国外波浪能发电装置的研究进展＊

高大晓，王方杰，史宏达，常宗瑜，赵 林

（中国海洋大学工程学院 青岛 266100）

国外波浪能发电装置的研究进展＊

高大晓，王方杰，史宏达，常宗瑜，赵 林

（中国海洋大学工程学院 青岛 266100）

海洋波浪能是一种清洁环保并且可再生的新型能源。在当今能源短缺的情况下，作为绿色能源的海洋波浪能受到了世界多国的重视。世界许多国家对波浪能发电技术已经研究多年，并取得很大的成果。本研究将重点介绍近年来国外在海洋波浪能发电技术方面的研究成果。

波浪能；新型发电装置；新能源

随着世界经济的持续发展，人类社会的不断进步，对能源的需求越来越大。历史悠久的石油、天然气等非再生资源日渐枯竭，而且由于这些能源的应用导致碳排放量过高所带来的温室效应以及生态环境破坏日渐严重。人们迫切需要寻找到一种新能源来减少这些化石燃料的使用，甚至用新能源来取代这些能源的使用。伴随着科技的发展，人们把目光投向资源和能源丰富的海洋。海洋能是一种取之不尽、用之不竭的环保性可再生能源，而且地球上海洋波浪蕴藏的电能可达5 000 GW［1－2］。

波浪能是海洋表面波浪所具有的动能和势能，是由风把能量传递给海洋而产生的，它实质上是吸收了风能而形成的。波浪能虽然是海洋能源中能量最不稳定的一种能源，但是波浪能具有能量密度高、分布面广等优点，即使在能源消耗较大的冬季，可以利用的波浪能也很大［3］。利用波浪能发电具有巨大的潜力，世界各国对其投入了广泛的关注，各式各样的波浪能发电装置也应运而生。

1 波浪能发电技术

1.1 波浪发电的基本构架

波浪能发电装置实际是一种能量转换设备，是将波浪的动能和势能最终转换成发电机电能的设备。波浪能发电装置的组成一般分为3部分：第一部分为波浪能的采集部分，是将波浪能通过系统转化为可以利用的机械能、水位能或介质的压能；第二部分是能量传递转换机构，将第一部分获得的能量转换为旋转机构的机械能；第三部分是发电装置，将旋转机构的机械能通过发电机转换为电能［4］。其中第二部分的转化效率是目前制约波浪能发电技术推广应用的关键。目前许多科学家正在研制只有二级能量转化的波浪发电装置，即绕过传统制约波浪发电的第二部分，如采用电磁技术等［5］。

1.2 波浪能发电装置的分类

根据国际上最新的分类方式，波浪能技术分为：振荡水柱技术、振荡浮子技术和越浪技术（图1）［6］。

图1 波浪能技术分类

其中振荡水柱技术利用波浪驱动气室内水柱往复运动，再通过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，进一步驱动发电装置，得到电能。这种技术可靠性较高，但效率低。振荡浮子技术利用波浪的运动推动装置的活动部分产生往复运动，驱动机械系统或油、水等中间介质的液压系统，再推动发电装置发电。越浪技术是利用水道将波浪引入高位水库形成水位差（水头），利用水头直接驱动水轮发电机组发电。

2 国外波浪能发电装置近年来的研究成果

2.1 浮筒式永磁直线波能发电装置

图2为浮筒式永磁直线波浪能发电装置示意图，这种发电装置是由美国俄勒冈州立大学波能研究团队开发的，其发电机理与直线电机运动机理相反，利用电磁感应原理来进行发电。在这种装置的内部，用来发电的线圈围绕在一个具有永久磁性的轴的周围，线圈与装置的外壳固定在一起。磁性轴的下端伸长与海底接触，起到固定装置的作用。在海浪的作用下，线圈随外壳相对于轴做上下运动，线圈因切割磁感线而产生电流。这种发电装置去掉了传统波能发电装置中间的转换环节，可以有效提高波浪能的转换效率。据估计每个发电装置可以产生250 k W的能量，并且可以根据需要方便地增加或减少装置的安装数量，以实现资源的优化配置。

图2 浮筒式永磁直线波浪能发电装置

如果用大约200个该装置建立一个发电厂就可以满足俄勒冈州波特兰市商务区的电力需求。这种发电装置具有巨大的商业潜力。

2.2 “牡蛎”波能发电装置

The Oyster是由Aquamarine波能公司研制的。The Oyster坐落在海床上，像牡蛎一样。The Oyster是一种浮力装置，也是推摆式波浪能发电装置。其主体是随着波浪摆动的摆体，工作的原理与其他摆式装置大同小异：在波浪的作用下，摆体作左右摆动，将波浪能转换成摆体的动能。通过与摆体相连的水压装置将摆体的动能转换成水压装置的压能，再带动发电机发电［7］。

图3为The Oyster的工作系统示意图，The Oyster的摆体安装在水下大约12 m深度的海床上，带有的铰链片状垂悬物的摆体在波浪的推动下，可来回活动驱动两个水压活塞，来产生高压流体，驱使涡轮机发电［8］。

图3 “牡蛎”工作系统

The Oyster的发电量是由装置型号和安置地点情况决定的，一组The Oyster波能发电装置最大电能输出值可达300～600 k W。目前Aquamarine已经完成首台大规模315 k W的Oyster波能发电装置的安置，并且于2009年开始向苏格兰国家电网供电，实现了商业运作，而且由于其发电机安置在岸上，方便技术人员的监控和维护。

2.3 “海蛇”波能发电装置［9］

“海蛇”（Pelamis）波能发电装置是由Pelamis波能公司研制的，其飘浮在水面上，就像一条海蛇一样。图4为Pelamis波能发电装置图，每条“海蛇”长180 m，宽4 m，能产生0.75 MW的电，足够约500个家庭1年的使用。每条海蛇由4节直径为3.5 m的圆柱形浮筒组成，每两个金属节段之间用铰链连接起来。每条金属“海蛇”的端部要垂直于海浪的方向，浮筒会像海蛇的身子一样随着波浪上下起伏，关节处的上下运动与侧向运动会推动圆筒内的液压活塞作往复运动，把液压油从发动机中间压过去，驱动发电机发电［10］。Pelamis波能发电装置的关节结构示意图如图5所示。

目前“海蛇”波能发电装置已经在葡萄牙北海海床上安装并投入使用，这些装置将会产生2.2 MW的电能，足够满足1 500个家庭的用电需求。

2.4 “水蟒”波能发电装置

图6“水蟒”波能发电装置示意图，这种发电装置是由英国科学家弗朗西斯·法利和罗德·雷尼共同发明的，其外形很像海洋生物水蟒。该装置长约182 m、宽约6 m，由橡胶制成。其工作原理是：将“水蟒”安装在距离海岸1.6～3.2 km远、36～91 m深的水下，并系在海床上，同时使“水蟒”的橡胶管道内充满海水。当有波浪经过时，弹性极强的橡胶管就会随之上下摆动，橡胶管内部就会产生一股水流脉冲。随着波浪幅度的加大，脉冲也会越来越强，并汇集在尾部的发电机中，推动发电机发电，然后通过海底电缆传输出去。

图6 “水蟒”波能发电装置

经过试验获得每条“水蟒”最多可以产生1 MW的电能，足以满足数百个家庭的日常用电需要。而且这种装置制作材料主要是橡胶，因此“水蟒”比其他波浪发电装置重量更轻、构造更简单、建造和维修成本更低。

2.5 浮标式波能发电装置

图7为Power Buoy装置图，该装置是由美国海洋动力技术公司研制，目的是为美国海军基地提供电力。该装置是一种大型的圆筒式钢质浮标，其有两个主要部分：一个直径1.5 m、高1.5 m的浮标以及一块高9 m的基座固定浮标。当波浪打来，浮标上下浮动，它会拖动基座中的液压装置的活塞一起运动，通过一个回转马达和发电机，将波浪能转化为电能并通过海底电缆把这些电输送到岸上的电网中。

图7 浮标式波能发电装置

该浮标可以妥善地抵御海浪，并且可以通过一台计算机，以10次/s的速率调整装置的运行阻力，大幅度地增加了工作效率，提高波能的转化效率。目前在夏威夷海岸的每组Power－Buoy装置都拥有0.04 MW的发电能力，即将在苏格兰安装的同种设备也许能够产生高达0.15 MW的电力。

2.6 多浮子振荡式波能发电装置

图8为Manchester Bobber系统装置示意图，Manchester Bobber是由曼彻斯特大学流体动力学教授Peter Stansby和他的团队研发的。其发电的机理是：一个半自主的半潜式漂浮装置，当其随波浪上下移动时，可通过一个滑轮来带动发电机进行发电［11］。用于商业运作的Manchester Bobber部署一系列的平台，每个平台由25～50浮体组成。每个浮体都可独立地进行发电，因此该装置的工作效率很高。据估计每个浮体单元可以产生500 k W左右的电力，那么一个平台就可以产生12 MW左右的电力。

图8 多浮子振荡式波能发电装置

2.7 双浮体杠杆式波能发电装置

图9为Rockn Roll wave energy device示意图，该装置是有两个浮体串联在一起构成的，放置在海平面上，需使用锚链系泊来阻止其到处飘移，并不需要与海床固定在一起。在每个浮标的一侧有一根轴和杆，两个浮体的杆用一根连杆连接在一起。当受波浪影响时，两个浮体的位置便不再平衡，受中间连杆的作用，浮体两侧的杆便出现了相对运动，同时带动轴做旋转运动。这样波浪能就被提取为轴旋转的机械能。在浮体内部有一个变流器同轴相连，将不同转向的旋转转换为同向，在经过内部的齿轮箱驱动发电机发电。这种装置优点是安置方便，适应近海和深海使用，不需要特别的安置基础，而且工作时不受波浪方向的影响，内部运动机械被密封在浮标内部，可以避免海水的腐蚀。

图9 双浮体杠杆式波能发电装置

2.8 活塞式波能发电装置

图10为The SEADOG Pump装置图。The SEADOG Pump是一种“点吸式”的波能转换装置。它是由浮力室、浮力块、活塞体、活塞阀、活塞缸、进气管和排气阀等构成的。在海浪的作用下，当浮力块在浮力室向下运动时，海水由进气管进入活塞缸中，当浮力块向上运动时，活塞缸中的水受到活塞的压力从排气阀中排出，推动发电机发电。

图10 活塞式波能发电装置

2.9 双浮标式直线波能转换装置

图11为OWEC Ocean Wave Energy Converter示意图，OWEC Ocean波能转换装置是由浮标和潜标构成的，浮标和潜标之间有一管连接。由于波浪的运动，引起了浮标的相对运动，带动连接管内的直线发电机进行发电。把许多这种波能转换装置连在一起，可以构建一个很大的能源网。

图11 双浮标式直线波能转换装置

2.10 文丘里管式水流涡轮机波能发电装置

图12为Spindrift Hydrokinetic Energy Device示意图。该装置利用在海洋表面存在浪高差异，而相对在深处的水却比较稳定这一情况来实现波能的转换。该装置也是一个点吸式系统，在海面的浮体内有一个交流发电机，在系统下方的深水部位安置一个涡轮机。涡轮机与交流发电机之间通过一根轴连接。为了提高效率，该装置在涡轮机处安装一个文氏管装置，当低速的水流通过装置的狭窄处，水流的速度会得到提高，推动涡轮机转动，进而带动交流发电机发电［12］。

图12 文丘里管式水流涡轮机波能发电装置

该装置的优点在于制造成本低，深海中也可以使用，安装的规模也可以不受限制，对海洋生物影响较小，维护的费用也很低。

2.11 活塞式水流涡轮机波能发电装置

图13为The IPS buoy示意图，The IPS buoy是由瑞典的Interproject Service公司研制开发的，该装置是一种点吸式的波能转换装置。典型的IPS OWEC Buoy装置是由一个直径6～8 m的浮标和一个长20 m的水下管组成的（图13）。其中在下部的管体内有活塞和能量转换系统，活塞与上部浮标相连。当浮标在海浪的作用下运动时，带动活塞一起运动，活塞的运动带动管内的介质一起运动，能量转化装置实现波浪能的转换［13］。该装置可以安装在深度50～100 m的水中。如果建立一个功率120 k W的IPS buoy发电装置，估计1年可以向外输出1 GW·h的电力。装置的型号要根据所处的海洋环境、水深、季节变化等因素来确定。装置的优点在于制造成本低，安装和维护简单，可以为远离海岸的岛屿供电，建造电厂的规模容易控制，而且在近海还可以起到削弱海浪的作用。

图13 活塞式水流涡轮机波能发电装置

2.12 垂直轴双浮体液压式波能转换装置

The Wavebob WEC device（图14）是一种点吸式的波能转换装置，该装置是由爱尔兰人设计的［14］。装置是由两个共轴的浮标组成，通过两个浮标沿轴向的相对运动，驱动一个油压系统来将波浪能转化成电能。其中内部的浮标（图中的Body 2）与同轴的潜体相连，潜体起到固定装置的作用，同时也可起到平衡海浪频率的作用。该装置的独特性在于可以通过远程调控上部浮体的稳定物来对装置进行控制。当风浪太猛烈时，可以调控上部浮体的浮力，使其只转化为设定波浪的能量。

图14 垂直轴双浮体液压式波能转换装置

3 波浪能发电技术的展望

海洋波浪能是一种无污染的、清洁的、可再生的新能源，波浪能能流密度高、储量巨大且分布广泛，是未来海洋能利用发展的主要方向，在海洋开发和海防方面将起到关键作用。

波浪能转换过程是海洋能转换中最复杂的过程，波浪能发电技术目前还处于发散状态，存在各种技术的不同发展方向，但发展趋势是不断地向高效率、高可靠性、低造价方向发展。要想早日实现波浪能发电的普及应用应该解决的问题有：①提高波浪能装置在各种波浪作用下的转换效率；②波浪能装置工作在波浪最大的地方，恶劣的海洋环境造成的腐蚀以及海洋生物附着又可能造成装置某些环节的失效，因此提高波浪能装置的可靠性是波浪能发电技术的难题之一；③应该加强国际间的技术合作，突破技术的局限性；④应加强新颖的发电设备及控制系统的研究。

［1］ 游亚戈.我国海洋能产业状况［J］.高科技与产业化，2008（7）：38－41.

［2］ 岳文艳，张友恒.波浪能发电装置的研究［J］.工业科技，2011，40（4）：41－43.

［3］ 刘美琴，郑源，赵振宙，等.波浪能利用的发展与前景［J］.海洋开发与管理，2010，27（3）：80－82.

［4］ 焦永芳，刘寅立.海浪发电的现状及前景展望［J］.中国高新技术企业，2010（12）：89－90.

［5］ 张振，肖阳，谌瑾.基于直线电机的波浪能发电系统综述［J］.船电技术，2010，30（6）：1－5.

［6］ 肖惠民，于波，蔡维由.世界海洋波浪能发电技术的发展现状与前景［J］.水电与新能源，2011（1）：67－69.

［7］ 张文喜，叶家玮.摆式波浪能发电技术研究［J］.广东造船，2011（1）：20－22.

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［9］ 欧洲专利号WO2010GB51934［P］.

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［11］欧洲专利号US20100771463［P］.

［12］欧洲专利号US20100777409［P］.

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国家自然科学基金项目（51175484）；山东省自然科学基金（ZR2012EEM027）；青岛市基础研究计划项目［12－1－4－1－（17）－jch］.