波浪能发电

波浪能发电的开发与展望

摘要：波浪能是海洋能源中蕴藏最为丰富的能源之一，也是海洋能利用研究中近期研究最多的海洋能源，其开发利用技术已趋于成熟，正在进入或接近于商业化发展阶段。本文对海洋波能发电技术的基本原理、能量转换系统等作了全面综述，介绍了国内外海洋波能发电技术的进展和主要波能装置，而其中一些计划的成功的实施，也有力地推动了波能转换的技术进步及其在世界范围内的竞争力。同时也分析了波浪能研究和利用的发展目标和方向。指出我国波浪能利用对于沿海地区海洋资源的开发和远离大陆海岛的发展有着十分重要的意义。

关键词：海洋波浪能；波能转换；发电；新能源

机组根据波浪的“峰”“谷”分两个步骤进行，图1，当装置在波峰时，海水进入空气室内的水位上升，室内体积变下，气压增大，大于外界气压。因此，空气被压入A、B水阀室。在A水阀室产生的空气气泡集合后，从“集合喷管喷出，气流通过导向叶片，带动涡轮旋转做功。做功后的气体从通风口通出。B水阀室则隔断从A室来的空气，使“集合喷管处产生负压。图2，当装置在波谷时的气体体积增大，压力降低，使室内的气压小于外界气压，外界空气气冲开空气活门，进入涡轮，通过导向叶片推动涡轮机动作，做功后的气体经“集合喷管”，及水阀室B至空气室，而水阀室A则隔断空气。

空气式波能转换系统结构简单，没有任何水下活动部件，而且将空气作为能量载体，传递方便，能通过气室将低速活动的波浪的能量转换成高速运动的气流，造价低，可靠性好。由于用空气做能量转换的中间介质，透平发电机组不与海水接触，避免了一些海水腐蚀和机组密封等问题，提高了装置在海洋环境下的生存能力【5】。空气式波力发电装置可分为两类：漂浮式和固定式。漂浮式的主要优点在于建造方便，投放点机动，以及对潮位变化的适应性。由于波浪的表面性，吸收波能的物体越接近水面越好，而漂浮式能在任何潮位下实现这一要求。相比之下，固定的空气式吸收波能的开口无法适应潮位的改变，意味着至少有一半时间处于不理想的工作状态，大大影响了总体效率。然而从工程观点出发，漂浮式的主要缺点是系泊与输电，这是难点之处【6】。我国大万山波力实验电站即采用岸式振荡水柱方式，但岸式装置也有其弱点：岸式装置需要经受大风浪的考验，波浪拍岸时出现了高度非线性现象，他的作用力难以用现有方法正确估计；波浪发电装置都建在位于海岛迎浪一侧，该侧一般为悬岸峭壁，再加上台风侵袭，施工难度很大。 1.1.2 聚波蓄能式波能转换装置聚波蓄能式波能转换装置利用狭道把广范围的波能聚集在很小的范围内，这是一种提高能量密度方式。挪威波能公司（Morwave A.S）于1986年挪威MOWC电站附近建造了一座装机容量为350KW的聚波水库电站。电站的技术关键是它的开口约60m的喇叭形聚波器和长约30m的逐渐变狭窄的畸形导槽。当波浪进入导槽宽阔的一端向里传播时，波高不断地被放大，直至波峰溢过边墙，将波浪能转换成势能。楔形槽具有聚波器和转换作用。与导槽相通的是面积约8500m2，与海平面落差约3~8m的水库。发电采用的是常规水轮机组。

先将波浪能集中，然后保留其位能部分，任其消耗其动能部分，整个过程并不依赖于第二介质，这种方法的优点在于波能的转换没有活动部件，可靠性好，维护费用低且出力稳定。建造者称其转换效率在65%~75%，几乎不受波高和周期的影响。电站紫儿建成以来一直工作正常。不足之处是，建造这种电站对地形要求严格，不易推广。 1.2 波能的二次转换通过波能的一次转换将波能转换为另一种形式的机械能——一种有质量物体（能量载体）的能，但要将它变为电能，还需要进行二次转换。二次转换是透平发电机组（这里的透平是广义的，可以是空气透平，水轮机，液压马达等动力机械）。但用作波浪的发电的发电机。必须适应变化幅度较高的工况，一般大小功率的波浪发电采用整流输入蓄电池的方式，较大功率的波力发电与陆地电网并联调负【7】。两次转换间一般还有些中间转换装置来优化第一级转换，目的是将能量作传递。由于一次转换所得的能量，其载体具有压力大而速度低的特点，用它驱动二次转换机组是不合适的。因此，中间环节促使波力机械能经特殊装置处理达到稳向、稳速和加速能量传递，以推动发电机组。中间转换的种类有机械式，水动式，气动式三种。 2 波能发电的应用由于受风能分布的影响，波浪能的资源最丰富的区域为太平洋、大西洋东岸、北纬30。~60。一带。因此位于太平洋东岸的加拿大、美国和智利以及位于大西洋的爱尔兰、英国、法国、西班牙、澳大利亚等国的波浪能能密度较大，这些国家比较注重降低成本，提高效率以实现波浪能的大规模利用，中国、日本等位于太平洋西岸的国家，波浪密度相对较小，因此比较注重将海洋能最为特殊能源使用，注重与远离大陆的海岛用户或海上需求相结合，目前已发明了多种波能转换装置，并建成了数十座波浪能示范电站，其中以英国、挪威、日本等国开发利用的水平较高。 2.1 国外波能发电的发展概况英国具有世界最好的波浪能资源。从70年代以来，就把波浪发电研究放在新能源开发的首位，投资1700多万英镑研究波浪能装置，使英国在波浪能发电技术方面处于世界领先地位，在80年代初就已成为世界波浪能研究中心。于1990年和1994年分别在苏格兰伊斯兰岛和奥斯普雷建成了75kw和2万kw振荡水柱式和固定式岸基波力电站【8】。由英国国家工程实验室(NEL)研制的蜗形中空风箱泵式海浪发电机，近期在苏格兰的奥特希布莱外海上安装发电，装机容量达11万kw。目前英国正在致力于威尔斯气动透平的利用、原型波力发电机组、导航浮标的波力透平发电组及小型波能转换器等的研究，世界上第一台商用波浪发电机已于1995年8月在英国克莱德河口海湾开始发电，装机容量2000kw，还授建毛里求斯一座2万kw容量的波力电站。英国500kw岸式波能装置LIMPE（Land—Installed-Marine-Powered Energy Transformer）2000年11月在苏格兰Islay岛建成，站址处波能功率密度为25kw/m，目前已经发电上网。挪威于1985年至1986年，在Bergen市附近的Toftestallen岛分别建成了一座装机容量为500kw的带前港振荡水柱式波力电站和一座装机容量为350kw的喇叭收缩波道式聚波水库波力电站（其中500kw电站在350kw电站以北约100m处）。这两座电站是挪威在80年代中、后期成为国际波能领域领头国家的标志。500kw电站在1988年12月的一次强风暴中被破坏，钢结构部分全部被打入海中，后来也没有修复。在90年代初又建造了一座容量1万kw的波力电站，均已达到商业应用程

度，另外还先后与印尼和澳大利亚签订协议为这两个国家各建一座容量为1400kw的波力电站。日本的波浪能研究与开发也十分活跃。它的10多家研究与开发机构既有明确分工又有协调，并重视技术向生产应用的转化研究，使日本在波浪能转换技术实用化方面走在世界前列。它从80年代中期至今已建成