世界海洋波浪能發(fā)電技術(shù)研究進展

文/李成魁、廖文俊,3、王宇鑫

1同濟大學材料科學與工程學院 (200092）

2上海市金屬功能材料開發(fā)應用重點實驗室 (200092）

3上海電氣集團股份有限公司 (200336）

一、引言

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展、人口的激增、社會的進步，人們對能源的需求日益增長。占地球表面積70%的廣闊海洋，集中了97%的水量，蘊藏著大量的能源，其中包括波浪能、潮汐能、海流能、溫差能、鹽差能等。其中，波浪能由于開發(fā)過程中對環(huán)境影響最小且以機械能的形式存在，是品位最高的海洋能。據(jù)估算，全世界波浪能的理論值約為109kW量級，是現(xiàn)在世界發(fā)電量的數(shù)百倍，有著廣闊的商用前景，因而也是各國海洋能研究開發(fā)的重點。自20世紀70年代世界石油危機以來，各國不斷投入大量資金人力開展波浪能開發(fā)利用的研究，并取得了較大的進展。日、英、美、澳等國家都研制出應用波浪發(fā)電的裝置，并應用于波浪發(fā)電中。我國對波浪能的研究、利用起步較晚，目前我國東南沿海福建、廣東等地區(qū)已在試驗一些波浪發(fā)電裝置。

二、波浪發(fā)電技術(shù)的進展

波浪發(fā)電是波浪能利用的主要方式，波浪能利用裝置的種類繁多，關(guān)于波能轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明專利超過千項。這些裝置主要基于以下幾種基本機理，即利用物體在波浪作用下的振蕩和搖擺運動;利用波浪壓力的變化;利用波浪的沿岸爬升將波浪能轉(zhuǎn)換成水的勢能等。經(jīng)過20世紀70年代對多種波能裝置進行的實驗室研究和80年代進行的海況試驗及應用示范研究，波浪發(fā)電技術(shù)己逐步接近實用化水平，研究的重點也集中于4種被認為是有商品化價值的裝置，包括振蕩水柱式裝置、擺式裝置、振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置和收縮波道式波能轉(zhuǎn)換裝置。

1.振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置

根據(jù)其系泊方式可分為漂浮式和固定式，漂浮式即一次轉(zhuǎn)換裝置由重物系泊漂浮于海上，而固定式（岸式）一般建在岸邊迎浪側(cè)，其在岸上施工較為方便，且并網(wǎng)與輸電也更為簡單。其主要原理是利用空氣作為轉(zhuǎn)換介質(zhì)，能量的采集通過氣室完成，氣室的下部開口在水下與海水連通，氣室的上部開口（噴嘴）與大氣連通。在波浪力的作用下，氣室下部的水柱作強迫振動，壓縮氣室的空氣往復通過噴嘴，將波浪能轉(zhuǎn)換成空氣的壓力勢能和動能，在噴嘴處安裝一個空氣透平并將透平轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機相連，可利用壓縮氣流驅(qū)動透平旋轉(zhuǎn)并帶動發(fā)電機發(fā)電。其工作原理及汽輪葉片的結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前以這種方式建造的波浪發(fā)電裝置已比較完善，世界各國商業(yè)化的波浪發(fā)電站基本都是基于此原理,如用于為導航浮標供電，裝機容量數(shù)十到數(shù)百kW的波浪能裝置在英國、澳大利亞、挪威、葡萄牙和中國等地也已經(jīng)成功地建成并投入使用。圖2是位于澳大利亞的一個振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置的原型機。此外，這類裝置采用空氣傳遞能量，能夠避免波浪對發(fā)電系統(tǒng)的直接打擊。目前，振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置遇到的問題主要有兩點，一是如何設計氣室，盡可能提高裝置內(nèi)部的振蕩水柱提供的壓力；另一個就是怎樣確定裝置在海面上的放置區(qū)域。如果這兩方面能夠得到更好地解決，那么這種發(fā)電裝置會得到更廣泛的應用。

圖1 振蕩水柱式波能裝換裝置示意及汽輪葉片設計

圖2 位于澳大利亞肯不拉港的振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置的原型機

2.擺式波能轉(zhuǎn)換裝置

擺式波能轉(zhuǎn)換裝置是利用裝置的活動部件，在波浪的推動下，將其從波浪中吸收的能量轉(zhuǎn)換成機械能或勢能，這種波能轉(zhuǎn)換裝置最先是由日本的度部富治教授提出，其方式是波浪在水室中形成立波，在立波的駐點處，水質(zhì)點作往復運動，表現(xiàn)在宏觀上，即水團的往復運動，將波浪能轉(zhuǎn)換成擺軸的動能，與擺軸相連的通常是液壓裝置，它將擺軸的動能轉(zhuǎn)換成液力泵的動能，再由液壓馬達帶動發(fā)電機發(fā)電，如圖3所示。

圖3 擺式波能轉(zhuǎn)換裝置

3.振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置

振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置是在振蕩水柱式的基礎上發(fā)展起來的波能轉(zhuǎn)換裝置，它用一個放在港中的浮子作為波浪能的吸收載體，然后將浮子吸收的能量通過一個放在岸上的機械或液壓裝置轉(zhuǎn)換出去，用來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，由浮子、連桿、液壓傳動機構(gòu)、發(fā)電機和保護裝置幾部分組成，圖4是瑞典烏普薩拉大學設計振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置以及由此裝置設想的大規(guī)模海浪發(fā)電場。

4.收縮波道式波能轉(zhuǎn)換裝置

收縮波道式波能轉(zhuǎn)換裝置是基于波聚理論的一種波能轉(zhuǎn)換裝置。波聚理論最早由挪威特隆姆大學的Falnes和Budal提出。收縮波道式波能轉(zhuǎn)換裝置具有一個比海平面高的高位水庫和一個漸收的波道。收縮波道其實就是兩道鋼筋混凝土做成的對數(shù)螺旋正交曲面，從海里一直延伸到高位水庫里，兩道墻在高位水庫內(nèi)相接。當海浪進入收縮波道時，由于收縮波道的波聚作用，使波浪的波高增大，從而使水越過鋼筋混凝土墻進入高位水庫，然后水庫里的水通過一個低水頭的水輪發(fā)電機組用來發(fā)電。挪威波能公司（Norwave A.S）于1986年建造了一座裝機容量為350kW的收縮波道式波能電站。

圖4 瑞典烏普薩拉大學設計振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置(右)以及由此裝置設想的大規(guī)模海浪發(fā)電場(左)

5.其他波能轉(zhuǎn)換裝置

除了上述裝置外，目前較為成功的波浪能裝置還有Salter“點頭鴨”式波能轉(zhuǎn)換裝置、筏式與液壓系統(tǒng)的組合式、整流式波能轉(zhuǎn)換裝置等，但其基本原理是相同的。從以上討論可以看出，振蕩水柱式波能裝置是在實際中較多采用的波能裝置，它的優(yōu)點在于裝置在結(jié)構(gòu)上具有較好的可靠性，但裝置的轉(zhuǎn)換效率較低，投資費用過高，因此，在一些波能密度高的國家，如歐洲、日本、北美得到廣泛應用。但是，在一些波能密度較低的國家，如中國，如何降低成本、提高效率是波浪裝置走向市場的關(guān)鍵，繼續(xù)采用這種低效、高成本的裝置就顯得不太理想。

三、典型國家的波浪能開發(fā)

隨著陸地礦物燃料日趨枯竭，環(huán)境污染日趨嚴重，環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等觀念使世界上一些主要的海洋國家紛紛把目光轉(zhuǎn)向海洋，其中對波浪發(fā)電的研究日趨深入。由于在地球緯度為40°～60°的西海岸區(qū)域主要盛行能量很大的西風，所以這一區(qū)域的海洋波浪具有高能量，其峰值大約有100kW/m。所以，位于這一區(qū)域的國家對海浪發(fā)電的研究一直處于世界的前沿，如北美的美國和加拿大、歐洲的大部分國家以及亞洲的日本等國。

1.日本

日本是個能源匱乏的島國。但據(jù)測算,日本每1m寬海岸的波浪，卻蘊藏著9kW的能量。自20世紀60年代以來，日本就投運12臺波力發(fā)電設備，除了用于驗證試驗外，還有4臺作商業(yè)運營至今。目前，這種電站在日本已建造1000多座。其中1996年9月投運的固定式防波堤型130kW波電設備是日本最大的波能轉(zhuǎn)換設備，它的能量轉(zhuǎn)換箱體長20m、寬24m、高24m，共2個，帶有8個空氣室，1個異步型空氣透平發(fā)電機，與6kV電力系統(tǒng)并網(wǎng)。最近，日本又投運另一種被稱為“巨鯨（Mighty Whale）”（見圖5）的新式波電設備，即可動式浮體型，長50m、寬30m、高13m，像個大鯨魚浮在水面上，其容量120kW。已于1998年7月投入商業(yè)運營。20世紀80年代，日本還在酒井港建造一座200MW 的波電站，經(jīng)海底電纜送電。

圖5 日本“巨鯨(Mighty Whale)”波電設備

2.英國

英國具有全世界最好的波浪能資源，尤其在蘇格蘭北部地區(qū)有著尤其多的波浪能資源，2001年英國科學技術(shù)委員會在一份報告中就指出，僅僅在英國的海域每年通過海浪發(fā)電裝置可收集的海浪能資源及達50TWh。自20世紀70年代開始，英國就制定了能源多樣化政策，鼓勵發(fā)展包括海洋能在內(nèi)的各種可再生能源，并把波浪發(fā)電的研究放在新能源研究的首位。而早在20世紀80年代初英國就已成為世界波浪能研究的中心。

英國分別于1990年和1994年，分別在蘇格蘭伊斯萊島和奧斯普雷建成了75kW和20MW振蕩水柱式和岸基固定式波浪電站。而2000年11月，英國在蘇格蘭Islay島建成了具有500kW岸式波能裝置LIMPET（Land-Installed-Marine-Powered Energy Transformer）的波浪發(fā)電站，站址處波能功率密度為25kW/m。而2004年的一臺名為帕拉米斯的波浪發(fā)電機已在英國西南地區(qū)投入使用，其發(fā)電功率為750kW，供500戶居民使用。由英國Checkmate海洋能源公司設計的“巨蟒”波浪發(fā)動機（見圖6），寬度將達到7m，長200m，二十五分之一大小的原型機已于最近完成測試，并將于2014年左右投入使用，屆時可滿足1000個普通家庭用電需求。同時，英國計劃在西南部地區(qū)建造1座占地面積約1km2、由40臺波浪發(fā)電機組成的波浪發(fā)電站,并通過一條海底電纜為2萬戶居民提供電力。

圖6 英國Checkmate海洋能源公司設計的“巨蟒”波浪發(fā)動機

3.挪威

挪威的波浪發(fā)電研究起始于20世紀70年代，雖然起步晚但是發(fā)展十分迅速。挪威主要對波浪發(fā)電裝置的理論設計做出了較大貢獻，提出了相位控制原理和喇叭口收縮波道式波能裝置等。挪威當時在波浪發(fā)電理論研究和實驗方面投入一億克朗，并于1985年在Toftestallen島建立了裝機容量分別為500kW和350kW的振蕩水柱式和聚波水庫式波浪發(fā)電。而目前，挪威正與印度尼西亞合作，在Java島興建一座收縮波道電站。

4.葡萄牙

葡萄牙的海浪發(fā)電研究起步較晚，技術(shù)以引進為主。但葡萄牙有著發(fā)展波浪發(fā)電得天獨厚的自然條件優(yōu)勢，政府和科研機構(gòu)對海浪能資源也越來越重視。2008年1月葡萄牙政府就在葡萄牙西海岸的Sao Pedro de Moel（水深30～90m，總面積約為320km2）（圖7所示）建立大型海洋實驗區(qū)，進行遠海海浪能開發(fā)，其裝機容量達250MW。此外，葡萄牙還于2008年引進英國的海蛇發(fā)電機組(圖8)，在此海洋實驗區(qū)建立了世界上第一個商業(yè)規(guī)模的波浪發(fā)電站。

圖7 葡萄牙西海岸的Sao Pedro de Moel實驗區(qū)地理位置(a)和該水域的具體狀況(b)

圖8 世界上第一個商業(yè)規(guī)模的波浪發(fā)電站的海蛇式發(fā)電機組

5.其他國家

世界上波力發(fā)電設備開發(fā)最早的國家是法國(1990年)，但是發(fā)展較慢，已遠遠落后于英、日、挪威等大多國家。作為高能源消耗的發(fā)達國家，美國近年來也將目光投向波浪能資源的開發(fā)利用，政府和很多科研機構(gòu)投入了大量資金用于波浪發(fā)電裝置的研發(fā)。美國的西海岸的西北部處于全球高海浪能區(qū)域，而美國則于近日宣布將于2011年在加利福尼亞的洪堡灣運行五個商業(yè)化的波浪發(fā)電裝置，單機發(fā)電可達1000kW。還有澳大利亞、荷蘭、丹麥、以色列、加拿大、印度尼西亞等國家對波浪發(fā)電進行了一系列研究開發(fā)，但主要仍是停留在波浪發(fā)電裝置、原理等方面，商業(yè)實際應用較少。

四、中國波浪能應用現(xiàn)狀

隨著中國社會、經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源問題已成為一個重要問題出現(xiàn)在我們面前，尋求環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的新能源早已進入中國能源戰(zhàn)略的議題。中國擁有著473萬km2的海洋、1.8萬km綿延的海岸線，可以說有著富饒的海洋能資源。據(jù)現(xiàn)有觀測資料統(tǒng)計，全國沿岸波浪能資源平均理論功率大約為1000余萬kW，其中臺灣省沿岸最多，為429萬kW，占全國總量的1/3；其次是浙江、廣東、福建和山東等沿岸較多，在161萬～205萬kW間，合計為706萬kW，占全國總量的55%；其他省市沿岸則較少，在14.4萬～56.3萬kW間。中國的波浪發(fā)電研究起始于20世紀70年代，1975年我國制成了1kW波電浮標，并在浙江省嵊山島試驗。自1985年起，我國研制了多種小型產(chǎn)品，其中有600多臺作為航標燈用，并出口到日本等國。1989年中國在珠海市大萬山島建成第一座多振蕩水柱型岸基式試驗波浪電站，其裝機容量為3kW，發(fā)電的平均“總功率”大都在10%～35%。廣州能源研究所已將其改建成一座20kW的波力電站,并于1996年2月試發(fā)電成功,逐步完善后即向島上提供補充電源。

“九五”期間，在科技部科技攻關(guān)計劃支持下，廣州能源研究所正在廣東汕尾市遮浪研建100 kW波力電站，這是一座與電網(wǎng)并網(wǎng)運行的岸式振蕩水柱型波能裝置，波能轉(zhuǎn)換效率較高，達到了設計要求。同時，由天津國家海洋局海洋技術(shù)所研建的100kW擺式波力電站，已在1999年9月在青島即墨大官島試運行成功。我國計劃至2020年，在山東、海南、廣東各建1座1000kW級的岸式波力電站。

五、波浪發(fā)電發(fā)展趨勢和遇到的問題

1.遠海波浪發(fā)電

雖然有很多很成熟的波浪發(fā)電裝置都是岸基裝置，但是不可否認，波浪能的開發(fā)正逐漸轉(zhuǎn)向遠離近岸的深海區(qū)域。目前，國內(nèi)外一些科研機構(gòu)已經(jīng)將波浪發(fā)電設備的研制制定在遠海區(qū)域環(huán)境條件下使用的基礎上了，以后的商業(yè)化海洋波浪發(fā)電會基于這些發(fā)電裝置。

遠海區(qū)域比起近海岸基區(qū)域蘊藏著更多更豐富的波浪能資源，需要的設備也相對簡單。遠海區(qū)域的波浪發(fā)電裝置的優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾點。首先，遠海區(qū)域的發(fā)電裝置相對簡單、成本低，可選取的區(qū)域廣，適合建大規(guī)模波浪發(fā)電場。例如，如果要建一個50MW的波浪發(fā)電場，岸基發(fā)電場選址就很困難，而且成本很高，但是，如果是在遠海區(qū)域，則只需將發(fā)電裝置放在海上，而且可選取的區(qū)域也很廣。其次，遠海區(qū)域的發(fā)電裝置單位發(fā)電效率較高，而且這些發(fā)電裝置的裝機容量一般也比岸基裝置高很多，這一優(yōu)點使其更適用于遠距離輸電以及一些島嶼的用電。由于上述優(yōu)點，所以在2004至2008年間新的波浪發(fā)電開發(fā)當中，岸基發(fā)電裝置的裝機容量只占其中的8%，而遠海區(qū)域的波浪發(fā)電裝置的占58%（圖9所示）。

但是，如果在遠海區(qū)域進行波浪發(fā)電需要克服許多技術(shù)難點和惡劣的環(huán)境問題。最大的問題就是發(fā)電裝置的維護問題，在這一點上，岸基的發(fā)電裝置相對遠海的發(fā)電裝置就有著巨大優(yōu)勢。所以，如何研制出一種可靠性和可行性并存的裝置是解決遠海區(qū)域發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。

2.研發(fā)基金問題

世界上波浪發(fā)電的主要研究國家仍集中在歐洲，歐洲很早即制定出將在2020年使新能源的利用率達到20%的目標，一些國家制定的目標更高，如愛爾蘭的目標為40%。而要實現(xiàn)這些目標則需要各種新能源包括波浪發(fā)電技術(shù)的共同努力。據(jù)目前波浪發(fā)電技術(shù)的發(fā)展來看，未來五年，波浪發(fā)電裝置將在商業(yè)化領(lǐng)域有進一步的突破，而這些發(fā)展需要大量的資金支持。資金支持和市場需求對于波浪發(fā)電技術(shù)的發(fā)展來說是非常重要的。目前，雖然有很多概念化的發(fā)電裝置，但是只有少數(shù)有大量資金支持的裝置才成功的商業(yè)化了。正是有在科技方面的投資才使波浪發(fā)電技術(shù)有著高回報的。例如，葡萄牙在連續(xù)12年中都對海浪發(fā)電項目減免相當于0.235/kWh歐元的關(guān)稅支持，而這使葡萄牙的波浪發(fā)電技術(shù)及波浪發(fā)電的應用都處于世界領(lǐng)先的地位。

就目前而言，對波浪發(fā)電技術(shù)投入最大的國家是英國。據(jù)推測，英國在未來五年中波浪發(fā)電將會產(chǎn)生14.7MW的電能。在2004年～2008年期間，歐洲波浪發(fā)電技術(shù)總投資達7.22億歐元，而英國則在此期間不間斷地在波浪發(fā)電項目中投入了3.48億歐元資金（圖10）。葡萄牙、西班牙和丹麥這些國家則遠遠落后于英國，美國也具有很大潛在市場，但是國家投入的資金也相對較少。

圖10 有關(guān)國家在2004年至2008年期間對海浪發(fā)電技術(shù)的資金投入比

3.由波浪發(fā)電裝置引起的環(huán)境問題

波浪能具有非?？捎^的應用前景，能夠減少人們對化石燃料的依賴性，但是，我們也要在關(guān)心波浪能開發(fā)利用的同時關(guān)注它對環(huán)境的影響。對于環(huán)境問題的考慮，歐洲各國早在2006年的歐洲海洋能合作企劃書中就已提到，所以這也是我們將來要發(fā)展波浪發(fā)電必須關(guān)心的問題。小規(guī)模波浪發(fā)電裝置可能不會引起太大的環(huán)境沖擊，但是如果以后大規(guī)模的進行海浪發(fā)電，將會占用大面積的海面，而這必然會對海洋的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。如果在海面布置大量的發(fā)電裝置，很可能對海洋生物造成危害，甚至會影響到海洋上正常商業(yè)航運。

波浪發(fā)電裝置作為一種漂浮在海面上的裝置，會大大減小海洋表層海水的流動，而這種作用會對許多港口大有好處，因為這樣可能會大大減少波浪對海岸的沖擊，從而減少波浪對岸邊建筑的腐蝕，但這種作用的利弊還是大部分取決于海岸線的情況。但同時這種現(xiàn)象可能對海洋生物產(chǎn)生直接或間接的影響。例如這會直接影響海面上的浮游生物的分布，從而會影響到一些依靠浮游生物為食的魚類，直接改變它們的產(chǎn)卵地和捕食地。也有不少波浪能支持者認為波浪發(fā)電裝置會像海底人工暗礁一樣給海洋生物提供新的生存場所。但是這種觀點有很大的可懷疑性，因為對人工暗礁地的選擇有很多的要求。在海洋環(huán)境較惡劣的地方修建暗礁會提高海洋生物的存活性，但是如果在一些本來就很有利于海洋生物生存的地方修建暗礁則會對海洋生物的生存產(chǎn)生負面影響。所以，對波浪發(fā)電場的地址選擇也是非常重要的。

六、小結(jié)

對于可再生能源來說，高效轉(zhuǎn)換技術(shù)是研究的難點，由于波浪的不穩(wěn)定性導致其轉(zhuǎn)換裝置經(jīng)常處于非設計工況，因此提高波能利用率,降低波能發(fā)電的成本始終是波能研究的目標。同時，多元化和綜合利用是波能發(fā)展的另一新動向，結(jié)合防波堤、沿海牧場等設施建造波力電站，為波能利用開創(chuàng)新途徑，并大大降低波浪發(fā)電的成本。國外近年來在這方面的研究較為活躍,應當引起了很大的重視。同時，在海浪發(fā)電所帶來的生態(tài)環(huán)境方面的問題也要給予足夠的重視。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展、化石燃料資源的日益緊張，各國對波浪發(fā)電技術(shù)的研究日益深入，歐洲各國和北美國家在這個領(lǐng)域的研究仍處于領(lǐng)先地位，我國在這個對于新能源競爭日益激烈的國際環(huán)境下的競爭地位還是不容樂觀的。盡管現(xiàn)在和常規(guī)能源相比，波浪發(fā)電還有很大的距離，但是，從我國能源長期發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)儲備的角度來看，加大和加快開海洋波浪能源的開發(fā)研究具有重要的現(xiàn)實和戰(zhàn)略意義。