波浪能开发与利用研究进展

刘寅立　焦永芳

摘要：波浪能作为一种清洁可再生的能源越来越引起人们的关注，文章叙述了波浪能开发和利用的意义，目前在理论和实践方面的进展，以及对未来的展望。

关键词：波浪能；可再生能源；波浪力；聚波水库装置

中图分类号：TQ051文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）02-0019-02

一、概述

随着经济和社会的发展，人类对能源的需求量越来越大，由于目前作为主要能源的煤和石油均不具有可再生性，这直接导致了能源危机不断地出现，能源的短缺甚至成为社会发展的一个瓶颈，这些都在不断地提醒人们去寻找新的可再生的能源。以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在的海洋能源是地球上最大的能源，而且具有不需要燃料，不污染环境，可再生等其他能源所不具备的优点，这些能源取之不尽，用之不竭。利用海洋能发电既经济，又不占用土地，也不污染环境，具有极高利用价值，潜力巨大。其中的潮汐能已经被人们开发利用，但潮汐能受地域、时间等限制较大。波浪能在海洋中无处不在，无处不有，而且受时间限制相对较小，在很大程度上克服了潮汐能的这些缺点，同时波浪能的能流密度最大，可通过较小的装置提供可观的廉价能量，又可以为边远海域的国防、海洋开发等活动提供能量，因此，世界各海洋大国均十分重视波浪能的开发和利用的研究。

波浪能的开发和利用是一个涵盖多个学科的综合性问题，涉及到机械设计与制造，空气动力学，流体力学，物理学，数学模型，计算机模拟，海洋科学等各领域。

波浪能由风把能量传递给海洋而产生，通过摩擦和湍动而消散，深水海区大浪的能量消散速度要大于浅水海区。波浪能实质上是吸收了风能而形成的，能量传递速率与风速和风与水相互作用的距离直接相关，由于受各种气候条件的影响，加上风能本身具有很大的不确定性，因此波浪能是不稳定的一种能源。波浪能以海洋表面波浪所蕴含的动能与势能形式存在，水相对于海平面发生位移时，使波浪具有势能，而水质点的运动，则使波浪具有动能。在太平洋、大西洋东海岸的某些区域区域，波浪功率密度可达到30～70kW/m，部分地方甚至能够达到100kW/m，而中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为2～7kW/m。

二、海浪和波浪力的理论分析

研究波浪能的开发和利用，首先就是要研究海浪的运动规律，目前对海浪研究多采用动力学方法和统计学方法的结合。动力学方法就是利用流体力学方程研究理想的规则波动（正弦波动、余弦波动、斯托克斯波动等），把海水视为不可压缩的理想流体，以说明海洋中实际发生的一些比较规则的波动现象。利用Longuet-Higgins模型, Fourier-Stieltjes积分模型，Pierson模型等研究波面位移。利用正弦波的叠加，可以解释一部分海浪在传播过程中发生的变化。研究表明，当水域的深度大于半个波长（深水）时，波速几乎只决定于波长，水质点的轨迹为圆，半径随至水面的距离按指数律减小；水深小于半个波长时，波速同时决定于波长和深度，质点轨迹为椭圆，其长、短半轴随深度的增大而减小，但是两焦点间的距离不变；而当水深小于1/10波长时（浅水），波速几乎只决定于水深。正弦波中的水质点速度，远小于波速，波动的动能和势能相等，单位切面积的铅直水柱内的平均波动能量与振幅的平方成正比。波动能量沿波向传播，在深水中的传播速度等于 1/2波速，在浅水中可增大到等于波速。这种波动的特征和外形与规则而平缓的涌浪相近。而有限振幅波的波面在波峰附近较陡，在波谷附近较平缓，这和实际海浪更加接近，浅水区的海浪还具有某些其他理论所描绘的波动特征。因为海面的风速和风向，都随时随地不断地变化，因此导致海浪并具有随机性，故外观通常是杂乱无章的，其波高、波长和周期等物理量都可视为随机量。统计学方法就是建立在随机过程基础上的随机海浪理论，根据线性海浪理论，假定海浪为振幅、频率、波向和相位不同的许多正弦波叠加的结果，各组成波都具有独立的随机相位和振幅，将实际观测资料与波动理论结合起来，利用谱分析方法确定海浪内部组成结构的波谱特征，从而说明海浪的内外结构和统计特征。

俘获波浪能在理论上需要对作用在漂浮体上的波浪力进行计算，目前这方面的计算方法包括切片理论法、压力积分法、及能量动量守恒法，它们的计算都是基于数值计算的方法上进行的，其特点是计算工作量较大。解析的方法常用的是弗汝德一克雷洛夫假定法，就是假定入射波动场原来的波压强分布不因潜体的存在而改变。先计算出未受扰动的入射波压强对浮体的作用力，再利用反映附加质量效应的绕射系数进行修正，而绕射系数需要通过多次地试验给予确定。根据对海浪垂直波浪力的计算，目前选择浮子的理想几何形状包括长方体、垂直圆柱体、水平圆柱等。目前的海浪发电机是大多是利用海浪的上下垂直位移作为动力。

三、目前的实践

利用波浪能发电就是通过波浪的运动带动电动机发电，将以水的动能和势能形式存在的机械能转化为电能。通常波浪能要经过三级转换：第一级为受波体，用以吸收波浪能；第二级为中间转换装置，它优化第一级转换，产生出足够稳定的能量；第三级为发电装置，将稳定的能量转化成为电能。波浪能利用关键的波浪能转换装置一般包含两个部分：采集系统用来吸收波浪能；转换系统用来把吸收的波浪能转换为某种特定形式的机械能或电能，目前关于波浪能转换的各种专利已超过1500项。

通常采集系统的形式有振荡水柱式、振荡浮子式、摆式、鸭式、筏式、收缩坡道式、蚌式等，同时通过波浪绕射或折射的聚波技术，以及通过系统与波浪共振的惯性聚波技术等可以在一定程度上提高波浪能俘效率。能量转换系统有空气叶轮、低水头水轮机、液压系统、机械系统以及发电机等，通常通过可控叶片、变阻尼、整流、定压等方法提高转换效率，通过能量缓冲和调励磁等方法用来提高能量质量。

目前的振荡水柱波能装置都利用空气作为转换的介质，能量的采集通过气室完成，气室的下部开口在水下与海水连通，气室的上部开口（喷嘴）与大气连通。在波浪力的作用下，气室下部的水柱作强迫振动，压缩气室的空气往复通过喷嘴，将波浪能转换成空气的压力势能能和动能，在喷嘴安装一个空气透平并将透平转轴与发电机相连，可利用压缩气流驱动透平旋转并带动发电机发电。这种方式装机容量1kW以下的波能转换装置已经走向商业化，用于为导航浮标供电，装机容量数十到数百千瓦的波浪能装置在英国、挪威、葡萄牙和中国等国也已经成功地建成并投入使用。这类装置采用空气传递能量，避免波浪对发电系统的直接打击，但另一方面空气叶轮转换效率较低，因而发电不是很稳定。

摆式波能装置是在波浪的作用下，通过摆体作前后或上下摆动，将波浪能转换成摆轴的动能。与摆轴相连的通常是液压装置，它将摆的动能转换成液力泵的动能，再带动发电机发电。这种装置的转换效率较高，但维护较为困难。

聚波水库装置利用喇叭型的收缩波道，波浪在逐渐变窄的波道中，波高不断地被放大，直至波峰溢过边墙，将波浪能转换成势能贮存在贮水库中，可用水轮发电机组进行发电。这种装置的优点是一级转换没有活动部件，可靠性好，维护费用低，系统出力稳定，但对地形有要求相对苛刻。

除了上述装置外，目前较为成功的波浪能装置还有振荡浮子式、筏式与液压系统的组合。比如英国的Pelamis装置采用筏式和液压系统，采用了蓄能器，输出稳定，抗风浪冲击能力强，装机容量能够达到700kW，是目前世界上装机容量最大的波浪能装置，但为俘获波浪能效率不高。

通过振荡浮子将波浪能转换成驱动液压泵的往复（不稳定）机械能，再通过蓄能稳压系统将不稳定的液压能转换成稳定的液压能，通过液压马达驱动电机发电，整个转换效率为50%左右，高于振荡水柱式波能装置，建造成本和难度上也低于同等容量的振荡水柱波能系统。正是由于振荡浮子吸收波浪能的效率较高，制造相对简单，液压装置的能量转换效率较高，因此振荡浮子与液压系统的组合具有良好的发展前景。英国、美国、荷兰、瑞典、丹麦、中国均开展了振荡浮子式波浪能装置的研究。

四、前景展望

波浪能的开发利用将具有很广泛的应用价值，目前的海浪发电的装置可为海水养殖场，海上灯船，海上孤岛，海上气象浮标，石油平台等提供能源，还可以并入城市电网提供工业或民用的能源。波浪能开发利用的关键是在降低发电成本的同时，提高发电的稳定性，发展波浪能独立发电系统，使用户直接使用波浪能。广州能源研究所研制的波浪能独立发电系统第一次实海况试验已经获得成功，波浪能独立发电系统在抗冲击、稳定发电、小浪发电等方面均达到预期效果：发电功率6千瓦，发电稳定性优于柴油机发电系统，达到用户直接使用的水平。由于海洋的特殊性，目前世界上已有的利用海洋能发电的研究和实践，还有很多问题需要解决：能量分散不易集中，投资巨大，发电量都不大，总效率低。

波浪能是一种密度低、不稳定、无污染、可再生、储量大、分布广、利用难的能源。由于目前波浪能的利用地点大都局限在海岸附近，因此还容易受到海洋灾害性气候的侵袭。由于开发成本高，规模小，社会效益好但经济效益一般，投资回收期相对较长，这些都在一定程度上束缚了波浪能的大规模商业化开发利用和发展，但随着理论和实践方面的不断发展成熟，波浪能开发利用的前景将是十分广阔的。

参考文献

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[3]勾艳芬，叶家玮，李峰，王冬姣.振荡浮子式波浪能转换装置模型试验[J].太阳能学报，2008，（4）.

基金项目：天津科技大学自然科学基金项目20060225资助；天津科技大学自然科学基金项目20070207资助。

作者简介：刘寅立（1975- ），男，辽宁沈阳人，天津科技大学讲师。