海浪发电技术报告draft_1_5

图 6：AWS 原型机
图 7：AWS 工作示意图
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图 8: 下一代的 AWS 原型机构想
图 9：Trident T5
（三）清华大学的研究
清华大学研究者在多年前就开始研究直驱直线海浪发电机的方案，提出的直驱型直线海浪发电 机为无刷形式，海浪的运动直接驱动电机里的线圈相对于永磁体产生位移，根据法拉第定理，线圈 产生感应电流进而发电。因为系统中唯一需要随海浪移动的部件是线圈或永磁体以及相连的浮标， 移动部件可以与其它固定部件没有电气上的连接，所以产生的维护成本被降到最低，具有很高的可 靠性。清华的研究者还对大学对电机参数、磁场及定位力矩进行了深入的分析，提出了优化的电机 设计方法。
图 1：海浪能与海水深度的关系
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（二）海浪发电机种类
海浪发电需要将海水波动的动能转化为电能，根据动能到电能传递模式，目前海浪发电方案大 致可以被归纳为四类，分别为液压涡轮机方式（ Hydraulics system） 、气压涡轮机方式 (Pneumatics system)、齿轮箱方式(Gearbox system)和直驱方式(Direct drive system)。如图 2 所示,这四类系统都需 经过一个媒介(Hydrodynamic interaction device)跟海水接触。由于海浪能的速度和频率比较低，一般 的海浪周期是从几秒到十几秒，如果利用传统电机发电，中间必须要有一个提速的过程及把海浪的 动能转换成可以驱动旋转式电机的形式。如图 2 所示，这一中间提速过程可以通过液压涡轮机系统， 气压涡轮机系统或齿轮箱系统来完成，再由这些系统来驱动传统的电机发电，分别对应着液压方式、 气压方式和齿轮箱方式的海浪发电。但加入这一中间环节，整体系统的成本及复杂性必会提高，并 带来了额外的能量损耗及维护工作量，在海面上进行发电机系统的维护是复杂、昂贵及相当危险的。 已被发表的海浪发电技术现时超过一千种，本文将从每一分类里举例一两套可行性较高、比较有前 途的发电机进行比较分析。其中齿轮箱系统由于成本、效率和维护方面的原因限制了其在海浪发电 中的应用，在海浪发电中的可行性较低，所以在这不做详解。
表 1：海浪能随周期及浪高的变化 由于海水跟海床的摩擦及与陆地的撞击，海浪越靠近岸边越小，离岸的海浪会有比较大的海浪 量。英国的科学家们估计了海浪能与海水深度的关系如图 1 所示：实线估计的数据是在英国的西南 沿岸；虚线估计的是英国西部赫布里底群岛沿岸的数据。可见离岸越远海水越深，潜在的平均海浪 能越大。
海浪
接触媒介
液压涡轮机 系统
气压涡轮机 系统
齿轮箱
传统电机
直驱式直线性 电机
电能
图 2： 海浪发电系统的分类
2.1）液压系统发电方式（Hydraulics system） （未完成）
在海浪发电领域应用液压系统比较成功的是英国的 Pelamis 海浪发电机，是世界上第一台离岸 测试并向电网输送电的海浪发电机，该系统于 2004 年在英国的海岸完成了单台机的测试，然后在 2008 年葡萄牙买了 3 台的机组并在当年的 9 月份在海上测试，然而不到 2 个月的时间就被拖回陆上 进行维护。液压系统另外一个潜在的危害是它的液体可能泄露而污染了海水。 一台 750 千瓦的原型机如图 3 所示有 150 米长及 3.5 米的直径。 如图 4 下方所示， 每一台 Pelamis 有 4 节漂浮的长筒，飘在海面上并被固定在海床里的绳子牵引着。如图 4 上方所示，每相邻的 2 节 长筒间有一个衔接的模块， 模块里包涵了液压系统 （Hydraulic motor and ram） 及传统电机 （Generator） 。 （未完成成本分析：建造，安装，运行发电及维护成本）
Air direction Wells turbine Incoming wave forces air out of OWC
Retreating wave sucks air back into OWC
(a)
(b)
图 5(a)：Islay LIMPET 工作原理
图 5(b)：LIMPET 500 原型机来自百度文库
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Power Conversion Module
图 3：Pelamis 原型机
图 4：Pelamis 工作示意图
2.2）气压系统发电方式（Pneumatics system） （未完成）
应用气压系统比较出名的是英国的 Islay LIMPET， 它从 2000 年就开始为苏格兰电力公司供电至 今，是世界上第一台商业的海浪发电机。这种系统一般是装在岸上或岸边，所以比较容易维护。如 图 5(a)所示，通过波浪来回的运动挤压圆筒里的空气产生气压差继而驱动气压涡轮机，气压涡轮机 再驱动传统电机发电。 在 2000 年安装的机组叫 LIMPET 500 如图 5(b)所示， 内置了两台发电机系统， 一共可以产生 500 千瓦的功率。这机组长期地向电网供电，已经证明了它的可靠性。然而这种系统 不被广泛应用的原因是：岸边的海浪能比较低；它的发电机效率比较低及噪声大，安装它的合适地 理位置有限及对陆地的影响比较大。 （未完成：建造，安装，运行发电及维护成本）
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（一）海浪能简介
海洋的波浪能和潮汐能是两种不同的可再生能源，但经常被人混为一谈。潮汐能是由月亮与地 球之间的引力产生的，一天就两个涨落潮的周期。海浪能首先是由太阳日照产生地区性的温差，由 温差产生气压差，继而形成风在海面上长时间、长距离地吹动而产生海浪。所以可以把海浪能认为 是太阳能或风能在某一种形式上的累积。风能转换为海水的势能及动能：势能跟水平面上海水的质 量有关;动能跟海水微粒的运动有关。总的来说越大的风在海面上吹的时间越长及吹得直线距离越 长，所产生的海浪能越大。每一米长的海浪线潜在的能量可以用以下的公式计算。
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（一）海浪能简介 .................................................................................................... 3 （二）海浪发电机种类 ............................................................................................. 4 2.1）液压系统发电方式（Hydraulics system）（未完成） ................................. 4 2.2）气压系统发电方式（Pneumatics system）（未完成） ................................ 5 2.3）直驱型直线海浪发电方式（Direct Drive Linear System） .......................... 6 （三）清华大学的研究 .......................................................................................... 7
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2.3）直驱型直线海浪发电方式（Direct Drive Linear System）
不同于前三类系统，直驱型系统一般采用直线发电机直接将海浪的上下运动转换为电能，现在 业界都致力于发展大功率的离岸海浪发电装置，维护周期及成本是衡量离岸海浪发电机是否可以市 场化的一个极为重要的因素，相对于前述三类系统，直接驱动型系统所需的离岸维护是最少的，所 以它被认为是现有的海浪发电系统中最具可行性的海上发电方式之一，具有很好的发展前景。因此 近 20 多年来得到了越来越多的研究： 上世纪 90 年代英国设计了一种新型的直驱型直线海浪发电机， 随后又有多款不同形式的直驱型直线海浪发电机被提出，比较有代表性的是 Archimedes Wave Swing (AWS)和英国 Trident 能源公司的 T5。 AWS 的第一次成功的测试是在 2004 年的 10 月份在葡萄牙海岸以北 5.4 公里的地方。图 6 显示 了被测试的原型机，它的额定功率是 690 千瓦。如图 7 所示，AWS 是沉在水面下大概 6 米的地方工 作并与海床相绑着。朝下与朝上的两个盖子中间充满了空气，下面的盖子是固定的，上面的盖子会 根据从它上面海浪的运动而做上下运动。当海浪的波峰经过时，上面的盖子向下运动并挤压空气。 当海浪的波谷经过时，气压推动上面的盖子向上运动。与下面的盖子连接着的是永磁铁，与上面的 盖子连接着的是发电机线圈。发电机线圈随着上面的盖子与永磁铁发生相对运动，根据法拉第定理 产生电力。动能直接被转换为电能中间并不需要经过其他形式的转换。AWS 所应用的直线性电机是 无刷式的，运动的器件只有线圈并且不跟永磁铁接触，所以故障发生率率极低。图 8 显示了正在设 计的下一代 AWS 机组。 另一间比较出名的海浪发电公司是英国的三叉能源公司（Trident Energy） 。三叉能源公司设计了 不同款式的直线性电机及采用了不同的平台来固定海浪发电机组。如图 9 所示，三叉能源公司的发 电机组是漂浮在海面上的，但发电原理和 AWS 一样都是以法拉第定理为基础。
海浪发电技术报告
出于环保和能源安全的考虑，清洁的可再生能源得到了越来越多的重视和应用。地球绝大 部分面积为海水覆盖，海洋中蕴藏着巨大的能量，如何向海洋索取能源是人类长期探索的重要 问题。海上风能、潮汐能、波浪能是海洋能的主要形式。相对于风能和潮汐能，基于波浪能的 海浪发电受地域限制少，是一种几乎无污染的绿色能源技术，对人类居住的陆地环境基本不产 生负面影响，具有很好的发展前景，为此联合国在 1992 年把海浪发电列在开发可再生海洋能的 首位。 研究表明全球海岸线附近比较容易转换的海浪能源保守估计可以为人类提供 25 亿千瓦的 电力, 可解决全球 10%的用电量。中国是一个海岸线很长的国家，近岸海浪能源资源非常丰富， 据统计测算，我国的黄海、东海、南海的年平均波高都超过 1 米，年平均波周期为 6 秒，由此 估算出我国沿海的总能量达 1.7 亿千瓦。目前我国海上风力发电已经如火如荼地开展，潮汐发 电也得到了较多应用，而海浪发电技术研究和应用相对落后，目前已经引起了决策层和业界的 高度重视。 人类探索海浪发电的方法已有上百年的历史，日本 1964 年首次研制成了世界上第一个海 浪发电供电的航标灯，上世纪 70 年代末，又研制了 100 千瓦至 150 千瓦的海浪发电船；1985 年，挪威在托夫特斯塔林建造了 500 千瓦的海浪电站，此后又在印尼和澳大利亚建设此类电站。 1992 年，英国建成了一座发电能力为 75 千瓦的海浪发电站，2003 年又建成了奥克尼海浪发电 试验场，并完成了最高功率达 2 兆瓦的海浪发电设备研究，由英国提供技术的葡萄牙北大西洋 2.25 兆瓦海浪发电站将于今年并入商业供电网，预计 5 年之后将发展为 5 个商业海浪发电站。 另外，芬兰、加拿大、丹麦和美国等国家也在海浪发电方面开展了大量研究工作。总体来说， 欧美发达国家和一些大型跨国能源巨头公司对海浪发电应用技术都具有浓厚的兴趣，英国海浪 发电技术在世界上处于较为领先的地位。但海浪发电研究目前在商用化方面的进程落后于风能 和潮汐能，主要原因在于各类海浪发电技术都存在这样或那样的缺陷，由此带来的成本、效率、 可靠性问题还没有完全解决，这些关键技术问题是目前学界和业界关注的焦点。 我国在海浪发电领域的研究起步较晚，但发展较迅速，微型海浪发电技术和小型岸式海浪 发电技术已开始得到应用。但在今后将逐渐占主流的大功率并网型海浪发电技术方面，与世界 先进水平具有很大的差距，如何借鉴外国先进的技术并加快发展海浪发电关键核心技术是我国 面临的重大现实问题。 国务院副总理李克强在 2011 年 1 月份的欧洲之行时专门参观了英国的海 浪发电机项目，并着重提出： “苏格兰在可再生能源、绿色能源领域处于世界领先地位，中方愿 学习、借鉴并引进苏格兰先进技术、设备和管理经验。 ” 本报告主要介绍了已有的海浪发电技术及具有代表性的海浪发电机种及清华大学的研究。 （未完成）
a g 2 2
(1.1)
其中： 是海水的密度；g 是重力常数；T 是海浪周期；H 是海浪高度及 a 是比例常数。可见海浪 能是随着海浪的周期及高度而变化的，表 1 显示了海浪能在某一特定地区的变化，周期为 5.5 秒及 浪高为 0.25 米的海浪潜在的海浪能是 129 千瓦/米。