波浪能发电技术的研究现状与发展趋势

波浪能发电技术研究现状与发展趋势

陈韦余顺年詹立垒钟启茂

（集美大学机械与能源工程学院福建厦门361021）

摘要：海洋波浪能是取之不尽、用之不竭的无污染可再生新能源。利用波浪能发电技术改善能源结构和生态环境，有利于海洋资源的开发，受到各国的重视。文章介绍了波浪能的定义、优点及发电的原理，对波浪发电技术进行了分类并总结了各发电技术的优缺点；综述了波浪发电技术的研究现状，并对今后海洋波浪能发电技术的发展趋势进行了展望。

关键字：海洋波浪能；发电技术；发展趋势

中文分类号：文献标识码

随着经济的迅速发展，能源需求不断地增加，传统能源日益短缺，大量的化石原料的使用又引发出了严重生态环境问题，这些已经成为了全世界关注的焦点。为了应对资源枯竭和生态环境问题，解决能源供应在社会经济发展的瓶颈问题，寻找替代的可再生能源刻不容缓。海洋能是一种蕴藏在海洋中的可再生能源，包括温差能、海流能、波浪能、潮汐能以及海上的风能和太阳能等自然资源。其中海洋波浪能在海洋中无处不在，汹涌澎湃的海洋波浪蕴藏着极大的能量，波浪能的能流密度最大，可通过较小的装置提供可观的廉价能源。由于，合理利用海洋波浪发电，既不消耗任何燃料和资源，又不产生任何污染，投资少，见效快等优点；因此海洋波浪能等可再生能源在许多国家日益受到重视，尤其是研究和开发波浪能发电技术。

1波浪能简介

波浪能主要是由海面上风吹动以及大气压力变化引起的海水有规则的周期性运动，具有一定的动能和势能，动能是指波动的水质点以一定速度运动具有的能量，势能是指水质点运动与海平面发生位移所具有的能量。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。海洋波浪能源与其他能源相比较，具有优点是①以机械能的形式出现,是海洋能源中品位最高的能量；②可再生性、清洁无污染；③有按周期性变化的规律可循，从而为其标准化利用打下基础；

④分布最广、储量巨大、能流密度大、利用程度非常高的能源。波浪能的优点表明：波浪能相对其它形式的海洋能源，其开发更为方便，通过较小的装置提供可观的廉价能源。

波浪能主要用于发电，可为海上孤岛、沿海经济开发区及其它设施等提供优质电能。此外，波浪能还可以用于供热、抽水、制氢以及海水谈化等。

2波浪能发电技术

2.1波浪发电的原理

波浪发电的原理主要是利用波浪运动的往复力、浮力产生动力或位能差。利用海洋波浪发电的方法大致有三种：一种是利用海洋波浪的上下运动所产生水流或空气流，使水(气)轮机转动，从而带动发电机发电；二是利用海洋波浪装置的前后转动或摆动产生水流或气流，是水（气）轮机转动，从而带动发电机工作，产生电；三是将低压大波浪变为小体积的高压水，然后把水引入高位水池积蓄起来，使它形成了水位的高度差，再来冲动水轮发电机发电[2]。

2.2波浪能发电技术的分类

波浪能发电是通过波浪能装置将波浪能转换为往复机械能，再通过动力摄取系统转换成所需的动力或电能。现有的波浪利用技术有很多种型式，按结构形式可分为振荡水柱式、摆式、越浪式、筏式、鸭式、点吸收式等几种形式。在此对这几种波浪发电技术进行简单的介绍。

2.2.1振荡水柱式

振荡水柱式波能装置是最普通的海洋波浪能转换器。其工作原理是利用一个与海水连通的容器装置，通过波浪作用，驱动气

室内水柱作往复运动，使得水面位置发生变化，引起容器内的空气体积变化，通过压缩容器内的空气产生作用力驱动叶轮工作，带动发电装置发电。振荡水柱波能装置的优点是相对脆弱的机械部分只与往复流动的水流或空气流接触，不与海水接触，防腐性能好；通过气室将低速波浪能量转换成高速运动的气流，传递方便；安全可靠，故障少、维护方便。其缺点是转换效率低，建造费用高。

2.2.2摆式

摆式波能发电是商用波浪发电的重要方式。其工作原理较为简单，即利用海洋波浪的运动推动机械摆发生转动或摆动，将波浪能转化为机械能；与机械摆相连的通常是液压装置，它将机械摆的机械能转化成液压泵的机械能与液压能，再驱动发电机发电。摆式波浪能转换装置具有频率响应范围宽、结构简单易制造、可靠性好、建造费用相对较低、常海况条件转换效率高等许多优点；不足是机械部分与海水接触极易损坏、不易维修、转换效率较高但不稳定、可靠性差。

2.2.3越浪式

越浪式波浪能量转换装置在进行波浪能转换时，通常有两个转换过程：首先将波浪能转化为可供涡轮电机运行的机械能，实现能量的一次转换过程；然后通过涡轮电机将机械能转化为电能进行输出，实现能量的两次转换过程。其优点是装置活动部件较少，整体稳定性较高，可靠性好，波浪能量转换效率较高，维护费用较低，在大浪时系统电力输出稳定；不足之处是小浪下的系统转换效率较低。

2.2.4筏式

筏式波浪能发电装置利用海洋波浪筏通过铰链互相铰接在一起，组成波浪能量转换系统（通常是液压的），转换系统置于每一个铰接处，波浪的运动使波面筏沿着铰接处弯曲，从而反复压缩液力活塞并输出机械能。当装置的固有频率与波浪的频率接近或相一致时，即形成共振，装置的输出效率最高。筏式技术的优点是波浪筏之间仅有角位移，即使在大浪下，该位移也不至于太大，故抗风浪性能较好；缺点是装置顺浪向布置，单位功率下材料的用量比垂直浪向布置的装置大，可能造成装置成本较高。

2.2.5鸭式

鸭式波浪能发电装置的得名是由装置的形状和运行特性类似鸭的运动，波浪入射波的运动使得动压力推动转动部分绕轴线旋转，流体静压力的改变使浮体部分作上下往复运动，动能和位能同时通过液压装置转化，再通过液力或电力系统把动能转换为电能。其优点：转换效率较高，调节鸭身质心可以使其自有频率与波浪运动频率相同或者接近从而形成共振，可以达到最大的转换效率；缺点：装备复杂从而造成可靠性较差，尤其在恶劣的海洋环境下，装置极易损坏。

2.2.6点吸收

点吸收式波浪能发电装置是目前发展较好的波浪能转换装置。该技术采用浮子捕获波浪能，通过浮子连接的液压装置将波浪能转化为液压能，再通过发电机工作输出电能。点吸收装置的优点是捕获波浪能效率以及转换效率均较高；浮子制造的成本相对较低；能量易收集，可以多个装置组合成大规模发电系统。不足是抵抗极端天气的能力差。

3波浪能发电技术的研究现状波浪能的利用最早可追溯到1799年的法国人吉拉德父子所发现得波浪能机械发明专利，但那时的波浪能研究主要在波浪能转换装置的发明上，真正实用的波能发电装置较少。1955年世界上首台波浪能发电机组产生后，越来越多的专家学者都致力于波浪能发电技术的深入研究。

20世纪70年代，许多海洋国家积极开展波浪能开发利用技术，取得了较大的进展。英国对波浪能的研究十分重视，英国致力于威尔斯气动透平的利用、原型波力发电机组、导航浮标波力透平发电机组及小型波能转换器[4]等研究，它的波浪发电技术居世界领先水平。日本由于是个岛国，国土狭小，资源紧张，因此对波浪能研究和开发也相当活跃，开展的波浪能研究项目有：海明号波能发电船、摆式波能装置、导航用波力发电装置等；波浪能转

换技术实用化方面走在了世界前列。挪威主要对波浪发电装置的理论设计做出了贡献，提出了相位控制原理和喇叭口收缩波道式波能装置等。瑞典在上世纪80年代年进行了30kW软管泵原型装置的现场试验，并在西班牙大西洋岸外建了一座1000kW的波力示范电站。据不完全统计，已有28个国家（地区）研究波浪能的开发，建设了上千台大小波力电站，总装机容量超过80万千瓦，其建站数和发电功率分别以每年2.5%和10%的速度上升[4]。

我国对波浪发电的研究自20世纪70年代开始。对波浪能发电的研究最早是在上海兴起的，我国将波浪能开发技术研究确定为国家重点科技项目，将波浪能的开发研究提高到国家的层面，以推进对海上波浪能资源的开发利用，努力实现可持续发展的目标。1984年广州能源研究所成果的设计开发了应用在航标灯上的小型波浪能发电装置，并且大批的应用到了我国沿海海域的航标灯上；20世纪末期开始研制30kW摆式波力电站和100kW岸式波力电站。总之，我国波浪发电研究虽然起步较晚，但在国家科技攻关技术、“863”计划支持下，发展迅速。微型波浪发电技术已经成熟，并已商品化，小型岸式波浪发电技术也已进入世界先进行列。但是中国波浪发电装置示范试验的规模远小于挪威和英国，试验的开发方式类型远少于日本，且小型装置距实用化还有一定距离，装置运行的稳定性和可靠性等还有待提高。

4发展趋势

海洋波浪能资源丰富，能流密度较大、分布最广的能量。如何能够高效地收集大面积的波浪能，并集中转化为机械能，再将其转换成电能，是一个集合机械、物理、力学、防腐、海洋科学等多领域的难题。因此，尽管人们很早就致力于对它的开发利用。但目前这方面的技术还不纯熟，海洋波浪能研究和利用处于试验研究阶段，很多实验装置在海上进行实验，也有一些装置正在试运行发电。

波浪能发电技术还处于发散状态，存在各种技术的沿着不同方向发展，但发展趋势是不断地向高效率、高可靠性、低造价方向发展，以形成低成本的成熟技术，最后通过规模化生产和应用，可大幅降低发电成本。

多元化和综合利用是波浪能发电技术的另一新动向。结合防波堤等港工和海工设施建造波浪电站，为波能利用开辟新途径。波浪电站的建立可以结合海上工程进行，波浪发电的成本大幅度下降。电站的吸收能作用，可以减轻作用在海工建筑的波浪载荷，增加可靠性。多种可再生资源利用的结合有发展空间；如波浪能与太阳能、风能和海洋热能的综合利用；波浪能提取深层海水和供氧以及改善海水牧场和养殖场的养分；利用波浪能清除海洋污染；波浪能海水谈化、制氢、提取海洋中的贵重元素等。

虽然波浪能发电技术还有很多的技术难题，但在相关高技术后援的支持下，海洋波浪发电技术日趋成熟，为人类在新世纪充分利用波浪能展示了美好的前景。

参考文献：

[1]肖惠民,于波,蔡维由.世界海洋波浪能发电技术的发展现状与前景[J].水电与新能源,2011,01:67-69.

[2]訚耀保.海洋波浪能量综合利用[M].上海：上海科学技术出版社，2013.

[3]程友良,党岳,吴英杰.波力发电技术现状及发展趋势[J].应用能源技术,2009,12:26-30.

[4]褚同金. 海洋能资源开发利用[M]. 北京：化学工业出版社，2004：93-112.

[5]张丽珍，羊晓晟，王世明，梁拥成.海洋波浪能发电装置的研究现状与发展前景[J].湖北农业科学,2011,01:161-164.

[6]蔡男,王世明.波浪能利用的发展与前景[J].国土与自然资源研究,2012,06:92-94. [7]任建莉,钟英杰,张雪梅,徐璋.海洋波能发电的现状与前景[J].浙江工业大学学报,2006,01:69-73.

[8]沈利生，张育宾.海洋波浪能发电技术的发展与应用[J].能源研究与管理，2010，04：55-58.

[9]韩冰峰，褚金奎，熊叶胜，姚斐.海洋波浪能发电研究进展[J].电网与清洁能源，201

2，02：61-66.

[10]Clement A, Macullen P，Falcao A, etc. Wave energy in Europe: current status and perspectives [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2002(6):405-431.