(fā)電裝置“海龍1號”（2011年）、集美大學研制的浮擺式波浪能發(fā)電裝置“集美1號”（2011）、廣東海洋與漁業(yè)服務中心和華南理工大學聯(lián)合研發(fā)的擺式振蕩浮子波浪能發(fā)電裝置（2012）、山東大學研制的漂浮式發(fā)電裝置“山大1號”（2012）、浙江海洋學院研制的自保護浮子式波浪發(fā)電裝置（2014）、中國海洋大學研制的振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置“海靈號”（2014）。

圖13 國內其它單位開發(fā)的波浪能捕捉裝置

近十年來，我國在海洋波浪能發(fā)電領域的專利申請量超過3 000件，其中，浙江海洋大學、河海大學、上海海洋大學位居申請數(shù)量排行的第1、2、4位，國家電網(wǎng)公司則位于第7位。中科院廣州能源所盛松偉等人發(fā)明的“浮體下掛液壓缸式波浪能發(fā)電裝置”位居全球波浪能發(fā)電技術高被引專利榜的27位[12]。

近年來，國內各院校將重點放在高效波浪能捕捉技術方面。肖曉龍等研究了串聯(lián)直驅浮子式波浪能發(fā)電裝置[13]，張步恩等研究了新型浮筒式波浪能發(fā)電裝置[14]，曹飛飛等提出了一種液壓式振蕩浮子波浪發(fā)電裝置[15]，劉延俊等研究了浮體形狀對俘能性能的影響[16]，于通順等則對可變翼波浪能發(fā)電裝置導葉進行了研究[17]，王登帥等研究了微型陣列波浪發(fā)電裝置的捕能特性[18]，薛剛等則提出了一種內置偏心轉子式波浪能發(fā)電裝置[19]。

4 波浪能發(fā)電技術研究重點

波浪能發(fā)電技術的研究重點包括：復雜流體水動力特性分析技術、穩(wěn)定和高效發(fā)電設計、陣列化發(fā)電場設計、組合式海洋能開發(fā)技術等[11]?，F(xiàn)有波浪能捕捉理論主要基于線性波理論，未考慮波浪的非線性特征，不能精確計算波浪動力特征。波浪不穩(wěn)定特點以及能流密度低、轉化率低是制約波浪能發(fā)電技術發(fā)展的主要障礙，需要增加捕能頻寬，提高發(fā)電穩(wěn)定性和效率。由于單個波浪能捕捉裝置較小，陣列式有助于充分捕捉單位面積內的波浪能量，從而實現(xiàn)經(jīng)濟成本的最優(yōu)化，但多個裝置會反作用于波浪，造成單個裝置俘能效果發(fā)生變化。海洋除了波浪能，還蘊含海流能、潮汐能、溫差能和鹽差能等多種形式的能源，加上太陽能和風能，將多種能源捕捉技術集合起來，共享基礎平臺，會大幅提高海洋能的利用率。

另外，與陸基結構相比，海洋結構設計、安裝與維護會面臨更大挑戰(zhàn)。極端波況、生物污染和海水腐蝕會降低波浪能捕捉裝置的可靠性，增加其生命周期成本。因此，波浪能發(fā)電技術需要更好的涂層材料、密封和電絕緣材料，以降低波浪能發(fā)電成本。

5 結 語

根據(jù)波浪能捕捉原理，波浪能捕捉裝置分為壓力差式、越浪式、浮體式和擺式四類；根據(jù)布置方式，又分為點吸式、消浪式和終端式三種。在波浪能發(fā)電裝置中，傳動裝置是將波浪能轉化成機械能的關鍵，分為空氣傳動、水力傳動、液壓傳動和直驅四種形式。我國研制了不同形式的波浪能發(fā)電工程樣機，部分裝置實現(xiàn)商品化。在過去的十年，我國波浪能發(fā)電技術方面專利申請量居世界首位。當前的研究重點和難點是提升裝置的成熟度、延長裝置的服務壽命。