海洋发电原理及发展

包佳瑞琪　马鑫

摘 要：海洋占据着大部分的地球面积，海水存在着巨大的能量。在能源日益短缺和能源环境问题频现的今天，如何更好的发掘海洋能源成为一个有意义的课题。文章主要介绍了海洋能源开发的现状，提出了海洋能源转化的几种常见的方式，提出了海洋能源利用的广阔前景。

关键字：海洋能源；发电；关键技术

目前来说，为了解决日益迫切的能源需求，人类必须增加能源供应量，随之而来的是环境问题以及能源短缺问题。为了解决这些问题，人们把目光转移到了新能源范围，包括：太阳能、风能、核能、地热资源等，其中海洋占据了地球71%的面积，集中了地球上97%的水量，蕴含着巨大的能源.海洋能源主要指的是海洋中依附于海水所特有的可再生能源，例如潮汐能、温差能、潮流能、海流能、波浪能和盐差能等，其中波浪能是品位最高的海洋能。随着海洋开发技术的进步，海洋成为能源开发的热点。

1 海洋能源开发状况

据国外研究机构统计全世界的波浪能储量理论值约为百万kW量级，是现阶段全世界发电量的数百倍。海洋能源利用有非常广阔的应用前景，成为了世界各国海洋能开发的重点领域。我国虽然也是海洋面积大国，但是海洋资源开发利用还处于研究试验和起步阶段。国内有两个典型的海水波浪发电电站，从1986年开始在珠江口大万山岛建设了一个3kW波浪电站，随后通过几年改造将该电站改造成20kW的发电站。这个电站有自身的优点，为了抗击台风影响，该电站设计了一个带有破浪椎的过渡性气室和气道，将机组提高海面上约16米高处，大大减小了海浪对机组直接打击。另外电站的发电装置采用变速恒频发电机与柴油机并联运行，发电比较平稳。从1996年试发电，初步试验结果表明，20kW波力发电机平均输出公率为5kW，峰值功率可达15kW，总能量平均俘获宽度比在20%一40%，这个转化率是优于日本、英国和挪威的同类电站[1]。另外一个为广州能源研究所在广东汕尾市遮浪研建lOOkW波力电站，是一座与电网并网运行的岸式振荡水柱型波能装置，该电站的特点是设有过压自动卸载保护、过流自动调控、水位限制、断电保护、超速保护等功能。所有保护功能均在计算机控制下进行自动进行，大大减小了人工干预，使波浪能发电。

西方国家在利用海洋能源发电方面的探索更早，英国早在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2万kW振荡水柱式和固定式岸基波力电站。由英国国家工程实验室研制的涡形中空风箱泵式海浪发电机，在苏格兰的奥特希莱外海上安装发电，装机容量达1.1万kW。世界上第一台商用波浪发电机已于1995年8月在英國克莱德河口海湾开始发电，装机容量2000kw。英国500kw岸式波能装置于2000年11月在苏格兰Islay岛建成，站址处波能功率密度为25kW/m。目前已经发电上网[2]。

日本对海洋能源转化的研究也十分活跃，其特点是着重波浪技术的开发。目前开展的波浪能研究项目有：海明号波力发电船、60kW防波堤式电站、摆式波能装置、40kW岸式电站、“巨鲸”漂浮式波力发电装置、气压罐式波力发电装置、导航用波力发电装置等，其中海明号是世界上最著名的波力发电装置。“巨鲸”漂浮式波力发电装置的第一期工程于1995年底完成，该装置既可以发电.又可净化海水，还有消波避风港的能力。

据不完全统计，目前全世界已有20多个国家（地区）研究波浪能的开发，建设大小波力电站上千座，总装机容量超过80万kW，其建站数和发电功率分别以每年2.5%和10%的速度上升。

2 海洋能源利用方式

海洋发电的典型装置波浪能开发利用的主要方式是海浪发电，通过研究发现，开发利用波浪能的装置形状各异，种类繁多数不胜数，这些装置主要是根据以下几种机理研发的：即利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动产生的能量；利用波浪压力的变化所产生的能量或利用波浪的上升将波浪能转换成水的势能。波浪能发电装置虽然种类繁多，但真正走出实验室，已经逐步接近实用化水平，被认为最具有应用价值的包括：振荡水柱式、钟摆式装置、筏式装置、收缩波道装置、振荡浪涌转换装置、鸭式装置等。

2.1 振荡水柱式波能转换装置

该转换装置根据振荡水柱设置的方式分成固定式和漂浮式。 固定式又分为近岸式和离岸式两种，装置建造在岸边的称为近岸式 建造在海里的称为离岸式。振荡水柱式波能转换装置的结构主要包括港道、气室、 风道及涡轮机。工作原理为在入射波浪的作用下，气室内的水柱受力发生振荡，使水柱上方的空气往复地推动风道，从而使涡轮机产生机械能进行发电。

2.2 摆式波能转换装置

该装置的原理是在波浪的推动下，将波浪能量转换成机械能或势能，再利用装置的运动部件直接对外做功将机械能转换为电能。装置包括水室摆板结构、机电转换机构、发配电设备三个部分。其中提高水动力与机械能转换效率是该装置研究开发的重点[3]。

2.3 振荡浮子式转换装置

振荡浮子式波浪能转换装置是现阶段比较典型的转换装置，主要有英国Awsocean Energy公司研制的阿基米德波浪摆装置，丹麦的Wavestar装置，美国的Power Buoy波力装置，瑞典的Aqua buoy以及我国的50kW岸式振荡浮子式波浪能电站等。振荡浮子式装置的结构主要是电磁转换器随着浮子运动吸收能量，通过电磁转换器将波浪能转换成电能。

2.4 收缩波道式波能转换装置

该装置的原理是基于聚波理论研发出来的。聚波理论最早是由来自挪威的Budal和Falnes两人提出。该装置具有一个高位水库和一个收缩波道。收缩波道是两道呈对数螺旋形状的正交曲面，用钢筋混凝土做成，两道墙在高位水库内相接，从海里一直延伸到高位水库。当波浪进入收缩波道时产生聚波作用，增大波浪的高度越过钢筋混凝土墙进入高位水库。然后通过一个低水位的水轮发电机组发电。

3 前景展望

海洋能有着能量大、可再生、不污染等特点，利用波浪能发电是其中很有应用前景并最为可实现的一种。对于波浪能源的开发来说，波浪能利用方面，需要解决的关键技术包括：波浪聚集与相位控制技术。波能装置的波浪载荷、装置在海洋环境中的使用时间；波能装置建造与施工中的海洋工程技术；不规则波浪中的波能转换装置的设计与运行优化；波浪能的稳定发电技术和独立发电技术等[4]。

参考文献

[1] 熊焰，我国海洋可再生能源开发利用发展思路研究[J].海浪技术， 2009 （2）：106-110.

[2] 聂宏展，张明，申洪，等.波浪能发电及其对电力系统的影响[J].华东电力，2013，41（1）：190-195.

[3] 方红伟，程佳佳，刘飘羽，等.浮子式波浪发电控制策略 研究[J].沈阳大学学报：自然科学版，2013（1）：30-34.

[4] 任典勇，施慧雄.海岛风能海水淡化组合体系研究[J].海洋学研究，2009（2）：111-118.