波浪能发电技术研究

波浪能发电前景与国内外发电装置

目前，全球能源需求持续增加，传统能源曰益枯竭，同时大量化石能源的使用又引发了严重的环境污染和气侯问题，这些已成为全球普遍关注的焦点。据国际能源署预测，2040年全球能源需求增长37%，年平均需求增长1～2%，原油需求量将从2013年的9000万桶/日增加至2040年的10400万桶/日。21世纪30年代前期中国将超过美国成为全球最大的石油消费国。2040年与能源相关的二氧化碳排放量将增长1/5，与这一排放量相对应的是，全球平均气温将上升3.6℃。因化石能源使用而引发的气候异常现象和酸雨等环境问题也呈逐年增多之势。为有效地解决上述问题，大力开发可再生能源势在必行，也是人类社会实现可持续发展的必要条件。

1、波浪能发电的前景

可再生能源技术是实现全球能源低碳供应的关键要素。可再生能源，是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的能源，主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、海洋能等可再生能源的使用对环境无害或危害极小，资源分布一般比较广泛，适宜就地开发利用。与其他能源相比，电力对于减少全球能源结构中化石能源的份额发挥着更重要的作用。总体而言，到2040年，为应对电力需求的增加，以及替代现有的到2040年要退役的装机容量（约占现役装机容量的40%），需要新建7200吉瓦（GW）的装机容量。可再生能源占发电比重增加最多的是发达国家，达到37%，发展中国家可再生能源发电量增长两倍多，以中国、印度、拉丁美洲和非洲地区为代表。

为了解决能源问题，越来越多的国家把目光投向占地球表面积71%的海洋。海洋能一般是指存在于海水中的可再生能源，包括波浪能、潮汐能、海流能、温

差能、盐差能等。波浪能是海洋表层海水在风里的作用下波动所蕴藏的能量。全球海洋能理论可再生功率达76600GW。几种常见海洋能资源的储量见下表，波浪能的实际可开发量较高，为300GW。

各类海洋能的资源储量单位GW

能源种类理论储量技术可用储量实际可开发量潮汐能3000 100 30

波浪能3000 1000 300

海流能600 300 30

盐差能30000 3000 300

温差能40000 2000 100

根据《中国沿海农村海洋能资源区划》，我国沿岸波浪能资源平均理论总功率为12.84GW。其中台湾省沿岸的波浪能资源最丰富，为4.29GW，约占全国总量的1/3；其次是山东、浙江、福建和广东省沿岸，约为1.61～2.05GW，合计7.06GW，占全国总量的55%，其他省市沿岸则较少，仅在0.14～0.56GW 之间。全国沿岸波能功率密度分布浙江中部、台湾、福建海坛岛以北、渤海海峡和西沙地区沿岸最高，其次是浙江南部和北部、广东东部、福建海坛岛以南、山东半岛南部沿岸，渤海、黄海北部和北部湾沿岸最低。具体的渤海海峡(7.73kW/m)、台湾岛南北两端(6.21～6.36kW/m)、浙江中部(6.29kW/m)、福建海坛岛以北(5.32～5.51kW/m)和西沙地区沿岸(4.05kW/m)，这些地区年平均波高大于1m，平均周期多大于5m；其次是浙江南部和北部(2.76～2.82kW/m)、广东东部(3.62kW/m)、福建海坛岛以南(2.25～2.48kW/m )、山东半岛南部沿岸(2.23kW/m)。

2、国内外波浪能发电装置

据统计，全世界有近万座小型波浪能发电装置在运行，主要用于航标灯、浮标等。早在1799年法国人吉拉德父子就提出了波浪能装置专利。目前利用海洋波浪发电的方法大致有三种：一是利用海洋波浪的上下运动所产生的空气流，使气轮机转动，从而带动发电机发电；二是利用海洋波浪能装置运动（直线运动、转动）的机械能转化为电能；三是利用波浪能将水引入高位水池积蓄起来，形成一个水头，再来冲击水轮机发电。

2.1振荡水柱式波浪能发电装置

振荡水柱波浪能发电装置（Oscillating Water Column，OWC）利用一个与海水相通的气室，波浪作用下气室内的水柱往复运动，气室内空气容积发生变化，进而由空气驱动叶轮，带动发电机发电。优点是能量转换装置（气轮机等）不与海水接触，可靠性较高，缺点是效率较低。

振荡水柱波浪能发电装置包括固定式(Fixed-structure OWC)和漂浮式(Floating-structure OWC)。固定式振荡水柱波浪能发电装置通常被安装于海底或岩石基上，如下图所示。固定式振荡水柱装置由一个部分淹没于海底的混凝土或钢结构与自由水平面共同构成一个气室。波浪造成自由水平面的波动，从而使气室内的空气波动，空气流过涡轮机驱动发电机发电。

固定式振荡水柱波浪能装置原理图

该装置发电具有代表性的有：①英国LIMPET 500，1998年开始建设2000年8月建成，装机功率500kW；②葡萄牙于1996～1999年建设Pico，装机功率400kW；③印度于1991年建成Vizhinjam，装机功率150kW。

1940年，振荡水柱装置创始人Yoshio Masuda设计的世界上首台漂浮式振荡水柱装置Kaimei在日本海域进行实验。1987年，日本开始研发另一个漂浮式振荡水柱装置“巨鲸号”MightyWhale波浪能发电船，见下图。

“巨鲸号”MightyWhale波浪能发电船

2003年英国科克大学和Ocean Energy公司合作研发出OE Buoy漂浮式振荡水柱装置，2006～2009年进行1:4模型海试，装置可经受浪高8.2m极端海况，见下图。

OEBuoy波浪能装置

2005年开始瑞典研制350kW的OWEL，2011年开始进行海试，并开始研制了2MW级OWEL，见下图。

OWEL波浪能装置

到2001年中国开发了一系列振荡水柱(OWC)波能装置，装机容量分别为10W、60W、100W。现在，大约700台10W振荡水柱装置用于为导航浮标供电。

2.2越浪式波浪能发电装置

越浪式波浪能发电装置是利用水道将波浪升至高水位水库形成水位差，利用水位差产生的势能直接驱动水轮发电机发电。挪威波能公司(Norwave A.S)于1986年建造了一座装机容量为350kW的收缩波道式波浪能电站TapChan，见下图。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的逐渐变窄的楔形导槽。

TapChan波浪能电站示意图

此外，丹麦科学家Erik Friis-Madsen在20世纪80年代发明了漂浮式波浪能发电装置WaveDragon，西班牙圣地亚哥联合大学将漂浮式波浪能发电装置与船相结合研发了WaveCat波浪能装置。

2.3运动式波浪能发电装置

运动式波浪能发电装置利用波浪的运动推动波浪能发电装置的活动部分产生往复运动（直线、转动），驱动机械系统或液压系统，最后驱动发电装置发电。

⑴振荡浮子式发电装置

振荡浮子式波浪能发电装置利用海洋波浪的运动推动浮子产生直线往复运