海洋波浪能利用技术及前景

海洋波浪能发电技术现状与前景1

游亚戈1,2，盛松伟1,2,3，吴必军1,2

（1.中国科学院广州能源研究所，广东广州510640；2.中国科学院研究生院可再生能源和天然气水合物重点实验室，广东广州 510640；3.中国科学院研究生院，北京 100049）

摘要：海洋波浪能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，具有资源分布广泛、能流密度大、技术环境友好等优点。利用海洋波浪能发电能够改善能源结构和环境，有利于海洋资源开发，受到许多国家的重视。本文主要对波浪能发电系统的技术原理、特点和技术现状做了综述，讨论了海洋波浪能利用的意义和前景。

关键词：波浪能发电；振荡水柱；摆式；浮子；鸭式；点吸收

海洋波浪能主要来源是太阳热能。由于太阳热能的不均匀分布，导致地球上空气流运动，形成风。风作用于海面，其压力以及对水面的摩擦力使海面出现凸凹不平，在引力和惯性作用下，形成波浪运动。在风的持续作用下，波浪逐渐生长，形成巨大的涌浪。因此，波浪的大小取决于风速、风的作用距离以及水面的大小。世界上最丰富的波浪能资源出现在南北纬30°-60°（西风带）的大洋东面，年平均能流密度可以达到20-100 kW/m。中国海位于大洋西侧，包围在由北到南的一系列岛链内，故中国的波浪能是由季风造成的，比西风带的波浪能在能流密度上小了一个量级，只有2-7 kW/m [1]。

海洋波浪能是清洁的可再生能源，开发和利用海洋波浪能对缓解能源危机和环境污染问题具有重要的意义，全世界各国政府，特别是海洋波浪能资源丰富的国家，大力鼓励海洋波浪能发电技术的发展。由于海洋波浪能能发电系统的运行环境恶劣，与其他可再生能源发电系统，如风电、光伏发电，相比发展相对滞后，甚至滞后于潮汐能和潮流能技术。但是随着相关技术的发展，以及各国科技工作者的努力，近年来，海洋波浪能发电技术取得了长足的进步，已有试验电站进入商业化运行。可以预见，不远的将来，随着海洋波浪能发电技术日益成熟，将会有越来越多的海洋波浪能发电系统接入电网运行。由于海洋波浪能蕴藏量巨大，必将成为能源供给的重要组成部分。

本文对各种海洋波浪能发电系统的主要技术原理、特点和技术发展现状做了综述和评价，最后指出海洋波浪能利用的意义和前景。

1 国外的波浪能发电技术

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、液压马达、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，这些系统没有二级转换环节。

根据一级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、摆式、筏式、收缩波道、点吸收（振荡浮子）、鸭式等技术。这里对这几种波浪发电技术进行介绍。

1.1 振荡水柱技术

振荡水柱（Oscillation Water Column，OWC）波能装置利用空气作为转换的介质。图1为振荡水柱波能转换系统的示意图。其一级能量转换机构为气室，其下部开口在水下与海水连通，上部也开口（喷嘴），与大气连通；在波浪力的作用下，气室下部的水柱在气室内作上下振荡，压缩气室的空气往复通过喷嘴，将波浪能转换成空气的压能和动能。二级能量转换机构为空气透平，安装在气室的喷嘴上，空气的压能和动能可驱动空气透平转动，再通过转轴驱动发电机发电。振荡水柱波能装置的优点是转动机构不与海水接触，防腐性能好，安全可靠，维护方便；其缺点是二级能量转换效率较低。

近年国外建成的振荡水柱式波能装置有：英国的LIMPET[2]（固定式500 kW，如图2所示）、葡萄牙400 kW固定式电站[3]、澳大利亚500kW离岸固定式装置[4]（如图3所示），正在研究的有英国的漂浮式装置SPERBUOY [5]。

1本文得到国家海洋能专项资金项目（GHME2010GC01）、（GHME2010ZC06）以及科技支撑项目（2008BAA15B01）支持

作者简介：游亚戈（1956-），男，研究员，主要从事波浪理论、聚波理论及波能转换的水动力学；非线性随机波浪运动、能量传递及收集；波能装

置的优化设计。E-mail：youyg@

图1 振荡水柱波能装置示意图图2 英国LIMPET电站图3 澳大利亚振荡水柱装置

1.2 摆式技术

摆式有两种技术：悬挂摆（Pendulum）[6]和浮力摆（Bottom Hinged）。摆板在波浪作用下前后摆动，驱动由液压缸、蓄能器、液压马达、发电组成的液压式能力装换装置，获取电力。悬挂摆铰接点在水面上，浮力摆铰接点在海底。摆式技术的优点是结构简单易于制造，缺点是在俘获波浪能同时造波，降低了效率。建成的摆式装置有日本的5 kW悬挂摆和400 kW海底铰接摆Oyster[7]（图4）。

1.3 筏式技术

图5为筏式技术示意图。筏式装置由铰接的筏体以及液压系统组成。筏式装置顺浪向布置，筏体随波运动，将波浪能转换为筏体运动的机械能（一级转换）；然后驱动液压泵，将机械能转换为液压能；后者驱动液压马达转动，转换为旋转机械能（二级转换）；再通过轴驱动电机发电，将旋转机械能转换为电能（三级转换）。筏式技术的优点是筏体之间仅有角位移，即使在大浪下，该位移也不至于过大，故抗浪性能较好；缺点是装置顺浪向布置，单位功率下材料的用量比垂直浪向布置的装置大，可能造成装置成本较高。

图4左：悬挂摆，右：400 kW浮力摆Oyster 图5筏式波能装置示意图采用筏式波浪能利用技术的有英国Cork大学和女王大学研究的McCabe波浪泵（如图6所示）波力装置和苏格兰的Ocean Power Delivery公司的Pelamis（海蛇）波能装置（如图7所示）。

McCabe波浪泵[8]由3个宽4 m的钢浮体铰接而成，其中间浮体较小，但其下有一块板，可以增加附加质量，使中间浮体运动幅度相对较小，以增大前后两端浮体相对中间浮体的角位移。该装置可以为制淡提供能量，也可用来发电。

海蛇装置[9]为改良的筏式装置。该装置不仅允许浮体纵摇，也允许艏摇，因而减小了斜浪对浮体及铰接结构的载荷。装置的能量采集系统为端部相铰接、直径3.5 m的浮筒，利用相邻浮筒的角位移驱动活塞，将波浪能转换成液压能。装置由三个模块组成，每个模块的装机容量为250 kW，总装机容量为750 kW，总长为150 m，放置在水深为50 m~60 m深的海面上。三条海蛇装置形成的波浪能发电场已经在葡萄牙北部开始商业运行。

图6 波浪泵图7 海蛇式波浪发电系统

1.4 收缩波道技术

收缩波道装置由收缩波道、高位水库、水轮机、发电机组成（如图8所示）。其喇叭型的收缩波道为