世界海洋波浪能发电技术研究进展

文/李成魁、廖文俊,3、王宇鑫

1同济大学材料科学与工程学院 (200092）

2上海市金属功能材料开发应用重点实验室 (200092）

3上海电气集团股份有限公司 (200336）

一、引言

随着世界经济的发展、人口的激增、社会的进步，人们对能源的需求日益增长。占地球表面积70%的广阔海洋，集中了97%的水量，蕴藏着大量的能源，其中包括波浪能、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最小且以机械能的形式存在，是品位最高的海洋能。据估算，全世界波浪能的理论值约为109kW量级，是现在世界发电量的数百倍，有着广阔的商用前景，因而也是各国海洋能研究开发的重点。自20世纪70年代世界石油危机以来，各国不断投入大量资金人力开展波浪能开发利用的研究，并取得了较大的进展。日、英、美、澳等国家都研制出应用波浪发电的装置，并应用于波浪发电中。我国对波浪能的研究、利用起步较晚，目前我国东南沿海福建、广东等地区已在试验一些波浪发电装置。

二、波浪发电技术的进展

波浪发电是波浪能利用的主要方式，波浪能利用装置的种类繁多，关于波能转换装置的发明专利超过千项。这些装置主要基于以下几种基本机理，即利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动;利用波浪压力的变化;利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。经过20世纪70年代对多种波能装置进行的实验室研究和80年代进行的海况试验及应用示范研究，波浪发电技术己逐步接近实用化水平，研究的重点也集中于4种被认为是有商品化价值的装置，包括振荡水柱式装置、摆式装置、振荡浮子式波能转换装置和收缩波道式波能转换装置。

1.振荡水柱式波能转换装置

根据其系泊方式可分为漂浮式和固定式，漂浮式即一次转换装置由重物系泊漂浮于海上，而固定式（岸式）一般建在岸边迎浪侧，其在岸上施工较为方便，且并网与输电也更为简单。其主要原理是利用空气作为转换介质，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和动能，在喷嘴处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。其工作原理及汽轮叶片的结构如图1所示。目前以这种方式建造的波浪发电装置已比较完善，世界各国商业化的波浪发电站基本都是基于此原理,如用于为导航浮标供电，装机容量数十到数百kW的波浪能装置在英国、澳大利亚、挪威、葡萄牙和中国等地也已经成功地建成并投入使用。图2是位于澳大利亚的一个振荡水柱式波能转换装置的原型机。此外，这类装置采用空气传递能量，能够避免波浪对发电系统的直接打击。目前，振荡水柱式波能转换装置遇到的问题主要有两点，一是如何设计气室，尽可能提高装置内部的振荡水柱提供的压力；另一个就是怎样确定装置在海面上的放置区域。如果这两方面能够得到更好地解决，那么这种发电装置会得到更广泛的应用。

图1 振荡水柱式波能装换装置示意及汽轮叶片设计

图2 位于澳大利亚肯不拉港的振荡水柱式波能转换装置的原型机

2.摆式波能转换装置

摆式波能转换装置是利用装置的活动部件，在波浪的推动下，将其从波浪中吸收的能量转换成机械能或势能，这种波能转换装置最先是由日本的度部富治教授提出，其方式是波浪在水室中形成立波，在立波的驻点处，水质点作往复运动，表现在宏观上，即水团的往复运动，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，它将摆轴的动能转换成液力泵的动能，再由液压马达带动发电机发电，如图3所示。

图3 摆式波能转换装置

3.振荡浮子式波能转换装置

振荡浮子式波能转换装置是在振荡水柱式的基础上发展起来的波能转换装置，它用一个放在港中的浮子作为波浪能的吸收载体，然后将浮子吸收的能量通过一个放在岸上的机械或液压装置转换出去，用来驱动发电机发电，由浮子、连杆、液压传动机构、发电机和保护装置几部分组成，图4是瑞典乌普萨拉大学设计振荡浮子式波能转换装置以及由此装置设想的大规模海浪发电场。

4.收缩波道式波能转换装置

收缩波道式波能转换装置是基于波聚理论的一种波能转换装置。波聚理论最早由挪威特隆姆大学的Falnes和Budal提出。收缩波道式波能转换装置具有一个比海平面高的高位水库和一个渐收的波道。收缩波道其实就是两道钢筋混凝土做成的对数螺旋正交曲面，从海里一直延伸到高位水库里，两道墙在高位水库内相接。当海浪进入收缩波道时，由于收缩波道的波聚作用，使波浪的波高增大，从而使水越过钢筋混凝土墙进入高位水库，然后水库里的水通过一个低水头的水轮发电机组用来发电。挪威波能公司（Norwave A.S）于1986年建造了一座装机容量为350kW的收缩波道式波能电站。

图4 瑞典乌普萨拉大学设计振荡浮子式波能转换装置(右)以及由此装置设想的大规模海浪发电场(左)

5.其他波能转换装置

除了上述装置外，目前较为成功的波浪能装置还有Salter“点头鸭”式波能转换装置、筏式与液压系统的组合式、整流式波能转换装置等，但其基本原理是相同的。从以上讨论可以看出，振荡水柱式波能装置是在实际中较多采用的波能装置，它的优点在于装置在结构上具有较好的可靠性，但装置的转换效率较低，投资费用过高，因此，在一些波能密度高的国家，如欧洲、日本、北美得到广泛应用。但是，在一些波能密度较低的国家，如中国，如何降低成本、提高效率是波浪装置走向市场的关键，继续采用这种低效、高成本的装置就显得不太理想。

三、典型国家的波浪能开发

随着陆地矿物燃料日趋枯竭，环境污染日趋严重，环保、可持续发展等观念使世界上一些主要的海洋国家纷纷把目光转向海洋，其中对波浪发电的研究日趋深入。由于在地球纬度为40°～60°的西海岸区域主要盛行能量很大的西风，所以这一区域的海洋波浪具有高能量，其峰值大约有100kW/m。所以，位于这一区域的国家对海浪发电的研究一直处于世界的前沿，如北美的美国和加拿大、欧洲的大部分国家以及亚洲的日本等国。

1.日本

日本是个能源匮乏的岛国。但据测算,日本每1m宽海岸的波浪，却蕴藏着9kW的能量。自20世纪60年代以来，日本就投运12台波力发电设备，除了用于验证试验外，还有4台作商业运营至今。目前，这种电站在日本已建造1000多座。其中1996年9月投运的固定式防波堤型130kW波电设备是日本最大的波能转换设备，它的能量转换箱体长20m、宽24m、高24m，共2个，带有8个空气室，1个异步型空气透平发电机，与6kV电力系统并网。最近，日本又投运另一种被称为“巨鲸（Mighty Whale）”（见图5）的新式波电设备，即可动式浮体型，长50m、宽30m、高13m，像个大鲸鱼浮在水面上，其容量120kW。已于1998年7月投入商业运营。20世纪80年代，日本还在酒井港建造一座200MW 的波电站，经海底电缆送电。

图5 日本“巨鲸(Mighty Whale)”波电设备

2.英国

英国具有全世界最好的波浪能资源，尤其在苏格兰北部地区有着尤其多的波浪能资源，2001年英国科学技术委员会在一份报告中就指出，仅仅在英国的海域每年通过海浪发电装置可收集的海浪能资源及达50TWh。自20世纪70年代开始，英国就制定了能源多样化政策，鼓励发展包括海洋能在内的各种可再生能源，并把波浪发电的研究放在新能源研究的首位。而早在20世纪80年代初英国就已成为世界波浪能研究的中心。

英国分别于1990年和1994年，分别在苏格兰伊斯莱岛和奥斯普雷建成了75kW和20MW振荡水柱式和岸基固定式波浪电站。而2000年11月，英国在苏格兰Islay岛建成了具有500kW岸式波能装置LIMPET（Land-Installed-Marine-Powered Energy Transformer）的波浪发电站，站址处波能功率密度为25kW/m。而2004年的一台名为帕拉米斯的波浪发电机已在英国西南地区投入使用，其发电功率为750kW，供500户居民使用。由英国Checkmate海洋能源公司设计的“巨蟒”波浪发动机（见图6），宽度将达到7m，长200m，二十五分之一大小的原型机已于最近完成测试，并将于2014年左右投入使用，届时可满足1000个普通家庭用电需求。同时，英国计划在西南部地区建造1座占地面积约1km2、由40台波浪发电机组成的波浪发电站,并通过一条海底电缆为2万户居民提供电力。

图6 英国Checkmate海洋能源公司设计的“巨蟒”波浪发动机

3.挪威

挪威的波浪发电研究起始于20世纪70年代，虽然起步晚但是发展十分迅速。挪威主要对波浪发电装置的理论设计做出了较大贡献，提出了相位控制原理和喇叭口收缩波道式波能装置等。挪威当时在波浪发电理论研究和实验方面投入一亿克朗，并于1985年在Toftestallen岛建立了装机容量分别为500kW和350kW的振荡水柱式和聚波水库式波浪发电。而目前，挪威正与印度尼西亚合作，在Java岛兴建一座收缩波道电站。

4.葡萄牙

葡萄牙的海浪发电研究起步较晚，技术以引进为主。但葡萄牙有着发展波浪发电得天独厚的自然条件优势，政府和科研机构对海浪能资源也越来越重视。2008年1月葡萄牙政府就在葡萄牙西海岸的Sao Pedro de Moel（水深30～90m，总面积约为320km2）（图7所示）建立大型海洋实验区，进行远海海浪能开发，其装机容量达250MW。此外，葡萄牙还于2008年引进英国的海蛇发电机组(图8)，在此海洋实验区建立了世界上第一个商业规模的波浪发电站。

图7 葡萄牙西海岸的Sao Pedro de Moel实验区地理位置(a)和该水域的具体状况(b)

图8 世界上第一个商业规模的波浪发电站的海蛇式发电机组

5.其他国家

世界上波力发电设备开发最早的国家是法国(1990年)，但是发展较慢，已远远落后于英、日、挪威等大多国家。作为高能源消耗的发达国家，美国近年来也将目光投向波浪能资源的开发利用，政府和很多科研机构投入了大量资金用于波浪发电装置的研发。美国的西海岸的西北部处于全球高海浪能区域，而美国则于近日宣布将于2011年在加利福尼亚的洪堡湾运行五个商业化的波浪发电装置，单机发电可达1000kW。还有澳大利亚、荷兰、丹麦、以色列、加拿大、印度尼西亚等国家对波浪发电进行了一系列研究开发，但主要仍是停留在波浪发电装置、原理等方面，商业实际应用较少。

四、中国波浪能应用现状

随着中国社会、经济的不断发展，能源问题已成为一个重要问题出现在我们面前，寻求环保、可持续发展的新能源早已进入中国能源战略的议题。中国拥有着473万km2的海洋、1.8万km绵延的海岸线，可以说有着富饶的海洋能资源。据现有观测资料统计，全国沿岸波浪能资源平均理论功率大约为1000余万kW，其中台湾省沿岸最多，为429万kW，占全国总量的1/3；其次是浙江、广东、福建和山东等沿岸较多，在161万～205万kW间，合计为706万kW，占全国总量的55%；其他省市沿岸则较少，在14.4万～56.3万kW间。中国的波浪发电研究起始于20世纪70年代，1975年我国制成了1kW波电浮标，并在浙江省嵊山岛试验。自1985年起，我国研制了多种小型产品，其中有600多台作为航标灯用，并出口到日本等国。1989年中国在珠海市大万山岛建成第一座多振荡水柱型岸基式试验波浪电站，其装机容量为3kW，发电的平均“总功率”大都在10%～35%。广州能源研究所已将其改建成一座20kW的波力电站,并于1996年2月试发电成功,逐步完善后即向岛上提供补充电源。

“九五”期间，在科技部科技攻关计划支持下，广州能源研究所正在广东汕尾市遮浪研建100 kW波力电站，这是一座与电网并网运行的岸式振荡水柱型波能装置，波能转换效率较高，达到了设计要求。同时，由天津国家海洋局海洋技术所研建的100kW摆式波力电站，已在1999年9月在青岛即墨大官岛试运行成功。我国计划至2020年，在山东、海南、广东各建1座1000kW级的岸式波力电站。

五、波浪发电发展趋势和遇到的问题

1.远海波浪发电

虽然有很多很成熟的波浪发电装置都是岸基装置，但是不可否认，波浪能的开发正逐渐转向远离近岸的深海区域。目前，国内外一些科研机构已经将波浪发电设备的研制制定在远海区域环境条件下使用的基础上了，以后的商业化海洋波浪发电会基于这些发电装置。

远海区域比起近海岸基区域蕴藏着更多更丰富的波浪能资源，需要的设备也相对简单。远海区域的波浪发电装置的优点体现在以下几点。首先，远海区域的发电装置相对简单、成本低，可选取的区域广，适合建大规模波浪发电场。例如，如果要建一个50MW的波浪发电场，岸基发电场选址就很困难，而且成本很高，但是，如果是在远海区域，则只需将发电装置放在海上，而且可选取的区域也很广。其次，远海区域的发电装置单位发电效率较高，而且这些发电装置的装机容量一般也比岸基装置高很多，这一优点使其更适用于远距离输电以及一些岛屿的用电。由于上述优点，所以在2004至2008年间新的波浪发电开发当中，岸基发电装置的装机容量只占其中的8%，而远海区域的波浪发电装置的占58%（图9所示）。

但是，如果在远海区域进行波浪发电需要克服许多技术难点和恶劣的环境问题。最大的问题就是发电装置的维护问题，在这一点上，岸基的发电装置相对远海的发电装置就有着巨大优势。所以，如何研制出一种可靠性和可行性并存的装置是解决远海区域发电的关键技术。

2.研发基金问题

世界上波浪发电的主要研究国家仍集中在欧洲，欧洲很早即制定出将在2020年使新能源的利用率达到20%的目标，一些国家制定的目标更高，如爱尔兰的目标为40%。而要实现这些目标则需要各种新能源包括波浪发电技术的共同努力。据目前波浪发电技术的发展来看，未来五年，波浪发电装置将在商业化领域有进一步的突破，而这些发展需要大量的资金支持。资金支持和市场需求对于波浪发电技术的发展来说是非常重要的。目前，虽然有很多概念化的发电装置，但是只有少数有大量资金支持的装置才成功的商业化了。正是有在科技方面的投资才使波浪发电技术有着高回报的。例如，葡萄牙在连续12年中都对海浪发电项目减免相当于0.235/kWh欧元的关税支持，而这使葡萄牙的波浪发电技术及波浪发电的应用都处于世界领先的地位。

就目前而言，对波浪发电技术投入最大的国家是英国。据推测，英国在未来五年中波浪发电将会产生14.7MW的电能。在2004年～2008年期间，欧洲波浪发电技术总投资达7.22亿欧元，而英国则在此期间不间断地在波浪发电项目中投入了3.48亿欧元资金（图10）。葡萄牙、西班牙和丹麦这些国家则远远落后于英国，美国也具有很大潜在市场，但是国家投入的资金也相对较少。

图10 有关国家在2004年至2008年期间对海浪发电技术的资金投入比

3.由波浪发电装置引起的环境问题

波浪能具有非常可观的应用前景，能够减少人们对化石燃料的依赖性，但是，我们也要在关心波浪能开发利用的同时关注它对环境的影响。对于环境问题的考虑，欧洲各国早在2006年的欧洲海洋能合作企划书中就已提到，所以这也是我们将来要发展波浪发电必须关心的问题。小规模波浪发电装置可能不会引起太大的环境冲击，但是如果以后大规模的进行海浪发电，将会占用大面积的海面，而这必然会对海洋的生态系统产生冲击。如果在海面布置大量的发电装置，很可能对海洋生物造成危害，甚至会影响到海洋上正常商业航运。

波浪发电装置作为一种漂浮在海面上的装置，会大大减小海洋表层海水的流动，而这种作用会对许多港口大有好处，因为这样可能会大大减少波浪对海岸的冲击，从而减少波浪对岸边建筑的腐蚀，但这种作用的利弊还是大部分取决于海岸线的情况。但同时这种现象可能对海洋生物产生直接或间接的影响。例如这会直接影响海面上的浮游生物的分布，从而会影响到一些依靠浮游生物为食的鱼类，直接改变它们的产卵地和捕食地。也有不少波浪能支持者认为波浪发电装置会像海底人工暗礁一样给海洋生物提供新的生存场所。但是这种观点有很大的可怀疑性，因为对人工暗礁地的选择有很多的要求。在海洋环境较恶劣的地方修建暗礁会提高海洋生物的存活性，但是如果在一些本来就很有利于海洋生物生存的地方修建暗礁则会对海洋生物的生存产生负面影响。所以，对波浪发电场的地址选择也是非常重要的。

六、小结

对于可再生能源来说，高效转换技术是研究的难点，由于波浪的不稳定性导致其转换装置经常处于非设计工况，因此提高波能利用率,降低波能发电的成本始终是波能研究的目标。同时，多元化和综合利用是波能发展的另一新动向，结合防波堤、沿海牧场等设施建造波力电站，为波能利用开创新途径，并大大降低波浪发电的成本。国外近年来在这方面的研究较为活跃,应当引起了很大的重视。同时，在海浪发电所带来的生态环境方面的问题也要给予足够的重视。

随着经济的发展、化石燃料资源的日益紧张，各国对波浪发电技术的研究日益深入，欧洲各国和北美国家在这个领域的研究仍处于领先地位，我国在这个对于新能源竞争日益激烈的国际环境下的竞争地位还是不容乐观的。尽管现在和常规能源相比，波浪发电还有很大的距离，但是，从我国能源长期发展战略和技术储备的角度来看，加大和加快开海洋波浪能源的开发研究具有重要的现实和战略意义。