海洋波浪能发电研究进展

韩冰峰，褚金奎，熊叶胜，姚斐

（1.大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连116023；2.辽宁省微纳米技术及系统重点实验室，辽宁大连116023）

传统能源面临日益枯竭、环境保护、安全供应等问题，可再生能源成为重要的替代能源。波浪能[1]作为一种清洁、无污染的可再生能源，分布广阔、能量巨大。英国碳信托投资公司[2]估算，英国实用离岸波浪能每年为55 TWh，占当前所需能源14%，欧洲潜在波浪能至少每年为280 TWh。美国电能研究所评估美国切实可行的波浪能为每年为255 TWh，占当前所需能源6%。

世界各海洋大国十分重视波浪能方面的研究，英国、瑞典、葡萄牙、美国、日本等国处于领先地位。英国波浪能研究部门包括爱丁堡大学、南安普顿大学等，欧洲海洋中心便坐落于苏格兰奥克尼群岛。瑞典乌谱萨尔大学在波浪能研究领域较为著名。葡萄牙主要研究机构包括高级技术研究所和国家能源技术研究所。美国俄勒冈大学和OPT公司在波能研究领域有一定知名度，美国国家海洋中心设立于俄勒冈大学。日本波浪能关于振荡水柱技术和后弯管技术著名，主要研究机构包括佐贺大学、筑波大学等。中国从事波浪能研究机构主要有中国科学院广州能源研究所等。

根据发电装置的拾能原理和转换原理，并参照欧洲海洋中心的分类[3]方法，把波能发电装置按波浪能一次转换、中间转换和二次转换进行了分类分析。波浪能一次转换主要收集波浪所具有的动能和势能。主要类型分为：振荡水柱型、漫反射型、水下压力差型、振荡摇摆型及衰减器型等。中间转换环节主要辅助[4]波浪能二次转换,主要分为机械式、液压式和气动式。二次转换主要将能量转换成电能，主要类型分为电磁感应发电机、直线发电机、磁流体发电机、压低发电机等。本文首先对国内外已有的发电装置一次转换、中间转换和二次转换部件进行了系统的分析，总结了几种主要波浪能发电装置的优缺点，并指出了波浪能发电的关键问题和发展方向，可为波浪能发电装置的研究、开发提供参照。

1 一次转换

波浪能一次转换主要指收集海洋表面波浪的动能和势能转换成其他形式的能量。

1.1 振荡水柱型（Oscillating Water Column）

振动水柱式波浪发电装置是目前研究和使用最多波浪能装置，基本原理是利用压缩空气推动汽轮发电机组发电。根据安装位置可分为离岸式、近岸式和靠岸式，主要装置[5-7]如表1所示。

振荡水柱型波能装置由于没有活动部件在水下，可靠性好。缺点是成本高、发电效率不足30%。

表1 振荡水柱波能装置Tab.1 Oscillating water column wave energy devices

1.2 漫反射型（Overtopping）

漫反射型波能装置主要是收集波浪势能，利用涡轮机转化成电能。丹麦设计出两种锥形槽漫反射装置[8]“SSG”，利用越浪效应将海水存储并驱动涡轮机发电。丹麦的“Wave Dragon”漫反射装置[9]，利用专门水道，将波浪势能存储到高位，利用低水头涡轮机转化成电能。瑞典研制出浮漂波能容器波能装置[10]，利用4个浮漂支撑蓄能容器，功率可达1.5 MW。

漫反射发电装置体积巨大、效率低，水下有活动部件，可靠性不高。

1.3 水下压差型（SubmergedPressureDifferential）

水下压差型波浪装置原理利用波浪的波峰和波谷对转换装置的压力差工作。荷兰研制的阿基米德（Archimedes Wave Swing）波能转换装置[11]，利用压力差产生相对运动，带动透平或直线发电机发电。美国波能公司研制出新型压力差波能转化装置[12]如图1所示，利用3个特殊形状水中浮漂，分别通过齿轮、齿条带动发电机发电。

水下压差型波浪装置优点：整体结构在水下，不会影响海上航运；能够避免极端天气对波能装置的损毁。缺点是密封性和防锈不易保证。

1.4 振荡摇摆型（Oscillating Wave Surge Converter）

图1 新型压力差波能能装置Fig.1 The novel Submerged Pressure Differential wave energy device

振荡摇摆型波能装置利用水粒子椭圆运动特性工作。英国碧绿海洋能源公司[13]设计出牡蛎波能转换装置，通过压缩水充当液压油，利用岸上液压马达带动发电机发电。芬兰设计出一种振荡摇摆型波能装置[14]，该装置利用柱塞泵吸收摆板动能，并将动能传递给封闭的液压马达、发电机结合的液压系统。

振荡摇摆型波能装置结构简单、效率较高。但只适用于浅海，液压油泄露能够造成污染。

1.5 衰减器型（Attenuator）

利用浮漂在波浪传播方向有效地将波浪运动吻合，利用某种约束获取能量。英国索尔特研制出理论效率90%的波能机构，该装置能够吸收波浪动能和势能。英国OPD公司研制出名为“pelamis”的波能装置，如图2所示，该装置[15]利用十字接头的结构连接各浮筒，能够吸收各浮筒横向和垂向相对运动的能量，单个圆筒产生0.75 MW电能。

图2 PelamisFig.2 Pelamis

衰减器型波能装置结构精巧、效率较高。缺点是结构有活动部件在水中，可靠性低；抵抗极端风浪能力差。

1.6 点吸收型（Point Absorber）

点吸收型波能转化装置，利用浮漂结构吸收波浪各个方向能量。美国的McCable设计一种海水泵[16]设计，并通过理论和实验进行研究。该装置利用悬臂浮漂和支撑相对位移收集波能，并利用阻尼板增加转换效率。美国OPT公司研制成功基于流体力学、电子、能源转换以及计算机控制系统组成的智能波能转换装置[17]，效率较高。

点吸收型波能装置结构简单，效率较高。缺点抵抗极端天气的能力差。

目前，波浪能一次转换效率较高的类型集中在衰减器类型和点吸收类型，较为成功的装置如OPD公司的“Pelamis”和OPT公司的点吸收波能装置。如何设计新的结构，能够同时收集波浪的动能和势能是提高一级转换效率的关键。

2 波浪能中间转换

波浪能二次转换通常需中间转换环节辅助。中间环节将机械能等能量进行处理，达到稳定、稳速和加速能量传输的作用。

2.1 机械转换

机械转换主要由齿轮等机构组成。K.Rhinefrank[18]等设计一种由2个浮漂和Spar平台组成的点吸收波能装置。它利用密封的驱动轴和齿轮机构，将波浪垂荡和摆荡能量传递给电磁感应发电机。Hadano K[19]等设计了平衡式点吸收波能装置，该装置利用转动离合器和增速转换机构进行能量传递。

机械转换是传统的波能转换方法，技术成熟；缺点是效率较低。

2.2 液压转换

1980年，McCabe[16]提出液压泵构想。该泵利用两翼浮筒在海平面上下摆动驱动液压泵，驱动液压马达带动电机获取电能。2005年，英国OPD公司和爱丁堡大学联合研制出“Pelamis”转换装置[15]，该装置利用十字连接结构和液压缸连接浮筒，浮筒相对转动能能够转换成液压能。2007年，浙江大学王峰等设计一套新型液压动力系统[20]，该系统利用海水对装满液压油的弹性容器压力变化驱动液压系统，在2 400 m深海中效率达63.8%。

液压能能够存贮，便于控制，适合波浪能换能装置能量转换。

2.3 气动转换

气动转换通常以空气为介质，将空气动能转换为涡轮机动能。涡轮机主要分为单向整流涡轮机和双向涡轮机，单向涡轮机效率较高，结构庞大。双向涡轮机常用的是威尔斯涡轮[21]，无需整流，效率高；缺点攻角过大，容易产生失速现象。

2.4 非接触转换技术

图3为俄勒冈大学非接触转换装置。非接触转换概念[22]由俄勒冈大学首先提出来的，利用永磁铁和铁非接触作用力，通过滚珠丝杠和滚珠螺母将直线运动转化为旋转运动，带动发电机产生电能。该装置尽可能少地利用机械或液压装置，密封良好，效率超过50%，峰值功率达50 W。

波浪能中间转换技术主要集中在液压转换技术和气动转换技术领域。波浪能中间转换环节效率的高低，对波浪能整体效率影响很大，因此设计便于控制、稳定和高效的中间转换结构是波浪能研究热点和难点。

图3 俄勒冈大学非接触转换装置Fig.3 The contact-less conversion device of Oregon State University

3 波浪能二次转换

波浪能二次转换类型主要分为：电磁感应发电机、直线发电机、磁流体发电机和压电发电技术。电磁感应发电机是传统发电结构。线性发电机技术广泛被使用于波浪能发电技术研究。磁流体发电技术、非接触转换技术、压电发电技术为最新出现二次转换技术。

3.1 直线发电机

直线发电机主要分5类：永磁同步发电机、电磁感应发电机、开关磁阻发电机、纵向磁通发电机和横向磁通发电机。Henk Polinder[23]研究表明：三相永磁同步发电机比感应发电机、开关磁阻发电机以及带气隙绕组永磁发电机效率更高，并提出了一种新式双侧横向磁通永磁发电机，非常适合AWS波能装置。英国的N.J.Baker and M.A.Mueller and Spooner[24]设计一种空心管型永磁同步发电机，运用有限元方法对发电机经行设计，通过实验验证了其性能。Wang J,JewellG.W and HoweD[25]设计了不同磁化方向的管直线永磁发电机，并进行详细的设计分析，为管式直线永磁发电机设计提供了参照。Irina A.Ivanova、Olov Gren and Hans Bernhoff[26]研制的“八角形”纵向磁通永磁直线发电机，发电效率超过87%。

直线发电机不依赖机械或液压转换装置，效率更高，缺点是必需专门设计，成本昂贵。

3.2 磁流体发电

磁流体发电机原理工作是霍尔效应，由于缺乏运动部件，未被广泛使用和研究。1979年，美国专利公开一种磁流体波浪发电装置[27]，利用海水流经磁流体通道切割磁力线原理制成。美国SARA公司于1991年在美国能源部资助下运用磁流体技术研制成功50～100 kW发电机，这是磁流体技术首次成功应用波浪大功率发电。中国科学院电工研究所于2007年成功研制磁力传动液态金属磁流体波浪能直接发电装置。该装置利用活塞带动液态金属在封闭流道内流动，经外磁场产生电动势。

3.3 压电波能技术

R.Murray and J.Rasteger[28]设计基于波浪能压电能量获取装置，如图4所示。该装置主要特点通过浮漂系统和压电系统将低频波浪振动转化压电系统高频振动。Seiki Chiba等[29]利用装有压电聚合物结构在波浪作用下发生变形获取电能。

图4 压电波能转换装置Fig.4 The piezoelectric conversion device harvested wave energy

压电发电技术具有结构简单、电压高的优点，可以为海洋无线传感网等微型海洋器件提供能量。但压电发电需要在高频激振下才能具有较高的发电效率，所以增频的转换机构设计是波浪能压电发电的关键问题。

当前，波浪能二次转换技术研究较多的永磁直线发电机技术。永磁直线发电机效率高，非常适合波浪能二次转换。但成本高，目前还不成熟。一些新的技术仅处于研究和探索阶段，暂时无法解决波浪能发电的效率与成本问题。

4 波浪能发电的关键问题及发展趋势

当前，波浪能研究与开发取得了一定进展，出现较为成功的波能装置有OPT公司的点吸收式波能装置和OPD公司的“Pelamis”等。但波能发电的商业应用仍面临很多问题，包括波能发电装置的成本、并网等问题无法得到解决。据有关专家计算，海洋波浪能的发电成本比常规热电高出10倍[30]，暂时难以商业应用。因波浪的随机性、不稳定特性，波浪能发电的输出电压在幅值、频率及相位均不稳定，并网时对电网会形成冲击。

波浪能发电总体效率比较低，提高波能发电装置一级转换和中间转换的效率成为解决问题的关键。一级转换效率较高的波能装置包括博尔特鸭、Pelamis等，这些装置的主要特点是能够吸收波浪多个方向的动能和势能，可见，提高波能发电装置一级转换效率的重要途径是尽可能吸收波浪各个方向的能量。波能发电装置中间转换效率较高的转换方式主要有机械转换和液压转换，中间转换机构需匹配波能发电装置的一级转换和二级转换机构，效率提高难度较大。当前，借助电子技术、传感器技术、先进控制技术等提高波浪能发电装置的效率已经成为热点。

波浪能发电的关键技术研究[4-5,30]包括相位控制技术、生存技术、稳定发电技术、波能装置施工技术、新原理的波能装置研发等。相位控制技术研究较多，该技术对于提高波浪能的效率有重要意义。中科院广州能源所首先在世界上解决了波浪能的稳定发电问题。从长远来看，稳定发电是大功率的波浪能发电装置并入国家电网的前提。海鹰一号波浪能发电装置在建设期间已被损毁，生存问题已经成为当前波浪能发电装置研究的最需迫切解决的问题。特别对于我国海域而言，极端台风天气较多，极易导致波浪能发电装置的破坏。

海水淡化及综合利用是波浪能发展的重要方向。海水淡化、波能供给对于解决边远海岛和临海干旱国家的能量供应有重要意义。当前，人类对淡水需求日益增加，海水淡化能够大大缓解人们淡水需求的压力。特别对于偏远岛屿而言，波能发电装置可实现电能供给和淡水供应，可促进岛屿的开发与利用。

利用海洋波浪能进行养殖、制氢等综合研究是利用海洋能新途径。海洋养殖是国家重要的经济活动，利用波浪能发电实现养殖海域海况监测、能量供给、养殖条件的改善具有重要意义。利用波浪能制氢能间接实现波浪能的储存，可为燃料电池等发电装置提供原料。

目前，我国已超越日本成为世界第二经济大国，对能源需求进一步增大。化石资源属不可再生资源，难以满足能源进一步需求，且化石资源大规模利用必加重环境污染，加速地球变暖。可见，人类对波浪能等可再生清洁能源的需求必然增强，从长远来看，波浪能的利用具有重大潜力，加大波浪能研究开发具有重要的意义。

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