摆式波浪能发电技术研究

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作者简介：张文喜（1987-），男，硕士研究生，从事船舶与海洋结构物设计制造方面的研究。

叶家玮（1947-），男，教授，博士生导师，从事水下机器人、海洋平台诸方面的研究工作。

收稿日期：2010-11-29
摆式波浪能发电技术研究
Research Overview on Pendulum Wave Power Generation Technology
张文喜，叶家玮
（华南理工大学 土木与交通学院，广州 510640）
ZHANG Wenxi, YE Jiawei
( South University of Technology, Guangzhou 510640 )
Abstract: Research on wave power generation has advanced signifi cantly over the past few decades. Much of this work has been undertaken by scientists of many countries. This paper briefl y introduces the present situation of utilizing wave energy and the research progress on pendulum wave power generation technology, describes the work of Muroran University and State Oceanic Administration and summarizes the achievements on pendulum wave power generation technology.
Key words: Wave power generation; Pendulum; Energy transform; Engineering application
摘 要：波浪能作为绿色可再生能源，得到各国政府的重视。

世界上进行波浪能发电技术研究已经多年，取得了许多成果。

本文简单介绍了波浪能发电的应用现状以及摆式波浪能发电的原理及研究进展，对日本室兰工业大学以及我国国家海洋局海洋技术研究所的研究进行了详细的描述。

总结了摆式波浪能发电的研究成果，探讨未来工程应用中的研究方向。

关键词：波浪能发电；摆式；能量转换；工程应用
1 前言
人类社会即将步入二十一世纪的第二个十年，作为世界主要能源来源的煤、石油、天然气等非可再生资源日渐枯竭,碳排放量过高所带来的温室效应以及生态环境破坏所产生的负面影响日渐严重。

近年来，世界各国都在大力进行着清洁可再生能源的开发与利用工作，由太阳能、风能、海洋能、生物能、地热能及其他可再生能源组成的新能源的开发利用已成为当今世界各国重大研究课题。

海洋能是海洋中蕴藏的可再生自然能源的总称,它包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能和盐差能等。

波浪能作为海洋能的一种,是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。

它是海洋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得较多的能源之一。

2 波浪能发电应用技术简介
波浪能发电作为波浪能利用的主要方式之一,人类
对其的研究已有一百多年的历史,当二十世纪五十年代世界第一台波浪能发电机组诞生后,许多专家学者都致力于波浪能发电技术的深入研究。

波浪能发电可以为边远海岛和海上设施等提供清洁可再生能源，相对于其他的能源利用形式有着独特的优势。

其研究应用已趋于成熟,正在进入或接近于商业化发展阶段,向大规模和独立稳定发电方向发展。

波浪能发电系统绝大部分可看作是一个核心是三级能量转换装置的系统，如图1所示。

一般说来，一级能量转换装置直接与波浪相互作用，将波浪能转换成装置的动能、或水的位能或中间介质如液压油等的压力能等；二级能量转换装置将一级能量转换所得到的能量转换成旋转机械的动能，如水力透平、空气透平及液压马达等；三级能量转换将旋转机械的动能通过发电机转换成电能。

由此三级能量转换装置完成了从波浪能到电能的转换，实现了波浪能发电。

经过多年的研究,波浪能发电技术已逐步接近工程应用水平,研究的重点也集中于三种被认为最具有商
21业化价值的装置:振荡水柱式波浪能装置、摆式波浪能
装置以及聚波储能式波浪能装置。

前两种的原理是分
别利用海面波浪的上下运动及利用波浪装置随波摆动
或转动,产生空气流或水流使涡轮机转动实现波浪能发
电；聚波储能式波浪能装置的原理则是将低压大波浪
变成小体积高压水,引入高位水池积蓄后形成水头冲击
水轮机实现波浪能发电[1]。

3 摆式波浪能发电装置原理
摆式波浪能发电装置是三大商业应用波浪能发电
装置之一，其主体是随着波浪摆动的摆体，摆体是摆
式装置的一级能量转换机构。

如图2所示，在波浪的作
用下，摆体作左右摆动,将波浪能转换成摆体的动能。

与摆体相联的通常是一套液压装置，它将摆体的动能
转换成液压装置的动能，再带动发电机发电。

摆体的
运动很适合波浪大推力和低频的特性，因此摆式装置
的转换效率较高,但机械和液压机构的维护较为困难。

摆式装置的另一优点是可以方便地与相位控制技术相
结合，相位控制技术可以使波浪能装置吸收迎波宽度
以外的波浪能，从而大大提高装置的效率[2]。

图2 摆式波浪能发电摆体摆动示意图
4 摆式波浪能发电技术研究进展
4.1 国外研究进展
摆式波浪能发电技术最早是由日本室兰工业大学
渡部富治教授提出，此后室兰工业大学对此进行了进
一步深入研究。

室兰工业大学研究的摆式波浪能发电
装置的原理是利用装置的运动部件，在波浪的推动
下，将波浪能转换成机械能，从而进一步转换为电
能。

这种装置属于固定式波浪能转换装置，结构如图3
所示，主要由水室摆板装置、机电转换装置、发配电
装置三大部分组成。

水室摆板装置是实现波能转换为
机械能过程，机电转换装置是将机械能转换为电能过
程，发配电装置是电力输送过程。

其中水室摆板机构
是关键技术所在，水动力实验研究与能量转换效率的
提高是课题研究的重点。

图3 摆式波浪发电装置示意图
基于室兰工业大学的研究成果，日本于1983年在北
海道的内浦湾建造了一座装机容量为5 kW的推摆式波
浪发电站。

该电站通过一个能在水槽中前后摇摆的摆板
从波浪中吸取能量，然后通过一台单向作用的液压泵将
能量转换出去，用来驱动发电机发电。

摆板的运行很适
合波浪低频特性，其阻尼是液压装置。

该试验电站的摆
宽为2 m，最大摆角为±30 o。

波高1.5 m，周期4 s时的
正常输出约为5 kW，总效率可达到40%～50%，是日本
电站中效率较高的一座。

该电站运行二十个月后，在
一次暴风雨中被毁。

在此基础上，日本于1987年在烧尻
岛的西浦港建造了一座20 kW的推摆式波浪电站，用来
向渔民公寓提供热水，但是该装置在建成三个月后又被
毁。

现在日本室兰工业大学准备在一个100 m长的防波堤
上建造一座300～600 kW摆式波能装置，如图4所示[2]。

图4 日本300～600 kW摆式波能装置效果图
4.2 国内研究进展
我国于上世纪八十年代开始进行摆式波浪能发电
图1 波浪能发电三级能量转换装置原理图
技术的研究工作，现在已经取得了许多成果。

国家海洋局海洋技术研究所在充分吸收了室兰工业大学的研究成果的基础上，进一步地深入研究，设计了一套能够在我国海况应用的摆式波浪能发电装置，原理如图5所示。

液压缸与液路系统、储能器、压力控制阀、液压马达以及油箱等构成一套闭式液压系统，摆体随着波浪的运动通过这套闭式液压系统转换带动发电机发电。

图5 海洋技术研究所研制的摆式波浪能发电装置原理图
海洋技术研究所对波浪能液压转换装置进行了试验研究。

通过在天津大学波浪水槽中进行模型试验，对装置的物理形式进行了探讨。

研究所在装置中将两个液压马达串装在同一轴心线上，每一个液压马达进油口装有蓄能器的波浪能液压转换装置，克服了由于波浪能周期变化所造成的功率输出的脉动性，从而具有实际使用价值，可以作为波浪能驱动装置或直接带动发电机发电。

试验研究得出了几个重要结论：波浪能液压转换装置输出功率随入射波能的增加而增加，且呈较陡的线性关系。

波浪能液压转换装置液压马达输出功率转换效率达56%以上，发电机输出功率转换效率达到45%以上。

活塞式的蓄能器能有效地克服由于波浪能周期变化所造成的输出功率的脉动性[3]。

在试验研究取得的结论基础上，研究所进一步探讨了波浪能电站在设计工况下，如何设计关键参数以使装置波浪能转换效率达到最优。

以摆板宽为固定值作为前提假设,这几个重要参数为:摆臂长、摆腹长、摆轴距水面高度、摆轴到水室后墙的距离。

研究所通过有限差分方法分析摆式波浪能电站中的摆板工作原理，建立摆板运动方程的有限差分形式，提出了关于摆式波浪能电站关键参数的一种设计方法[[4]]。

此外，研究所通过模糊方法对模型试验的数据进行分析,提出并解决了摆式波浪电站中设计因素的优先级问题。

给出了摆式波浪电站各主要设计因素的隶属度;提出了摆式波力电站的模糊评价方程，给出了模糊综合评价的两种途径。

研究所还对摆式波浪能电站的吸能机制以及吸能原理进行了深入研究和探讨,从力和作功的角度探讨了吸能的实质。

通过比较几种摆板运动方程形式之间的联系和区别，探索出影响波浪能转换效率的因子，并通过优化设计参数提高了摆式波浪能装置的能量转换效率。

在此基础上，海洋技术研究所承担了国家“九五”科技攻关项目：30 kW摆式波力电站的研制与建设。

该摆式波力电站建于山东省即墨市大管岛，于1999年6月开始实施海况试验，电站所发的电能首先对蓄电池充电，然后再供给用户使用，在入射波高为1～6 m时电站出电约为1～30 kW。

这是我国建成的第一个摆式波力电站。

该电站按照抵抗20年一遇台风的标准建造，目前运行状况良好。

5 总结与展望
海洋波浪能发电技术作为一种可再生的新能源技术，具有较好的应用前景。

摆式波浪能发电技术是三大波浪能发电技术工程研究应用方向的其中一种，越来越得到世界各国的广泛关注。

重点的研究课题和关键技术集中在摆体的能量吸收效率以及液压系统的能量转换效率上，目前，已经有日本以及我国等取得了一定的研究进展并开展了实际的工程应用。

展望未来，相信随着人们对新能源，特别是对海洋波浪能的关注的提升，摆式波浪能发电技术的研究应用将迎来更为广阔的明天。

参考文献
[1] 余志.海洋波浪能发电技术进展[J]. 海洋工程,1993,11(1):86-93.
[2] 王彦龙.波浪发电装置波能转换效率数值模拟研究[D] 天津大学学位论 文, 2007
[3] 袁渭贤.波力液压转换装置试验研究[J]. 海洋工程,1990,8(4):88-93.
[4] 李继刚.摆式波力电站中几个重要参数的设计[J]. 海洋技术,1998,17 (01): 58-62.
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