概述
波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運(yùn)動周期以及迎波面的寬度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源。波浪能是由風(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。能量傳遞速率和風(fēng)速有關(guān)，也和風(fēng)與水相互作用的距離有關(guān)。波浪可以用波高、波長和波周期等特征來描述。
波浪所蘊(yùn)涵的能量主要是是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運(yùn)動周期以及迎波面的寬度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源。臺風(fēng)導(dǎo)致的巨浪，其功率密度可達(dá)每米迎波面數(shù)千kW，而波浪能豐富的歐洲北海地區(qū)，其年平均波浪功率也僅為20~40kW/m中國海岸大部分的年平均波浪功率密度為2~7kW/m。全世界波浪能的理論估算值也為109kW量級。利用中國沿海海洋觀測臺站資料估算得到，中國沿海理論波浪年平均功率約為1.3X107kW。但由于不少海洋臺站的觀測地點(diǎn)處于內(nèi)灣或風(fēng)浪較小位置，故實(shí)際的沿海波浪功率要大于此值。其中浙江、福建、廣東和臺灣沿海為波能豐富的地區(qū)。
利用海面波浪的垂直運(yùn)動、水平運(yùn)動和海浪中水的壓力變化產(chǎn)生的能量發(fā)電。波浪能發(fā)電一般是利用波浪的推動力，使波浪能轉(zhuǎn)化為推動空氣流動的壓力(原理與風(fēng)箱相同，只是用波浪做動力，水面代替活塞)，氣流推動空氣渦輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。
波浪能發(fā)電系統(tǒng)一般有能量采集系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能量吸收裝置吸收波浪能并將其轉(zhuǎn)換成規(guī)則運(yùn)動形態(tài)(如直線運(yùn)動、圓周運(yùn)動)的機(jī)械能，再通過能量轉(zhuǎn)換裝置將規(guī)則運(yùn)動形態(tài)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能輸出。
技術(shù)原理
類型波浪能發(fā)電方式數(shù)以千計(jì)，按能量中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)主要分為機(jī)械式、氣動式和液壓式三大類。
機(jī)械式通過某種傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波浪能從往復(fù)運(yùn)動到單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的傳遞來驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電的方式。圖1是采用齒條、齒輪和棘輪機(jī)構(gòu)的機(jī)械式裝置。隨著波浪的起伏，齒條跟浮子一起升降，驅(qū)動與之嚙合的左右兩只齒輪作往復(fù)旋轉(zhuǎn)。齒輪各自以棘輪機(jī)構(gòu)與軸相連。齒條上升，左齒輪驅(qū)動其軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右齒輪則順時(shí)針空轉(zhuǎn)。通過后面一級齒輪的傳動，驅(qū)動發(fā)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)發(fā)電。機(jī)械式裝置多是早期的設(shè)計(jì)，往往結(jié)構(gòu)笨重，可靠性差，未獲實(shí)用。
圖1 機(jī)械式裝置簡圖
氣動式通過氣室、氣袋等泵氣裝置將波浪能轉(zhuǎn)換成空氣能，再由氣輪機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電的方式。圖2是漂浮氣動式裝置工作原理圖。由于波浪運(yùn)動的表面性和較長的中心管的阻隔，管內(nèi)水面可看作靜止不動的水面。內(nèi)水面和氣輪機(jī)之間是氣室。當(dāng)浮體帶中心管隨波浪上升時(shí)，氣室容積增大，經(jīng)閥門吸入空氣。當(dāng)浮體帶中心管隨波浪下降時(shí)，氣室容積減小，受壓空氣將閥門關(guān)閉經(jīng)氣輪機(jī)排出，驅(qū)動沖動式氣輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。這是單作用的裝置，只在排氣過程有氣流功率輸出。圖3是振蕩水柱氣動式裝置工作原理圖。它有兩組吸氣閥和兩組排氣閥，固定氣室的內(nèi)水位在波浪激勵下升降，形成排氣、吸氣過程。四組吸、排氣閥相應(yīng)開啟和關(guān)閉，使交變氣流整流成單向氣流通過沖動式氣輪機(jī)，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。這是雙作用的裝置，在吸、排氣過程都有功率輸出。氣動式裝置使緩慢的波浪運(yùn)動轉(zhuǎn)換為氣輪機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，機(jī)組縮小，且主要部件不和海水接觸，提高了可靠性。氣動式裝置在日本益田善雄發(fā)明的導(dǎo)航燈浮標(biāo)用波浪能發(fā)電裝置上獲得成功的應(yīng)用。1976年，英國的威爾斯發(fā)明了能在正反向交變氣流作用下單向旋轉(zhuǎn)做功的對稱翼氣輪機(jī)，省去了整流閥門系統(tǒng)，使氣動式裝置大為簡化。圖4是對稱翼氣輪機(jī)工作原理圖。該型氣輪機(jī)已在英國、中國新一代導(dǎo)航燈浮標(biāo)波浪能發(fā)電裝置和挪威奧依加登島500 kW波浪能發(fā)電站獲得成功的應(yīng)用。采用對稱翼氣輪機(jī)的氣動式裝置是迄今最成功的波浪能發(fā)電裝置之一。
圖3 振蕩水柱氣動式裝置工作原理圖
圖4 對稱翼氣輪機(jī)工作原理圖
(a) 葉輪; (b) 葉型受力分析
液壓式通過某種泵液裝置將波浪能轉(zhuǎn)換為液體(油或海水)的壓能或位能，再由油壓馬達(dá)或水輪機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電的方式。圖5是點(diǎn)頭鴨液壓式裝置簡圖。波浪運(yùn)動產(chǎn)生的流體動壓力和靜壓力使靠近鴨嘴的浮動前體升沉并繞相對固定的回轉(zhuǎn)軸往復(fù)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動油壓泵工作，將波浪能轉(zhuǎn)換為油的壓能，經(jīng)油壓系統(tǒng)輸送，再驅(qū)動油壓發(fā)電機(jī)組發(fā)電。點(diǎn)頭鴨裝置有較高的波浪能轉(zhuǎn)換效率，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，海上工作安全性差，未獲實(shí)用。圖6是收縮斜坡聚焦波道式裝置簡圖。波浪進(jìn)入寬度逐漸變窄、底部逐漸抬高的收縮波道后，波高增大，海水翻過導(dǎo)波壁進(jìn)入海水庫，波浪能轉(zhuǎn)換為海水位能，然后用低水頭水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。聚焦波道裝置已在挪威奧依加登島250 kW波浪能發(fā)電站成功的應(yīng)用。這種裝置有海水庫儲能，可實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定和便于調(diào)控的電能輸出，是迄今最成功的波浪能發(fā)電裝置之一。但對地形條件依賴性強(qiáng)，應(yīng)用受到局限。
圖5 點(diǎn)頭鴨液壓式裝置簡圖
圖6 收縮斜波聚焦波道式裝置簡圖
國內(nèi)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀
我國波力發(fā)電技術(shù)研究始于70年代，于1975年研制成1臺1 kW的波力發(fā)電浮標(biāo)，在浙江省嵊山島進(jìn)行了試驗(yàn)．80年代以后獲得較快發(fā)展，1984年廣州能源所研制成功6 W小型波力發(fā)電裝置，用于導(dǎo)航燈標(biāo)，隨后按不同導(dǎo)航燈標(biāo)的要求，又開發(fā)了系列產(chǎn)品．目前在我國沿海航線已安裝了數(shù)百臺這種小型波力發(fā)電裝置．與日本合作研制的后彎管型浮標(biāo)發(fā)電裝置，已向國外出口，該技術(shù)屬國際領(lǐng)先水平．
中國第一座試驗(yàn)波力電站位于南中國海的珠海市大萬山島，1989年試建成功。裝機(jī)容量為3 kW的多振蕩水柱型沿岸固定式波力電站．1989年，1990年及1991年分別對其做了三次海上運(yùn)行試驗(yàn)，研究了實(shí)海況下氣室、透平及電機(jī)的性能．試驗(yàn)結(jié)果表明，該電站具有很好的實(shí)海況性能．波力電站的平均“總效率”大都在10％～35％，最大值接近40％．在該電站原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，廣州能源研究所已將其改建成一座20 kW的波力電站，并于1996年2月試發(fā)電成功，逐步完善后將向島上提供補(bǔ)充電源．
中國科學(xué)院廣州能源研究所自1989年開始對后彎管波力發(fā)電裝置進(jìn)行研究與開發(fā)，5 kW后彎管波力發(fā)電裝置研究經(jīng)歷了浮體模型性能試驗(yàn)研究、樣機(jī)設(shè)計(jì)制造和海上試驗(yàn)等三個階段，取得了成功．
“九五”期間，在科技部科技攻關(guān)計(jì)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，是一座與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的岸式振蕩水柱型波能裝置，項(xiàng)目開始于1996年12月，工程結(jié)束于2001年2月．現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入試發(fā)電和實(shí)海況試驗(yàn)階段．從試發(fā)電和實(shí)海況試驗(yàn)的情況來看，電站設(shè)計(jì)合理，波能轉(zhuǎn)換效率較高，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求．同時(shí)，由天津國家海洋局海洋技術(shù)所研建的100 kW擺式波力電站，已在1999年9月在青島即墨大官島試運(yùn)行成功．我國計(jì)劃至2020年，在山東、海南、廣東各建1座1 000 kW級的岸式波力電站。
總之，我國波力發(fā)電雖起步較晚，但發(fā)展很快．微型波力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟，小型岸式波力發(fā)電技術(shù)已進(jìn)入世界先進(jìn)行列．在波浪能發(fā)電規(guī)模方面，世界上已從102 kW，103 kW級發(fā)展到104 kW級的應(yīng)用，而我國目前仍停留在10 kW，102 kW級的水平上，至2020年的遠(yuǎn)景目標(biāo)也只是發(fā)展到102 kW～103kW級的波力電站，波浪能開發(fā)的規(guī)模遠(yuǎn)小于挪威，英國等，因此小型波浪發(fā)電距實(shí)用化尚有一定距離。
國外發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀
英國具有世界上最好的波浪能資源．從70年代以來，就把波浪發(fā)電研究放在新能源開發(fā)的首位，投資1 700多萬英鎊研究波浪能裝置，使英國在波浪能發(fā)電技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位，在80年代初就已成為世界波浪能研究中心．于1990年和1994年分別在蘇格蘭伊斯萊島和奧斯普雷建成了75 kW和2萬kW振蕩水柱式和固定式岸基波力電站。由英國國家工程實(shí)驗(yàn)室(NEL)研制的蝸形中空風(fēng)箱泵式海浪發(fā)電機(jī)，近期在蘇格蘭的奧特希布萊外海上安裝發(fā)電，裝機(jī)容量達(dá)11萬kW。目前英國正在致力于威爾斯氣動透平的利用、原型波力發(fā)電機(jī)組、導(dǎo)航浮標(biāo)的波力透平發(fā)電組及小型波能轉(zhuǎn)換器等的研究，世界上第一臺商用波浪發(fā)電機(jī)已于1995年8月在英國克萊德河口海灣開始發(fā)電，裝機(jī)容量2 000 kW，英國500 kW岸式波能裝置uM—PET(Land-Installed—Marine-Powered Energy Trans～former)2000年11月在蘇格蘭Islay島建成，站址處波能功率密度為25 kW／1TI，目前已經(jīng)發(fā)電上網(wǎng)。
挪威于1985至1986年，在Bergen市附近的Toftestallen島分別建成了一座裝機(jī)容量為500 kw的帶前港振蕩水柱岸式波力電站和一座裝機(jī)容量為350 kW的喇叭口收縮波道式聚波水庫波力電站(其中500 kW電站在350 kW電站以北約100 1TI處)．這兩座電站是挪威在80年代中、后期成為國際波能領(lǐng)域領(lǐng)頭國家的標(biāo)志．500 kW電站在1988年12月的一次強(qiáng)風(fēng)暴中被破壞，鋼結(jié)構(gòu)部分全部被打人海中，后來也沒有修復(fù)。在90年代初又建造了一座容量為、l萬kW的波力電站，均已達(dá)到商業(yè)應(yīng)用程度，另外還先后與印尼和澳大利亞簽訂協(xié)議為這兩個國家各建一座容量為1 400 kW的波力電站．
日本的波浪能研究與開發(fā)也十分活躍．它的10多家研究與開發(fā)機(jī)構(gòu)既有明確分工又有效協(xié)調(diào)，并重視技術(shù)向生產(chǎn)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化研究，使日本在波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)用化方面走在世界前列．它從80年代中期至今已建成4座岸基固定式和防波堤式波力電站，單機(jī)容量為40～125 kWEll]，其中最有名的是80年代初建造的“海明”號波能發(fā)電船，研究在長80m，寬12 m，由13個振蕩水柱氣室組成的船型漂浮式結(jié)構(gòu)上進(jìn)行．安裝10臺單機(jī)功率為125 kW的發(fā)電機(jī)，總裝機(jī)容量達(dá)1 250 kW，特別適合于“離島的自給電源”．為克服“海明”號的缺陷，日本海洋科學(xué)技術(shù)中心(JAMSTEC)于1987年組織了一項(xiàng)耗資lO億日元，名為“巨鯨”(Mighty whale)的波浪發(fā)電裝置研究開發(fā)計(jì)劃，經(jīng)過理論研究和模型試驗(yàn)，該裝置于1997年末在三重縣五所灣離岸海域下水，1998年9月開始持續(xù)兩年的實(shí)海況試驗(yàn)，從試驗(yàn)情況來看，裝置的各部分工作正常，最大總發(fā)電效率為12％[1 21．該裝置不僅能吸收波力能發(fā)電，具有獨(dú)立能源平臺的功能，還可起到平穩(wěn)波浪的作用，有利于海洋開發(fā)．日本當(dāng)前容量最大的設(shè)備是1996年9月投運(yùn)的由日本東北電力公司在原町火電站南部防波堤上裝設(shè)的130 kW波力發(fā)電設(shè)備。
瑞典在1983～1984年進(jìn)行了30 kW軟管泵原型裝置的現(xiàn)場試驗(yàn)，并且在西班牙大西洋岸外建了一座1 000 kW的波力示范電站；印度已宣從1990年開始實(shí)施一項(xiàng)波能發(fā)展6年計(jì)劃，包括在馬德拉斯附近建一座容量為5 000 kW的離岸波力電站，目前正在特里凡得瑯港(Trivandrum)附近建一座使用威爾斯透平發(fā)電機(jī)的150 kw示范波力電站；美國的波浪能研究涉及氣動波能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、平行盤波能模件、串連活板系統(tǒng)及隨波筏鏈裝置等．最近，由美國能源部技術(shù)研究所研制的岸上／離岸波力發(fā)電系統(tǒng)，將海水?dāng)D壓到岸上蓄水池，再以水力發(fā)電，發(fā)電容量可達(dá)414 kW[9]．據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已有28個國家(地區(qū))研究波浪能的開發(fā)，建設(shè)大小波力電站(裝置、機(jī)組或船體)上千座(臺)，總裝機(jī)容量超過80萬kW，其建站數(shù)和發(fā)電功率分別以每年2．5％和10％的速度上升。
供應(yīng)商信息
美國新澤西州的海洋電力技術(shù)公司（OPT）
美國能源公司
美國Finavera公司
經(jīng)典案例
美波浪能開發(fā)項(xiàng)目獲突破將建1.5兆瓦波浪能發(fā)電站
總部位于美國新澤西州的海洋能電力技術(shù)公司（OPT）近日宣布，該公司已經(jīng)同11個美國聯(lián)邦和州級機(jī)構(gòu)還有3個非政府的利益相關(guān)方簽訂合同，允許在俄勒岡州的里茲波特市修建一個1.5兆瓦的波浪能發(fā)電站。
這個合同的簽訂被看作是美國聯(lián)邦能源管理委員會朝著發(fā)放首個商業(yè)波浪能項(xiàng)目許可邁出了重要一步。
項(xiàng)目中使用的是電力浮標(biāo)系統(tǒng)（PowerBuoy），這種設(shè)施可以隨著波浪的運(yùn)動而上下浮動把動力轉(zhuǎn)化為電力。發(fā)出的電通過海底電纜送往岸上。在項(xiàng)目的第一階段，海洋電力技術(shù)公司將安裝10臺電力浮標(biāo)系統(tǒng)，公司稱，這個波浪能電廠項(xiàng)目將能為附近數(shù)百戶家庭提供電力。
美國這個首個波浪能開發(fā)合同的達(dá)成可謂是過關(guān)斬將。要經(jīng)過美國聯(lián)邦政府、所在州政府、非政府機(jī)構(gòu)等的許可。合同本身涵蓋了技術(shù)、政策和法律層面的考量，具體細(xì)化到水產(chǎn)資源開發(fā)、水質(zhì)保護(hù)、休閑娛樂、沿岸陸地資源保護(hù)和文化資源保護(hù)等方面。這個協(xié)議還包含一個創(chuàng)新的適應(yīng)性管理計(jì)劃，有了這個計(jì)劃整個海浪能項(xiàng)目就為滿足環(huán)保要求而做出變動。這個波浪能電站將給美國未來波浪能發(fā)展提供可貴的樣本和研究資料。
俄勒岡州州長泰德?庫隆格斯基說：“這個合同是一個有突破性意義的文件，它體現(xiàn)了美國政府部門、私有公司和沿岸社區(qū)之間聯(lián)手發(fā)展可再生能源的決心。第一個電力浮標(biāo)系統(tǒng)就給當(dāng)?shù)貛砹藥资畟€綠色就業(yè)計(jì)劃，而這里將來要建10個這樣的系統(tǒng)，一個全新的工業(yè)就將在這里誕生，必將給沿岸社區(qū)帶來益處。”在強(qiáng)調(diào)收益的同時(shí)，他也提醒道：“在開發(fā)海洋能時(shí)要注意保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，因?yàn)檫@對俄勒岡州的漁業(yè)很重要。”
海洋能電力技術(shù)公司執(zhí)行主席喬治?泰勒博士說：“這個合同的簽訂證明了公司在海洋能開發(fā)方面的技術(shù)實(shí)力，也肯定了公司讓多方利益相關(guān)者參與到開發(fā)中來的開放運(yùn)作方式。”他同時(shí)也展望了這個項(xiàng)目的未來，他說：“這個項(xiàng)目可以給美國制造業(yè)帶來更多就業(yè)機(jī)會，同時(shí)提供低成本的清潔電力，減少美國對化石燃料的依賴?！?/span>
據(jù)悉，俄勒岡州的里茲波特海岸是世界上最適合發(fā)展波浪能的地點(diǎn)之一。美國加利福尼亞州電力研究所的專業(yè)人員稱，美國海岸可用海洋能比全美水電廠總裝機(jī)的能量大9-10倍。
《中國能源報(bào)》 (2010-08-23 第09版)
參考文獻(xiàn)
http://gongjushu.cnki.net/refbook/detail.aspx?db=crfd&recid=R2006072290000018