波浪能发电

波浪能发电简介及前景
摘要：国内外波浪能发电技术的发展，其基本原理和特征被详尽讨论过，主要发电设备被介绍过，波浪能利用的趋势和前景是可观的。

Abstract：The development of the ocean wave power generation technology home and abroad ，its basic principles and characteristics are comprehensively discussed ，the main generating devices are introduced，and the trends and prospects of wave energy utilization are also described ．
关键词：波浪能发电；机械式；气动式；液压式
波浪能发电（wave power generation）是以波浪的能量为动力生产电能。

海洋波浪蕴藏着巨大的能量，正弦波浪每米波峰宽度的功率P≈HT kW/m。

式中，H为波高， T为波周期。

通过某种装置可将波浪的能量转换为机械的、气压的或液压的能量，然后通过传动机构、气轮机、水轮机或油压马达驱动发电机发电。

全球有经济价值的波浪能开采量估计为1～10亿kW。

中国波浪能的理论储量为7000万kW左右波涛起伏的大海，一刻也不停息地在运动。

在１平方千米的海面上，波浪运动每秒钟就有２０万千瓦的能量。

因此，波浪能也是一种海洋能源。

着世界经济的发展,人口的激增和社会的进步,人类对能源的需求日益增长。

而占地球表面积 70％的海洋，集中了97％的水量，蕴藏着大量的能源，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小且以机械能形式存在，是品位最高的海洋能。

利用波浪能发电可为边远海岛和海上设施等提供清洁能源，还可利用波浪能提供的动力进行海水淡化，从深海提取低温海水进行空调制冷以及制氢等。

1 波浪能有以下优点：
○1.波浪能以机械能形式出现，是海洋之中品位最高的能量；
○2波浪能的能流密度大，在大西洋东岸，太平洋纬度较高地区，可以达到30-
70KW/m,某些地方可以达到1000KW/m；
○3波浪能是海洋中分布最广的可再生能源。

1799年，法国的吉拉德父子，获得了利用波浪能的首项专利。

1910年，法国的波契克斯-普莱西克，建造了一套气动式波浪能发电装置，供应他自己住宅1 kW的电力。

1965年，日本的益田善雄发明了导航灯浮标用气轮机波浪能发电装置，获得推广，成为首次商品化的波浪能发电装置。

受1973年石油危机的刺激，从20世纪70年代中期起，英国、日本、挪威等波浪能资源丰富的国家，把波浪能发电作为解决未来能源的重要一环，大力研究开发。

在英国，索尔特发明了点头鸭装置，科克里尔发明了波面筏装置，国家工程试验室发明了振荡水柱装置，考文垂理工学院发明了海蚌装置。

1978年，日本建造了一艘长80
m、宽12 m、高5.5 m称为“海明号”的波浪能发电船。

该船有22个底部敞开的气室，每两个气室可装设一台额定功率为125 kW的气轮机发电机组。

1978～1986年，日本、美国、英国、加拿大、爱尔兰五国合作，先后三次在日本海由良海域对“海明号”进行了波浪能发电史上最大规模的实海原型试验。

但因发电成本高，未获商业实用。

1985年，英国、中国各自研制成功采用对称翼气轮机的新一代导航灯浮标用的波浪能发电装置，挪威在卑尔根附近的奥依加登岛建成了一座装机容量为250 kW的收缩斜坡聚焦波道式波浪能发电站和一座装机容量为500 kW的振荡水柱气动式波浪能发电站，标志着波浪能发电站实用化的开始
目前研究的波能利用技术大都源于以下几种基本原理: 利用物体在波浪作用下的升沉和摇摆运动将波浪能转换为机械能、利用波浪的爬升将波浪能转换成水的势能等。

绝大多数波浪能转换系统由三级能量转换机构组成。

其中, 一级能量转换机构( 波能俘获装置)将波浪能转换成某个载体的机械能; 二级能量转换机构将一级能量转换所得到的能量转换成旋转机械(如水力透平、空气透平、液压电动机、齿轮增速机构等) 的机械能; 三级能量转换通过发电机将旋转机械的机械能转换成电能。

有些采用某种特殊发电机的波浪能转换系统, 可以实现波能俘获装置对发电机的直接驱动, 这些系统没有二级能源转换环节。

根据一级能源转换系统的转换原理, 可以将目前世界上的波能利用技术大致划分为: 振荡水柱(oscillation water column, OWC) 技术、摆式技术、筏式技术、收缩波道技术、点吸收(振荡浮子) 技术、鸭式技术、波流转子技术、虎鲸技术、整流技术、波浪旋流技术等。

2波浪能发电分类
波浪能发电方式数以千计，按能量中间转换环节主要分为机械式、气动式和液压式三大类。

2.1机械式
通过某种传动机构实现波浪能从往复运动到单向旋转运动的传递来驱动发电机发电的方式。

采用齿条、齿轮和棘轮机构的机械式装置。

随着波浪的起伏，齿条跟浮子一起升降，驱动与之啮合的左右两只齿轮作往复旋转。

齿轮各自以棘轮机构与轴相连。

齿条上升，左齿轮驱动其轴逆时针旋转，右齿轮则顺时针空转。

通过后面一级齿轮的传动，驱动发电机顺时针旋转发电。

机械式装置多是早期的设计，往往结构笨重，可靠性差，未获实用。

(如图1)
图1 机械式图2 气动式
2.2气动式
通过气室、气袋等泵气装置将波浪能转换成空气能，再由气轮机驱动发电机发电的方式波浪运动的表面性和较长的中心管的阻隔，管内水面可看作静止不动的水面。

内水面和气轮机之间是气室。

当浮体带中心管随波浪上升时，气室容积增大，经阀门吸入空气。

当浮体带中心管随波浪下降时，气室容积减小，受压空气将阀门关闭经气轮机排出，驱动冲动式气轮发电机组发电。

这是单作用的装置，只在排气过程有气流功率输出。

气动式装置使缓慢的波浪运动转换为气轮机的高速旋转运动，机组缩小，且主要部件不和海水接触，提高了可靠性。

气动式装置在日本益田善雄发明的导航灯浮标用波浪能发电装置上获得成功的应用。

1976年，英国的威尔斯发明了能在正反向交变气流作用下单向旋转做功的对称翼气轮机，省去了整流阀门系统，使气动式装置大为简化。

（如图2）
2.3液压式
通过某种泵液装置将波浪能转换为液体(油或海水)的压能或位能，再由油压马达或水轮机驱动发电机发电的方式。

波浪运动产生的流体动压力和静压力使靠近鸭嘴的浮动前体升沉并绕相对固定的回转轴往复旋转，驱动油压泵工作，将波浪能转换为油的压能，经油压系统输送，再驱动油压发电机组发电。

点头鸭装置有较高的波浪能转换效率，但结构复杂，海上工作安全性差，未获实用。

波浪进入宽度逐渐变窄、底部逐渐抬高的收缩波道后，波高增大，海水翻过导波壁进入海水库，波浪能转换为海水位能，然后用低水头水轮发电机组发电。

聚焦波道装置已在挪威奥依加登岛250 kW波浪能发电站成功的应用。

这种装置有海水库储能，可实现较稳定和便于调控的电能输出，是迄今最成功的波浪能发电装置之一。

但对地形条件依赖性强，应用受到局限。

（如图3）
图3 液压式
利用波浪能发电有多种形式，有的利用波的上下波动，有的利用波的横向运动，有的利用由波产生的水中压力变化等等。

１９６４年，日本最先制成了使用海浪发电的航标灯。

１９７４年，日本海洋科学技术中心研制出“海明”号波浪发电船，每小时能发电１２５０千瓦。

“海明”号波力发电船有４个浮力室和２２个空气室，各自的空气室从底部进入的波可以上下运动，波的上下往复运动使４个阀工作，由于流入的空气方向是单向，所以可以得到连续的输出功率。

挪威于１９８５年在卑尔根附近的海岛建立起了一座装机容量为５００千瓦的振荡水柱波力电站和一座装机容量为３５０千瓦的楔型波道电站。

英国于１９９１年在苏格兰的艾莱岛建成一座波浪能发电站，使用一台韦尔斯气动涡轮机把一个狭窄岩谷的波浪能变成电能，这是目前世界上最先进的波浪发电装置。

波浪能技术目前还处于发散状态，存在各种技术的不同发展方向，但发展趋势是不断地向高效率、高可靠性，低造价方向发展，以形成低成本的成熟技术，最后通过规模化生产和应用，可大幅降低发电成本。

波浪能能流密度高、储量巨大且分布广泛，是未来海洋能利用发展的主要方向，在海洋开发和海防方面将起到关键作用。

通过开展波浪能转换过程的研究，进一步提高波浪能装置的转换效率以及可靠性，是波浪能利用技术发展的关键。

参考文献
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[2] 王传崑. 我国海洋能资源开发现状和战略目标及对策[M]. 动力工程, 1997.
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