波浪能采集装置技术研究综述*

李居跃，何宏舟，2

（1.集美大学机械工程学院 厦门 361021；2.福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术研究中心 厦门 361021）

波浪能采集装置技术研究综述*

李居跃1，何宏舟1，2

（1.集美大学机械工程学院 厦门 361021；2.福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术研究中心 厦门 361021）

波浪能采集是波浪能发电利用技术的研究核心。文章评述了几种典型波浪能采集装置的技术原理及其优缺点，并介绍了当前关于提高波浪能采集系统效率的若干研究。

波浪能；采集装置；评述

1 引言

随着世界经济的发展、人口的激增、社会的进步，能源危机和环境污染成为当今社会最重要的两个发展问题，促进了海洋能的发展研究。海洋能指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能和盐差能等。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量级，是现在世界发电量的数百倍，有着广阔的商用前景。

人类很早就从事波浪能的开发，在20世纪60年代以前，波浪能利用的研究主要集中在波浪能采集装置的发明方面，有关波浪能技术的专利已超过1 000项［1］；经过20世纪70年代对多种波浪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，波浪发电技术已逐步接近实用化水平；20世纪90年代以来，随着波浪能转换装置技术的日趋成熟以及在实用化方面取得的进步，波浪能利用已朝着多元化和综合利用的方向发展。

2 典型波浪能采集装置

目前关于波浪能利用技术的研究大都源于以下几种基本原理：利用物体在波浪作用下的沉浮和摇摆运动，将波浪能转换为机械能；利用波浪的爬升将波浪能转换成水的势能等。绝大多数波浪能转换系统由三级能量转换机构组成 （图1）。其中，一级能量转换机构 （波浪能采集装置）将波浪能转换成某个载体的机械能；二级能量转换机构将一级能量转换所得到的能量转换成旋转机械 （如水力透平、空气透平、液压马达、齿轮增速机构等）的机械能；三级能量转换通过发电机将旋转机械的机械能转换成电能。有些采用某种特殊发电机的波浪能转换系统，可以实现波浪能俘获装置对发电机的直接驱动，这些系统没有二级转换环节。

图1 波浪能发电装置三级转换

根据一级转换系统的转换原理，可以将目前世界上的波浪能采集利用技术大致有振荡水柱式、收缩波道式、振荡浮子式 （点吸收式）、摆式、筏式和鸭式等。下面对这几种波浪能采集技术进行介绍。

2.1 振荡水柱式

目前已建成的振荡水柱波浪能采集装置都利用空气作为转换的介质。其一级能量转换机构为气室，二级能量转换机构为空气透平。气室的下部开口在水下与海水连通，气室的上部也开口 （喷嘴），与大气连通。在波浪力的作用下，气室下部的水柱在气室内做强迫振动，压缩气室内的空气往复通过喷嘴，将波浪能转换成空气的压能和动能。在喷嘴处安装一个空气透平并将透平转轴与发电机相连，则可利用压缩气流驱动透平旋转并带动发电机发电，振荡水柱式波浪能装置的结构如图2所示。

图2 振荡水柱式波浪能装置

振荡水柱波浪能装置的优点是：转动机构不与海水接触，防腐性能比较好，安全可靠，维护方便。其缺点是：二级能量转换效率比较低，施工难度很大，发电成本比较高，适用于大风浪区域。

近年研建的振荡水柱发电装置有：英国Wavegen公司研建的LIMPET沿岸固定式波浪能电站，装机容量500 k W；葡萄牙在Pico岛建造的沿岸固定式波浪能电站，装机容量400 k W；澳大利亚Energetec公司建造的离岸固定式波浪能电站，装机容量500 k W；英国布里斯维尔大学研制的Sperboy离岸漂浮式振荡水柱发电装置，1／5尺度装机容量50 k W等［］。

2.2 收缩波道式

收缩波道式波浪能转换装置是基于波聚理论的一种波浪能转换装置。收缩波道式波浪能转换装置中，波道与海连通的一面开口较宽，然后逐渐收缩并流通至贮水库。波浪进入喇叭形的收缩波道时，由于聚波效应，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。水库与外海间的水头落差可达3～8 m，利用水轮发电机组可以发电。收缩波道式波浪装置的结构如图3所示。

图3 收缩波道式波浪能装置

收缩波道式波浪能转换装置的优点是：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。不足之处是：装置建造对地形有要求，不易推广。

目前比较著名的收缩波道式波浪能转换装置主要有：挪威的350 k W收缩波道式电站、丹麦的Wave Dragon波力装置、挪威的SSG槽式装置等。

2.3 振荡浮子式

现阶段比较典型的振荡浮子式波浪能转换装置主要有：瑞典的Aquabuoy、英国AWS Ocean Energy有限公司研制的阿基米德波浪摆装置、美国的OPT（ocean power technologies）公司研制的装机容量40 k W的PowerBuoy波力装置，丹麦的Wave Star公司的Wavestar装置以及我国开发的50 k W岸式振荡浮子式波浪能电站等。

振荡浮子式装置的结构如图4所示，通过随浮子运动的电磁转换器将浮子吸收的波浪能转换成电能。

图4 振荡浮子式波浪能装置

振荡浮子式波能采集装置的优点是：建造难度和成本较低，施工容易；吸收波浪能的效率较高。其缺点是：浮子受过多的波浪冲击，容易损坏［5－7］。振荡浮子式波浪能采集装置由于所占面积较小，适用于一些为灯塔、浮标等提供电源的场合。

2.4 摆式

摆式波浪能采集装置最早由日本室兰工业大学的度部富治教授提出，1983年，日本在北海道建造了首座5 k W的推摆式波力电站，该电站运行了20个月，最后毁于暴风雨；1987年，日本在烧尻岛建造了一座20 k W的推摆式波浪电站，用来向渔民公寓提供热水，但建成3个月后又被恶劣海况损毁；据报道，日本近期准备在一个100 m长的防波堤上建造一座300～600 k W摆式波能装置［8］。

摆式波浪能转换装置的结构如图5所示，由摆板、液压泵、水室等组成。它利用装置的活动部件包括摆板和液压泵推杆等，在波浪的推动下，将其从波浪中吸收的能量转换成装置的机械能：在波浪的作用下，摆体作前后或上下摆动，将波浪能转换成摆轴的动能；而与摆轴相连的液压装置又将摆轴的动能转换成液力泵的动能，并带动发电机发电。

摆式波浪能采集装置适用于建造在防波堤上，装置的优点是：转换效率高，可以方便地与相位控制技术相结合，使波浪能装置能吸收到装置迎波宽度以外的波浪能；缺点是维护较为困难。

图5 摆式波浪能装置

2.5 筏式

筏式波能发电装置是通过漂浮在水面、端部铰接的若干浮体 （筏）俘获波浪能，再通过液压系统驱动发电机发电，其采能装置的结构如图6所示。筏通过铰链相互铰接在一起，能量转换装置置于每一铰链处，波浪运动引起筏产生沿铰接处 （轴）的转动，从而反复压缩液压活塞以输出机械能。筏式技术的优点是：筏体之间仅有角位移，即使在大浪下，该位移也不会过大，故抗风浪性能较好；缺点是：装置顺着波浪方向布置，单位功率下材料的用量比垂直于波浪方向布置的装置大，因此装置成本较高。

图6 筏式波浪能装置

目前比较知名的利用筏式技术建造的波浪能发电装置有：英国Cork大学和女王大学共同建成的McCabe Wave Pump波力装置；苏格兰Ocean Power Delivery Ltd开发的Pelamis（海蛇）波力装置 （图7）等。

图7 Pelamis（海蛇）波力装置

2.6 鸭式

鸭式装置是英国Salter教授发明的、具有特殊外形的波浪能装置［9］，其原理如图8所示。在波浪作用下，鸭体绕支撑轴作往复回转运动，从而驱动连接鸭体与支撑轴之间的液压转换装置发电。

图8 筏式波浪能装置

鸭式装置对于大部分波浪有较高的转换效率，但抗浪能力有待提高。

丹麦Wave Plane能源公司正在开展WEPTOS新型波浪能装置研发工作，WEPTOS由两条独立驱动轴的“Salter Ducks”式结构组成（图9），随着波浪条件的变化，两条链之间的角度可随之改变，该装置于2011年9月完成了模型试验。

图9 WEPTOS波浪能装置

3 提高波能采集系统效率的研究

为了提高装置对波浪能的采集效率，近年来人们做了很多研究：在理论计算方面，梁贤光等［10］发现三维波下点吸收装置具有聚波效应，当其与来波发生共振时，辐射波和入射波的干涉效应使得装置能够吸收到迎波面之外的波浪能，具有较高波能采集效率。为使浮体保持较高的转换效率，应使其达到或接近共振条件；盛松伟等［11］对弹簧—质量—阻尼器系统下的振荡浮子型装置采用边界元法进行了计算，在给定条件下对阻尼系数进行了优化；苏永玲等［12］对在港内的振荡浮子进行了优化设计，发现前港长和浮子长对装置性能影响最大，浮子吃水浓度和港内水深的影响相对较小；CANDIDO等［13］在频域、时域和随机模型下，分别对浮子运动进行了计算，主要比较了波浪周期、波长、阻尼系数与弹簧刚度对捕获宽度的影响；张弘弨等［14］研究了不同波浪条件、不同外力作用和不同尺寸对浮子吸收波浪能效率的影响。此外，研究发现［15］，相位控制、无功负载控制和反馈调节控制等控制策略，虽然能提高装置在变化频率下的转换效率，但同时也增加了装置的复杂性，耗费部分转换的电能。

在装置优化设计方面，为提高浮子自适应性方面，SALTER［9］设计了一种点头鸭装置，能减少装置向后兴波，使得在相当宽的频谱内装置效率均可达到80%以上；梁贤光等［10］进行后弯管波力发电浮体模型试验研究，发现适当地将后弯管水平段向后延伸，可以提高峰值效率，扩宽响应波周期范围；ENGSTRÖM等［16］发现通过在漂浮体下端悬挂一个悬浮的球体，可极大地改进装置的吸波特性，装置的转换效率可提高一倍，同时带宽增加；苏永玲等［7］通过在不同波浪周期条件下，改变浮子与发电机之间的中间转换装置参数来确定浮子的最优俘获宽度比；王凌宇［17］利用弗汝德—克雷洛夫假定法分别对长方体、垂直圆柱体、水平圆柱体和球体上的波浪力进行计算，发现在基本海况、排水体积相同的情况下，垂直圆柱形浮子所受的浮力最大，为最佳浮子形状。

4 总结

波浪能采集是波浪能发电利用技术的研究核心。目前波浪能的采集利用技术大致有振荡水柱式、收缩波道式、振荡浮子式 （点吸收式）、摆式、筏式和鸭式等。其中，振荡浮子式和鸭式装置具有较高的波能采集效率。目前，关于波能采集技术的研究重点主要集中在提高采能装置的效率和运行可靠性，提高采能装置的抗风浪能力，降低装置的建造和维修成本等方面。

［1］ 余志.海洋波浪能发电技术进展［J］.海洋工程，1993，11（1）：86－93.

［2］ 张丽珍，羊晓晟，王世明，等.海洋波浪能发电装置的研究现状与发展前景［Z］，2011：161－164.

［3］ 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.

［4］ 李成魁，廖文俊，王宇鑫.世界海洋波浪能发电技术研究进展［J］.装备机械，2010（2）：68－73.

［5］ 李世成.振荡浮子式波能转换装置性能的实验研究［D］.大连：大连理工大学，2006.

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［17］ 王凌宇.海洋浮子式波浪发电装置结构设计及试验研究［D］.大连：大连理工大学，2008.

国家海洋局海洋可再生能源专项（XMME2011BL02）；国家自然科学基金项目（51209104）.