世界海洋波浪能发电技术研究进展

图７葡萄牙西海岸的Ｓａｏ Ｐｅｄｒｏ ｄｅ Ｍｏｅｌ实验区地理 位置（ａ）和该水域的具体状况（ｂ）
图８世界上第一个商业规模的波浪发电站 的海蛇式发电机组
５．其他国家 世界上波力发电设备开发最早的国家是法国 （１９９０年），但是发展较慢，已远远落后于英、日、 挪威等大多国家。作为高能源消耗的发达国家，美 国近年来也将目光投向波浪能资源的开发利用，政 府和很多科研机构投入了大量资金用于波浪发电装 置的研发。美国的西海岸的西北部处于全球高海浪 能区域，而美国则于近日宣布将于２０１１年在加利福 尼亚的洪堡湾运行五个商业化的波浪发电装置，单 机发电可达１０００ｋＷ。还有澳大利亚、荷兰、丹麦、 以色列、加拿大、印度尼西亚等国家对波浪发电进 行了一系列研究开发，但主要仍是停留在波浪发电 装置、原理等方面，商业实际应用较少。
我国东南沿海福建、广东等地区已在试验一些波浪 发电装置。
＝，波浪发电技术的进展
波浪发电是波浪能利用的主要方式，波浪能利 用装置的种类繁多，关于波能转换装置的发明专利 超过千项。这些装置主要基于以下几种基本机理， 即利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动：利用波 浪压力的变化；利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成 水的势能等。经过２０世纪７０年代对多种波能装置进 行的实验室研究和８０年代进行的海况试验及应用示 范研究，波浪发电技术己逐步接近实用化水平，研 究的重点也集中于４种被认为是有商品化价值的装 置，包括振荡水柱式装置、摆式装置、振荡浮子式 波能转换装置和收缩波道式波能转换装置。
３．挪 威
挪威
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始于２０世 纪７０年代，虽然起步晚但是发展十分迅速。挪威 主要对波浪发电装置的理论设计做出了较大贡献， 提出了相位控制原理和喇叭口收缩波道式波能装置 等。挪威当时在波浪发电理论研究和实验方面投入 一亿克朗，并于１９８５年在Ｔｏｆｔｅｓｔａｌｌｅｎ岛建立了装机 容量分别为５００ｋＷ和３５０ｋＷ的振荡水柱式和聚波 水库式波浪发电。而目前，挪威正与印度尼西亚合 作，在Ｊａｖａ岛兴建一座收缩波道电站。
图１振荡水柱式波能装换装置示意 及汽轮叶片设计
图２位于澳大利亚肯不拉港的振荡水柱式波能转换 装置的原型机
２．摆式波能转换装置 摆式波能转换装置是利用装置的活动部件， 在波浪的推动下，将其从波浪中吸收的能量转换 成机械能或势能，这种波能转换装置最先是由日本 的度部富治教授提出，其方式是波浪在水室中形成 立波，在立波的驻点处，水质点作往复运动，表现 在宏观上，即水团的往复运动，将波浪能转换成摆 轴的动能，与摆轴相连的通常是液压装置，它将摆 轴的动能转换成液力泵的动能，再由液压马达带动 发电机发 电，如图 ３所示。
图５日本“巨鲸（Ｍｉｇｈｔｙ Ｗｈａｌｅ）”波电设备 ２．英国 英国具有全世界最好的波浪能资源，尤其在苏 格兰北部地区有着尤其多的波浪能资源，２００１年英 国科学技术委员会在一份报告中就指出，仅仅在英 国的海域每年通过海浪发电装置可收集的海浪能资 源及达５０Ｔ、７ｖ１１。ｆ１２０世纪７０年代开始，英国就制定 了能源多样化政策，鼓励发展包括海洋能在内的各 种可再生能源，并把波浪发电的研究放在新能源研 究的首位。而早在２０世纪８０年代初英国就已成为世
摘要：随着世界能源日趋紧张，波浪发电作为一种新能源的来源，受到世界各 国的重视。波能转换技术日趋成熟，日．英，挪威等国建造了若干座不同类型 的波浪发电站。介绍了世界主要国家的波力发电技术进展及主要波能装置并分
析了波浪能研究与利用的发展方向和可能遇到的问题。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ａ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｅｎｅｒｇｙ，ｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｐａｉｄ ｍｕｃｈ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｂｙ ｍｏｒｅ ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄａｙ ｂｙ ｄａｙ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ Ｊａｐａｎ，Ｂｒｉｔｉｓｈ，Ｎｏｒｗｅｇｉａｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｍｅｌｌｏｗ ｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａｎｄ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｐｒｏｂａｂｌｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
三．典型国家的波浪能开发
随着陆地矿物燃料日趋枯竭，环境污染日趋严 重，环保、可持续发展等观念使世界上一些主要的 海洋国家纷纷把目光转向海洋，其中对波浪发电的 研究日趋深入。由于在地球纬度为４０。一６０。的西 海岸区域主要盛行能量很大的西风，所以这一区域
７０ Ｉ装 备 机 械
万方数据
的海洋波浪具有高能量，其峰值大约有１００ｋＷ／ｍ。 所以，位于这一区域的国家对海浪发电的研究一直 处于世界的前沿，如北美的美国和加拿大、欧洲的 大部分国家以及亚洲的日本等国。
４．葡萄牙 葡萄牙的海浪发电研究起步较晚，技术以引 进为主。但葡萄牙有着发展波浪发电得天独厚的 自然条件优势，政府和科研机构对海浪能资源也 越来越重视。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，总面积 约为３２０ｋｍ２） （图７所示）建立大型海洋实验区， 进行远海海浪能开发，其装机容量达２５０ＭＷ。此 外，葡萄牙还于２００８年引进英国的海蛇发电机组 （图８），在此海洋实验区建立了世界上第一个商业 规模的波浪发电站。
、引言
随着世界经济的发展、人１３的激增、社会的 进步，人们对能源的需求日益增长。占地球表面 积７０％的广阔海洋，集中了９７％的水量，蕴藏着大 量的能源，其中包括波浪能、潮汐能、海流能、 温差能、盐差能等。其中，波浪能由于开发过程 中对环境影响最小且以机械能的形式存在，是品 位最高的海洋能。据估算，全世界波浪能的理论 值约为１０，ｋＷ量级，是现在世界发电量的数百倍， 有着广阔的商用前景，因而也是各国海洋能研究 开发的重点。自２０世纪７０年代世界石油危机以来， 各国不断投入大量资金人力开展波浪能开发利用的 研究，并取得了较大的进展。日、英、美、澳等国 家都研制出应用波浪发电的装置，并应用于波浪发 电中。我国对波浪能的研究、利用起步较晚，目前
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世界海洋波浪能 发电技术研究进展
交，李戒魁。２．廖文俊。２一．王宇鑫。２ 寥文俊？男ｊ Ｉ学硕士ｊ毕业于同济大学材料学专业，现在上海电气中央研究皖从事新材料．耨技术．新 Ｉ艺的探索研究Ｉ作，主要领域为耨能源与节能技术， １同济大学材料科学与Ｉ程学院（２０００９２） ２上海市金属功能材料开发应用重点实验室（２０００９２） 二上海电气集团股份有限公司口００３３６）
有一个比海平面高的高位水库和一个渐收的波道。 收缩波道其实就是两道钢筋混凝土做成的对数螺旋 正交曲面，从海里一直延伸到高位水库里，两道墙 在高位水库内相接。当海浪进入收缩波道时，由于 收缩波道的波聚作用，使波浪的波高增大，从而使 水越过钢筋混凝土墙进入高位水库，然后水库里的 水通过一个低水头的水轮发电机组用来发电。挪威 波能公司（ＮｏｒｗａｖｅＡ．Ｓ）于１９８６年建造了一座装机 容量为３５０ｋＷ的收缩波道式波能电站。
图４瑞典乌普萨拉大学设计振荡浮子式波能转换装 置（右）以及由此装置设想的大规模海浪发电场（左）
５．其他波能转换装置 除了上述装置外，目前较为成功的波浪能装 置还有Ｓａｌｔｅｒ“点头鸭”式波能转换装置、筏式与 液压系统的组合式、整流式波能转换装置等，但 其基本原理是相同的。从以上讨论可以看出，振荡 水柱式波能装置是在实际中较多采用的波能装置， 它的优点在于装置在结构上具有较好的可靠性，但 装置的转换效率较低，投资费用过高，因此，在一 些波能密度高的国家，如欧洲、Ｅｌ本、北美得到广 泛应用。但是，在一些波能密度较低的国家，如中 国，如何降低成本、提高效率是波浪装置走向市场 的关键，继续采用这种低效、高成本的装置就显得 不太理想。
１．日本 日本是个能源匮乏的岛国。但据测算，日本每 ｌｍ宽海岸的波浪，却蕴藏着９ｋＷ的能量。自２０世 纪６０年代以来，日本就投运１２台波力发电设备， 除了用于验证试验外，还有４台作商业运营至今。 目前，这种电站在日本已建造１０００多座。其中 １９９６年９月投运的固定式防波堤型１３０ｋＷ波电设备 是日本最大的波能转换设备，它的能量转换箱体长 ２０ｍ、宽２４ｍ、高２４ｍ，共２个，带有８个空气室， １个异步型空气透平发电机，与６ｋＶ电力系统并网。 最近，日本又投运另一种被称为“巨鲸（Ｍｉｇｈｔｙ Ｗｈａｌｅ）” （见图５）的新式波电设备，即可动式 浮体型，长５０ｍ、宽３０ｍ、高１３ｍ，像个大鲸鱼浮 在水面上，其容量１２０ｋＷ。已于１９９８年７月投入商 业运营。２０世纪８０年代，日本还在酒井港建造一座 ２００ＭＷ的波电站，经海底电缆送电。
计振荡浮子式波能转换装置以及由此装置设想的大
规模海浪发电场。
４．收缩波道式波能转换装置 收缩波道式波能转换装置是基于波聚理论的一
种波能转换装置。波聚理论最早由挪威特隆姆大学
的Ｆａｌｎｅｓ和Ｂｕｄａｌ提出。收缩波道式波能转换装置具
万方数据
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譬三簟－簟－ｔ２丘＿．ｎｔｅ，ｎａｌ＆。ｖｅ，ｓｅａ 和１９９４年，分别在苏格兰
伊斯莱岛和奥斯普雷建成了７５ｋＷ和２０ＭＷ振荡水 柱式和岸基固定式波浪电站。而２０００年１１月，英 国在苏格兰Ｉｓｌａｙ岛建成了具有５００ｋＷ岸式波能装 置ＬＩＭＰＥＴ（Ｌａｎｄ—Ｉｎｓｔａｌｌｅｄ—Ｍａｒｉｎｅ—Ｐｏｗｅｒｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）的波浪发电站，站址处波能功率密度 为２５ｋＷ／ｍ。而２００４年的一台名为帕拉米斯的波浪 发电机已在英国西南地区投入使用，其发电功率为 ７５０ｋＷ，供５００户居民使用。由英国Ｃｈｅｃｋｍａｔｅ海洋 能源公司设计的“巨蟒”波浪发动机（见图６）， 宽度将达至ｌ｜７ｍ，长２００ｍ，二十五分之一大小的原 型机已于最近完成测试，并将于２０１４年左右投入使 用，届时可满足１０００个普通家庭用电需求。同时， 英国计划在西南部地区建造１座占地面积约１ｋｒｎ２、 由４０台波浪发电机组成的波浪发电站，并通过一条 海底电缆 为２万户居 民提供电 力。