國外波浪能發(fā)電裝置的研究進(jìn)展＊

高大曉，王方杰，史宏達(dá)，常宗瑜，趙 林

（中國海洋大學(xué)工程學(xué)院 青島 266100）

國外波浪能發(fā)電裝置的研究進(jìn)展＊

高大曉，王方杰，史宏達(dá)，常宗瑜，趙 林

（中國海洋大學(xué)工程學(xué)院 青島 266100）

海洋波浪能是一種清潔環(huán)保并且可再生的新型能源。在當(dāng)今能源短缺的情況下，作為綠色能源的海洋波浪能受到了世界多國的重視。世界許多國家對波浪能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)研究多年，并取得很大的成果。本研究將重點(diǎn)介紹近年來國外在海洋波浪能發(fā)電技術(shù)方面的研究成果。

波浪能；新型發(fā)電裝置；新能源

隨著世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人類社會的不斷進(jìn)步，對能源的需求越來越大。歷史悠久的石油、天然氣等非再生資源日漸枯竭，而且由于這些能源的應(yīng)用導(dǎo)致碳排放量過高所帶來的溫室效應(yīng)以及生態(tài)環(huán)境破壞日漸嚴(yán)重。人們迫切需要尋找到一種新能源來減少這些化石燃料的使用，甚至用新能源來取代這些能源的使用。伴隨著科技的發(fā)展，人們把目光投向資源和能源豐富的海洋。海洋能是一種取之不盡、用之不竭的環(huán)保性可再生能源，而且地球上海洋波浪蘊(yùn)藏的電能可達(dá)5 000 GW［1－2］。

波浪能是海洋表面波浪所具有的動能和勢能，是由風(fēng)把能量傳遞給海洋而產(chǎn)生的，它實(shí)質(zhì)上是吸收了風(fēng)能而形成的。波浪能雖然是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源，但是波浪能具有能量密度高、分布面廣等優(yōu)點(diǎn)，即使在能源消耗較大的冬季，可以利用的波浪能也很大［3］。利用波浪能發(fā)電具有巨大的潛力，世界各國對其投入了廣泛的關(guān)注，各式各樣的波浪能發(fā)電裝置也應(yīng)運(yùn)而生。

1 波浪能發(fā)電技術(shù)

1.1 波浪發(fā)電的基本構(gòu)架

波浪能發(fā)電裝置實(shí)際是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，是將波浪的動能和勢能最終轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)電能的設(shè)備。波浪能發(fā)電裝置的組成一般分為3部分：第一部分為波浪能的采集部分，是將波浪能通過系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為可以利用的機(jī)械能、水位能或介質(zhì)的壓能；第二部分是能量傳遞轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，將第一部分獲得的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械能；第三部分是發(fā)電裝置，將旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能［4］。其中第二部分的轉(zhuǎn)化效率是目前制約波浪能發(fā)電技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。目前許多科學(xué)家正在研制只有二級能量轉(zhuǎn)化的波浪發(fā)電裝置，即繞過傳統(tǒng)制約波浪發(fā)電的第二部分，如采用電磁技術(shù)等［5］。

1.2 波浪能發(fā)電裝置的分類

根據(jù)國際上最新的分類方式，波浪能技術(shù)分為：振蕩水柱技術(shù)、振蕩浮子技術(shù)和越浪技術(shù)（圖1）［6］。

圖1 波浪能技術(shù)分類

其中振蕩水柱技術(shù)利用波浪驅(qū)動氣室內(nèi)水柱往復(fù)運(yùn)動，再通過水柱驅(qū)動氣室內(nèi)的空氣，進(jìn)而由空氣驅(qū)動葉輪，得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，進(jìn)一步驅(qū)動發(fā)電裝置，得到電能。這種技術(shù)可靠性較高，但效率低。振蕩浮子技術(shù)利用波浪的運(yùn)動推動裝置的活動部分產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動，驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)或油、水等中間介質(zhì)的液壓系統(tǒng)，再推動發(fā)電裝置發(fā)電。越浪技術(shù)是利用水道將波浪引入高位水庫形成水位差（水頭），利用水頭直接驅(qū)動水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

2 國外波浪能發(fā)電裝置近年來的研究成果

2.1 浮筒式永磁直線波能發(fā)電裝置

圖2為浮筒式永磁直線波浪能發(fā)電裝置示意圖，這種發(fā)電裝置是由美國俄勒岡州立大學(xué)波能研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的，其發(fā)電機(jī)理與直線電機(jī)運(yùn)動機(jī)理相反，利用電磁感應(yīng)原理來進(jìn)行發(fā)電。在這種裝置的內(nèi)部，用來發(fā)電的線圈圍繞在一個(gè)具有永久磁性的軸的周圍，線圈與裝置的外殼固定在一起。磁性軸的下端伸長與海底接觸，起到固定裝置的作用。在海浪的作用下，線圈隨外殼相對于軸做上下運(yùn)動，線圈因切割磁感線而產(chǎn)生電流。這種發(fā)電裝置去掉了傳統(tǒng)波能發(fā)電裝置中間的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，可以有效提高波浪能的轉(zhuǎn)換效率。據(jù)估計(jì)每個(gè)發(fā)電裝置可以產(chǎn)生250 k W的能量，并且可以根據(jù)需要方便地增加或減少裝置的安裝數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。

圖2 浮筒式永磁直線波浪能發(fā)電裝置

如果用大約200個(gè)該裝置建立一個(gè)發(fā)電廠就可以滿足俄勒岡州波特蘭市商務(wù)區(qū)的電力需求。這種發(fā)電裝置具有巨大的商業(yè)潛力。

2.2 “牡蠣”波能發(fā)電裝置

The Oyster是由Aquamarine波能公司研制的。The Oyster坐落在海床上，像牡蠣一樣。The Oyster是一種浮力裝置，也是推擺式波浪能發(fā)電裝置。其主體是隨著波浪擺動的擺體，工作的原理與其他擺式裝置大同小異：在波浪的作用下，擺體作左右擺動，將波浪能轉(zhuǎn)換成擺體的動能。通過與擺體相連的水壓裝置將擺體的動能轉(zhuǎn)換成水壓裝置的壓能，再帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電［7］。

圖3為The Oyster的工作系統(tǒng)示意圖，The Oyster的擺體安裝在水下大約12 m深度的海床上，帶有的鉸鏈片狀垂懸物的擺體在波浪的推動下，可來回活動驅(qū)動兩個(gè)水壓活塞，來產(chǎn)生高壓流體，驅(qū)使渦輪機(jī)發(fā)電［8］。

圖3 “牡蠣”工作系統(tǒng)

The Oyster的發(fā)電量是由裝置型號和安置地點(diǎn)情況決定的，一組The Oyster波能發(fā)電裝置最大電能輸出值可達(dá)300～600 k W。目前Aquamarine已經(jīng)完成首臺大規(guī)模315 k W的Oyster波能發(fā)電裝置的安置，并且于2009年開始向蘇格蘭國家電網(wǎng)供電，實(shí)現(xiàn)了商業(yè)運(yùn)作，而且由于其發(fā)電機(jī)安置在岸上，方便技術(shù)人員的監(jiān)控和維護(hù)。

2.3 “海蛇”波能發(fā)電裝置［9］

“海蛇”（Pelamis）波能發(fā)電裝置是由Pelamis波能公司研制的，其飄浮在水面上，就像一條海蛇一樣。圖4為Pelamis波能發(fā)電裝置圖，每條“海蛇”長180 m，寬4 m，能產(chǎn)生0.75 MW的電，足夠約500個(gè)家庭1年的使用。每條海蛇由4節(jié)直徑為3.5 m的圓柱形浮筒組成，每兩個(gè)金屬節(jié)段之間用鉸鏈連接起來。每條金屬“海蛇”的端部要垂直于海浪的方向，浮筒會像海蛇的身子一樣隨著波浪上下起伏，關(guān)節(jié)處的上下運(yùn)動與側(cè)向運(yùn)動會推動圓筒內(nèi)的液壓活塞作往復(fù)運(yùn)動，把液壓油從發(fā)動機(jī)中間壓過去，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電［10］。Pelamis波能發(fā)電裝置的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

目前“海蛇”波能發(fā)電裝置已經(jīng)在葡萄牙北海海床上安裝并投入使用，這些裝置將會產(chǎn)生2.2 MW的電能，足夠滿足1 500個(gè)家庭的用電需求。

2.4 “水蟒”波能發(fā)電裝置

圖6“水蟒”波能發(fā)電裝置示意圖，這種發(fā)電裝置是由英國科學(xué)家弗朗西斯·法利和羅德·雷尼共同發(fā)明的，其外形很像海洋生物水蟒。該裝置長約182 m、寬約6 m，由橡膠制成。其工作原理是：將“水蟒”安裝在距離海岸1.6～3.2 km遠(yuǎn)、36～91 m深的水下，并系在海床上，同時(shí)使“水蟒”的橡膠管道內(nèi)充滿海水。當(dāng)有波浪經(jīng)過時(shí)，彈性極強(qiáng)的橡膠管就會隨之上下擺動，橡膠管內(nèi)部就會產(chǎn)生一股水流脈沖。隨著波浪幅度的加大，脈沖也會越來越強(qiáng)，并匯集在尾部的發(fā)電機(jī)中，推動發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后通過海底電纜傳輸出去。

圖6 “水蟒”波能發(fā)電裝置

經(jīng)過試驗(yàn)獲得每條“水蟒”最多可以產(chǎn)生1 MW的電能，足以滿足數(shù)百個(gè)家庭的日常用電需要。而且這種裝置制作材料主要是橡膠，因此“水蟒”比其他波浪發(fā)電裝置重量更輕、構(gòu)造更簡單、建造和維修成本更低。

2.5 浮標(biāo)式波能發(fā)電裝置

圖7為Power Buoy裝置圖，該裝置是由美國海洋動力技術(shù)公司研制，目的是為美國海軍基地提供電力。該裝置是一種大型的圓筒式鋼質(zhì)浮標(biāo)，其有兩個(gè)主要部分：一個(gè)直徑1.5 m、高1.5 m的浮標(biāo)以及一塊高9 m的基座固定浮標(biāo)。當(dāng)波浪打來，浮標(biāo)上下浮動，它會拖動基座中的液壓裝置的活塞一起運(yùn)動，通過一個(gè)回轉(zhuǎn)馬達(dá)和發(fā)電機(jī)，將波浪能轉(zhuǎn)化為電能并通過海底電纜把這些電輸送到岸上的電網(wǎng)中。

圖7 浮標(biāo)式波能發(fā)電裝置

該浮標(biāo)可以妥善地抵御海浪，并且可以通過一臺計(jì)算機(jī)，以10次/s的速率調(diào)整裝置的運(yùn)行阻力，大幅度地增加了工作效率，提高波能的轉(zhuǎn)化效率。目前在夏威夷海岸的每組Power－Buoy裝置都擁有0.04 MW的發(fā)電能力，即將在蘇格蘭安裝的同種設(shè)備也許能夠產(chǎn)生高達(dá)0.15 MW的電力。

2.6 多浮子振蕩式波能發(fā)電裝置

圖8為Manchester Bobber系統(tǒng)裝置示意圖，Manchester Bobber是由曼徹斯特大學(xué)流體動力學(xué)教授Peter Stansby和他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)的。其發(fā)電的機(jī)理是：一個(gè)半自主的半潛式漂浮裝置，當(dāng)其隨波浪上下移動時(shí)，可通過一個(gè)滑輪來帶動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電［11］。用于商業(yè)運(yùn)作的Manchester Bobber部署一系列的平臺，每個(gè)平臺由25～50浮體組成。每個(gè)浮體都可獨(dú)立地進(jìn)行發(fā)電，因此該裝置的工作效率很高。據(jù)估計(jì)每個(gè)浮體單元可以產(chǎn)生500 k W左右的電力，那么一個(gè)平臺就可以產(chǎn)生12 MW左右的電力。

圖8 多浮子振蕩式波能發(fā)電裝置

2.7 雙浮體杠桿式波能發(fā)電裝置

圖9為Rockn Roll wave energy device示意圖，該裝置是有兩個(gè)浮體串聯(lián)在一起構(gòu)成的，放置在海平面上，需使用錨鏈系泊來阻止其到處飄移，并不需要與海床固定在一起。在每個(gè)浮標(biāo)的一側(cè)有一根軸和桿，兩個(gè)浮體的桿用一根連桿連接在一起。當(dāng)受波浪影響時(shí)，兩個(gè)浮體的位置便不再平衡，受中間連桿的作用，浮體兩側(cè)的桿便出現(xiàn)了相對運(yùn)動，同時(shí)帶動軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。這樣波浪能就被提取為軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。在浮體內(nèi)部有一個(gè)變流器同軸相連，將不同轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為同向，在經(jīng)過內(nèi)部的齒輪箱驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種裝置優(yōu)點(diǎn)是安置方便，適應(yīng)近海和深海使用，不需要特別的安置基礎(chǔ)，而且工作時(shí)不受波浪方向的影響，內(nèi)部運(yùn)動機(jī)械被密封在浮標(biāo)內(nèi)部，可以避免海水的腐蝕。

圖9 雙浮體杠桿式波能發(fā)電裝置

2.8 活塞式波能發(fā)電裝置

圖10為The SEADOG Pump裝置圖。The SEADOG Pump是一種“點(diǎn)吸式”的波能轉(zhuǎn)換裝置。它是由浮力室、浮力塊、活塞體、活塞閥、活塞缸、進(jìn)氣管和排氣閥等構(gòu)成的。在海浪的作用下，當(dāng)浮力塊在浮力室向下運(yùn)動時(shí)，海水由進(jìn)氣管進(jìn)入活塞缸中，當(dāng)浮力塊向上運(yùn)動時(shí)，活塞缸中的水受到活塞的壓力從排氣閥中排出，推動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

圖10 活塞式波能發(fā)電裝置

2.9 雙浮標(biāo)式直線波能轉(zhuǎn)換裝置

圖11為OWEC Ocean Wave Energy Converter示意圖，OWEC Ocean波能轉(zhuǎn)換裝置是由浮標(biāo)和潛標(biāo)構(gòu)成的，浮標(biāo)和潛標(biāo)之間有一管連接。由于波浪的運(yùn)動，引起了浮標(biāo)的相對運(yùn)動，帶動連接管內(nèi)的直線發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。把許多這種波能轉(zhuǎn)換裝置連在一起，可以構(gòu)建一個(gè)很大的能源網(wǎng)。

圖11 雙浮標(biāo)式直線波能轉(zhuǎn)換裝置

2.10 文丘里管式水流渦輪機(jī)波能發(fā)電裝置

圖12為Spindrift Hydrokinetic Energy Device示意圖。該裝置利用在海洋表面存在浪高差異，而相對在深處的水卻比較穩(wěn)定這一情況來實(shí)現(xiàn)波能的轉(zhuǎn)換。該裝置也是一個(gè)點(diǎn)吸式系統(tǒng)，在海面的浮體內(nèi)有一個(gè)交流發(fā)電機(jī)，在系統(tǒng)下方的深水部位安置一個(gè)渦輪機(jī)。渦輪機(jī)與交流發(fā)電機(jī)之間通過一根軸連接。為了提高效率，該裝置在渦輪機(jī)處安裝一個(gè)文氏管裝置，當(dāng)?shù)退俚乃魍ㄟ^裝置的狹窄處，水流的速度會得到提高，推動渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動交流發(fā)電機(jī)發(fā)電［12］。

圖12 文丘里管式水流渦輪機(jī)波能發(fā)電裝置

該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于制造成本低，深海中也可以使用，安裝的規(guī)模也可以不受限制，對海洋生物影響較小，維護(hù)的費(fèi)用也很低。

2.11 活塞式水流渦輪機(jī)波能發(fā)電裝置

圖13為The IPS buoy示意圖，The IPS buoy是由瑞典的Interproject Service公司研制開發(fā)的，該裝置是一種點(diǎn)吸式的波能轉(zhuǎn)換裝置。典型的IPS OWEC Buoy裝置是由一個(gè)直徑6～8 m的浮標(biāo)和一個(gè)長20 m的水下管組成的（圖13）。其中在下部的管體內(nèi)有活塞和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，活塞與上部浮標(biāo)相連。當(dāng)浮標(biāo)在海浪的作用下運(yùn)動時(shí)，帶動活塞一起運(yùn)動，活塞的運(yùn)動帶動管內(nèi)的介質(zhì)一起運(yùn)動，能量轉(zhuǎn)化裝置實(shí)現(xiàn)波浪能的轉(zhuǎn)換［13］。該裝置可以安裝在深度50～100 m的水中。如果建立一個(gè)功率120 k W的IPS buoy發(fā)電裝置，估計(jì)1年可以向外輸出1 GW·h的電力。裝置的型號要根據(jù)所處的海洋環(huán)境、水深、季節(jié)變化等因素來確定。裝置的優(yōu)點(diǎn)在于制造成本低，安裝和維護(hù)簡單，可以為遠(yuǎn)離海岸的島嶼供電，建造電廠的規(guī)模容易控制，而且在近海還可以起到削弱海浪的作用。

圖13 活塞式水流渦輪機(jī)波能發(fā)電裝置

2.12 垂直軸雙浮體液壓式波能轉(zhuǎn)換裝置

The Wavebob WEC device（圖14）是一種點(diǎn)吸式的波能轉(zhuǎn)換裝置，該裝置是由愛爾蘭人設(shè)計(jì)的［14］。裝置是由兩個(gè)共軸的浮標(biāo)組成，通過兩個(gè)浮標(biāo)沿軸向的相對運(yùn)動，驅(qū)動一個(gè)油壓系統(tǒng)來將波浪能轉(zhuǎn)化成電能。其中內(nèi)部的浮標(biāo)（圖中的Body 2）與同軸的潛體相連，潛體起到固定裝置的作用，同時(shí)也可起到平衡海浪頻率的作用。該裝置的獨(dú)特性在于可以通過遠(yuǎn)程調(diào)控上部浮體的穩(wěn)定物來對裝置進(jìn)行控制。當(dāng)風(fēng)浪太猛烈時(shí)，可以調(diào)控上部浮體的浮力，使其只轉(zhuǎn)化為設(shè)定波浪的能量。

圖14 垂直軸雙浮體液壓式波能轉(zhuǎn)換裝置

3 波浪能發(fā)電技術(shù)的展望

海洋波浪能是一種無污染的、清潔的、可再生的新能源，波浪能能流密度高、儲量巨大且分布廣泛，是未來海洋能利用發(fā)展的主要方向，在海洋開發(fā)和海防方面將起到關(guān)鍵作用。

波浪能轉(zhuǎn)換過程是海洋能轉(zhuǎn)換中最復(fù)雜的過程，波浪能發(fā)電技術(shù)目前還處于發(fā)散狀態(tài)，存在各種技術(shù)的不同發(fā)展方向，但發(fā)展趨勢是不斷地向高效率、高可靠性、低造價(jià)方向發(fā)展。要想早日實(shí)現(xiàn)波浪能發(fā)電的普及應(yīng)用應(yīng)該解決的問題有：①提高波浪能裝置在各種波浪作用下的轉(zhuǎn)換效率；②波浪能裝置工作在波浪最大的地方，惡劣的海洋環(huán)境造成的腐蝕以及海洋生物附著又可能造成裝置某些環(huán)節(jié)的失效，因此提高波浪能裝置的可靠性是波浪能發(fā)電技術(shù)的難題之一；③應(yīng)該加強(qiáng)國際間的技術(shù)合作，突破技術(shù)的局限性；④應(yīng)加強(qiáng)新穎的發(fā)電設(shè)備及控制系統(tǒng)的研究。

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