波浪能发电及其对电力系统的影响

第41卷第1期2013年1

月

Vol．41No．1

Jan．2013波浪能发电及其对电力系统的影响

聂宏展1，张明1，申洪2，张宏宇2

（1．东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012；2．中国电力科学研究院，北京100192）

摘要：阐述了波浪能理论，根据不同的分类方法对波浪能发电进行了分类，同时，在简单介绍波浪能发电原理的基础上，总结了目前波浪能发电面临的几个关键问题，并指出了波浪能发电对电力系统的影响趋势。

关键词：波浪能发电；电力系统；电能质量

作者简介：聂宏展（1962-），男，硕士，教授，研究方向为电力系统规划、继电保护。

中图分类号：TM612；P743．2文献标志码：A文章编号：1001-9529（2013）01-0190-06

Wave energy Generator and their Impact on Power System

NIE Hong-zhan1，ZHANG Ming1，SHEN Hong2，ZHANG Hong-yu2

（1．Electric Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin132012，China；

2．China Electric Power Research Institute，Haidian District，Beijing100192，China）

Abstract：Expounding the wave energy theory in brief．Summary of the wave energy generator classified according to different classifications，and gave a simple introduction to wave energy generator．The key issues facing points the current wave energy generator was summarized，and the trend of wave energy generator's impact on power system was indicated．

Key words：Wave Energy Generator；Power System；power quality

波浪能发电是波浪能开发利用的主要形式之一，由于目前波浪能发电尚处研发试验示范阶段，对其进行详细的研究并不现实，所以本文研究其对电力系统的影响时只做了定性的趋势性研究，可对未来波浪能发电的并网提供一定的理论基础。

波浪能发电是根据不同的波浪能捕获原则设计出相应的能够将波浪能转换成某个载体的机械能的波浪能捕获设备，再将得到的机械能通过一定的介质转换成电能的过程［1］。

本文在阐述波浪能理论的基础上，对波浪能的几种分类方法进行了详细讨论，分析了波浪能发电对电力系统影响的趋势，并分别从小型波浪能发电系统和大型波浪能发电系统两个角度对电力系统的影响进行了详细研究。

1波浪能理论

波浪运动和波浪吸收是随时间振荡的现象，对于规则波的研究，有必要考虑它的波浪谱，也就是在不同波长频率下波的能量（见图1）［2］，这一典型的波浪谱密度曲线是通过在某深海中一定的海洋数范围（波高、周期和方向）内测量得到的

。

图1典型的波浪频谱

目前，描述波浪通常采用线性波理论，该理论较成熟，图2所示为波浪能的一个周期，图中SWL代表海平面，对于波浪的功率密度可表示为［3］

P

wf

=

ρw gH2L

16T

w

［1+4πh/L

sinh（4πh/L）

］（1）

L=

gT2

w

2π

tanh（2πh/L）（2）

式中P wf———波浪能功率密度，W/m；

聂宏展，等波浪能发电及其对电力系统的影响

0191

图2海洋波浪能

ρ———海水密度；

g———重力加速度；

H———有效波高；

L———波长；

T

w

———波周期；

h———水深。

由式（1）可以看出，波浪能的功率与波高的平方、波的周期成正比。但工程实际中使用式（1）与式（2）较复杂。针对于此，美国电力科学研究院（electric power research institute，简称EPRI）给出了这一近似计算波浪能的公式［4］，在工程实际中得到了应用，即

P

wf =CH2T

w

（3）

式中C———经验系数，一般取0．42。

2波浪能发电系统的分类

与其他绝大多数能源发电相比，波浪能发电形式多种多样，无法对其进行统一分类。目前，主要的分类方法包括根据设备的安装位置进行分类、根据能量捕获方式进行分类、根据能量中间转换环节进行分类以及根据固定方式进行分类。2．1根据设备的安装位置进行分类

(1)沿岸式(Onshore)

通常指能量捕获或发电设备安置在浅水区的海底，装于类似防波堤上或固定在一个多岩石的礁石上。

(2)近岸式(Near shore)

通常指能量捕获或发电设备安装在水深约10 20m，离岸边几百m或几km处。中等水深适合安装体积较大的，有底座的设备。

(3)离岸式(Offshore)

通常指安装在深水区浮动或淹没停泊在海底的设备，这种形式是未来波浪能发电的一个发展方向。

2．2根据能量捕获方式进行分类

欧洲海洋中心按照能量捕获方式大致可将波浪能发电分为以下几种类型［5］：

(1)振荡水柱类(Oscillation Water Column，OWC)

OWC技术是迄今为止研究得最多的波浪能发电形式，OWC技术利用一个水下开口的气室吸收波浪能，波浪驱动气室内水柱往复运动，水柱驱动气室内的空气，进而由空气驱动叶轮得到旋转机械能，最后再由旋转的机械能转换为电能。OWC发电原理如图3所示［6］。

(2)漂浮类(Float)

漂浮类是指在海平面上装设可以相对运动的部件，捕获装置随着波浪运动相应起伏或运动。目前有两种方式，一种是先将波浪能捕获转换成液压能，再由液压马达驱动发电机发电，包括浮子式（Buoy）、筏式（attenuator）、摆式（Pendulum）、鸭式（Duck）等，对这几种形式的能量捕获原理见文献［7］，本文不再作详细介绍；另一种是波浪能直接驱动直线发电机发电，比较成熟的有阿基米德波浪式（Archimedes wave swing，AWS）和浮子式（Buoy-based type）两种［8］，图4直观地给出了两种形式的原理，图4中下部是固定在海底的永磁直线发电机（Linear Permanent Magnet Generator，LPMG），它的动子随波浪的运动上下起伏，从而与定子产生相对运动，进而产生电能。

(3)越浪类

指先将波浪能转换成水的势能，然后由水的势能进行发电（发电环节类似于水力发电），主要包括收缩波道式（Tapchan，也称聚波水库式）以及槽式（Sea Slot-cone Generator）等。收缩波道式原理如图5所示［7，9］。

(4)软囊类

是指先将波浪能转换成软囊中流体机械能，然后再将机械能转换成电能，主要包括蚌式（Clam）、水蟒、水母等，这类波浪能发电应用较少。

2．3根据能量中间转换环节进行分类

根据动能转换成电能的传递模式，目前波浪能发电方案大致可分为液压式（Hydraulics）、气压式（Pneumatics）、齿轮箱式（Gearbox）和直驱式