波浪能发电技术的研究现状与发展前景

刘延俊，贾　瑞，张　健

（1.山东大学 机械工程学院 高效洁净先进制造教育部重点实验室，山东　济南　250061；2.山东大学 海洋研究院，山东　济南　250100）

波浪能发电技术的研究现状与发展前景

刘延俊1,2，贾瑞1，张健1

（1.山东大学 机械工程学院 高效洁净先进制造教育部重点实验室，山东济南250061；2.山东大学 海洋研究院，山东济南250100）

海洋波浪能由于具有可再生、绿色环保和储量丰富的特点，已经引起越来越多国家的重视。文中介绍了波浪能的定义、成因和特点，对波浪能发电装置进行分类总结，阐述各类装置工作原理及特点。基于上述总结，分析了波浪发电装置需要解决的问题，对世界波浪能发电装置发展进行展望。

波浪能；波浪能发电装置；研究现状；发展前景

随着世界经济的发展，人类对能源的需求日益增长。但随着传统能源的日益短缺，能源问题逐渐成为世界性问题。为了解决能源供应在社会发展中所遇到的瓶颈问题，寻找可替代、可再生、清洁的新能源已成为全球各国的共识。而海洋占据地球表面积的71%，蕴藏着储量巨大的可再生能源，主要包括海洋风能、潮汐能、波浪能、海流能、温差能和盐差能等[1]。其中海洋波浪能在海洋中无处不在，汹涌澎湃的海洋波浪蕴藏着极大的能量。据估算，全世界波浪能的理论值约为109kW量级，是当今世界发电量的数百倍[2]。波浪能由于具有可再生、绿色环保和储量丰富的特点，日益受到世界许多国家的重视。

1　波浪能简介

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。波浪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。能量传递速率和风速有关，也和风与水相互作用的距离（即风区）有关。水团相对于海平面发生位移时，使波浪具有势能，而水质点的运动则使波浪具有动能。贮存的能量通过摩擦和湍动而消散，其消散速度的大小取决于波浪特征和水深。深水海区大浪的能量消散速度很慢，从而导致了波浪系统的复杂性，使它常常伴有局地风和几天前在远处产生的风暴的影响。波浪可以用波高、波长（相邻的两个波峰间的距离）和波周期（相邻的两个波峰间的传播时间）等特征来描述。

波浪能作为一种可再生能源，相比于其他可再生能源（风能、太阳能），具有以下优点：①波浪能在可再生能源中具有最高的能量密度[3]；②波浪能开发利用中产生很小的负面环境影响[4]；③波浪传输很长的距离，而其能量的损失却很小；④波浪能利用设备可以在90%的时间内运行，而风能利用设备和太阳能利用设备只有约20%～30%的时间可以运行[5]。

2　波浪能发电技术

波浪能利用装置的种类繁多，有关波浪能装置的发明专利超过1 500种，大部分的发明专利在日本、北美和欧洲申请。但这些装置均是源于几种基本原理，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。

按照位置分类，波浪能发电装置可分为：岸线波浪能利用装置、近岸波浪能利用装置和离岸波浪能利用装置。按类型分类，波浪能发电装置可分为：消耗式、截止式和点吸收式。

本文按照装置的工作原理的不同，介绍波浪能发电装置的研究现状。

2.1摆式消耗型波浪能发电装置

摆式消耗型波浪能发电装置的原理是：在波浪的推动下，使装置的浮力摆随着波浪的运动而来回摆动从而产生动能，经液压缸加以收集后，再由设置在岸上的发电机转换为电能。芬兰AW-Energy公司总结发明并研制出全球第一台利用海底波浪动能来发电的装置——WaveRoller，如图1所示。2007年在葡萄牙Peniche对WaveRoller进行了海试试验[6]。由于随着水深的增加，流体质点速度逐渐减小，故这类装置只能安装在浅水区域。这类装置采用水下安装，建造成本较高，维护也较困难。

图1　WaveRoller

2.2摆式截止型波浪能转换装置

摆式截止型波浪能发电装置是利用装置的运动部件，在波浪的推动下，通过摆体作前后或上下摆动，将波浪能转换成摆轴的动能,如图2所示。摆式截止型发电装置的液压部件一般是与装置的摆体的轴相连接，将摆体动能转变为液压力，用来发电。摆体的钟摆式规律运动符合波浪推力大和频率低的特点[7]。因此，摆式截止型波浪能发电装置转换效率较高，频率响应范围宽，结构简单易制造。但由于设备处于海洋环境中，装置内机械、液压等部件容易损坏，维修难度较大，成本较高。

图2　摆式截止型波浪能发电装置示意图

2.3漂浮式摆式消耗型波浪能转换装置

此类型装置是完全封闭的，浮动窗体内部有一个可以移动的质量体，当波浪作用在移动船体上时，移动船体和其内部的移动质量体开始做相对运动，两者的相对运动通过液压装置（PTO）驱动发电机发电[8-9]。如图3所示。装置所有的移动部件都在浮动船体内，移动部件不与海水接触，避免了海水的侵蚀，维护费用和抗击自然灾害的能力较强。内部质量体的运动压缩液压油，不论质量体如何运动，液压缸都不会满冲程，所以避免对液压缸端点的冲击，这样也增强了装置适应恶劣海况的能力。

图3　漂浮摆式波浪能转换装置

但是为了在波浪作用时产生共振现象，需要将装置的尺寸设计得很大，建设成本很高。而且海浪的不规则运动使得摆的摆动时间与海浪的运动时间不一致，会使得发电效率较低。

2.4消耗型筏式波浪能转换装置

筏式波浪能转换装置由铰接的阀体和液压系统组成。装置漂浮于海面，液压转换系统置于铰接处，波浪带动筏体沿着铰接处弯曲，转换为液压力，驱动发电机发电。图4为海蛇波浪场示意图。

图4　海蛇波浪场示意图

消耗型筏式波浪能装置的优点是具有较好的整体性，抗波浪冲击能力较强，具有较好的能量传递效率，发电稳定性好。但其长度方向顺浪布置，迎波面较小，与垂直于浪向的同等尺度的波浪能装置相比，筏式装置吸收波浪能的能力较为逊色，单位价值材料所获取的能量较小，导致实体尺寸过大[10]。

2.5鸭型波浪能转换装置

此装置的形状和运行特性类似鸭的运动，故称为鸭式波浪能发电装置，如图5所示。该装置用浮子绕中心轴线的纵摇代替升降，利用入射波的运动使得动压力有效地推动鸭身绕轴线转动。此外，流体静压力的改变也使接近鸭嘴的浮体部分作上升和下沉往返运动，由于这两种压力所产生的运动是同相位的，在波浪运动的一个周期内，点头鸭将动能和位能二者同时通过液压装置转化出去，然后再由液压/电力系统把动能转化成电能。鸭型波浪能转换装置转换效率较高，理想情况下接近90%，但在不规则波作用下，系统效率较低[11]。但装置较复杂，可靠性较差，结构脆弱，安全性较低。

图5　鸭式波浪能转换装置

2.6振荡水柱式波浪能转换装置

振荡水柱式波浪能转换装置是通过波浪的运动，转换为空气的运动来进行发电的。原理如图6所示。在波浪力的作用下，气室中的水柱上下运动，将波浪能转换为空气的压力和动力，来推动空气涡轮运动，进行发电。振荡水柱波浪能转换装置的优点是关键转换装置不与海水接触，寿命长，可靠性高，主要部件工作在水面以上，便于检查维修。但此类装置转换效率较低，建造难度较大，成本较高。

图6　振荡水柱式波浪能转换装置

2.7振荡浮子式点吸收型波浪能转换装置

振荡浮子式装置是在振荡水柱式装置的基础上发展起来的一种点吸收式波浪能发电装置，由浮体、能量转换机构、发电机和保护装置等部分构成。浮体在波浪作用下上下运动，转换为液压或机械能进行发电。由于其较高的转换效率和较低的建造成本，在世界上引起了广泛重视，英国的阿基米德波浪摆、美国的PowerBuoy等已经建成，如图7～图8所示。

图7　阿基米德波浪摆

图8　PowerBuoy

3　波浪能发电装置存在的问题及前景展望

虽然波浪能发电装置种类繁多，波浪能发电装置的研究与开发已取得了一定的成果，但是相比于太阳能、风能等清洁能源，并没有在生活中普及开来，主要是存在以下问题：

（1）可靠性。波浪发电装置工作于海洋环境中，巨浪、台风等恶劣天气将会造成装置的破坏、失效或者下沉；由于海水的腐蚀性和海洋生物附着，会使得波浪发电装置部件失效等。因此，在海洋恶劣环境中，波浪发电装置的生存可靠性较低，这是波浪能发电装置必须解决的难题。

（2）稳定性。海洋所蕴藏的可再生能源中，波浪能是最不稳定的能源，它不能定期产生，而且时刻在变化。大多数波浪能发电装置是采用三相交流发电机，但波浪的随机性和不稳定性，使得发电机输出电压的幅值、频率及相位均不稳定，导入电网会增加电压控制难度。

（3）发电效率。波浪能发电装置需要将波浪能进行一次转换、中间转换和二次转换，波能转换效率过低，能量消耗大[12]。而且，海洋波浪的时刻变化，波浪能的能量分散不易集中，会造成装置的发电效率较低。

（4）发电成本。波浪能发电的广泛普及面临的最大问题就是波浪能发电装置的成本太高。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[7]。而且，由于波浪能发电装置尺寸较大，建造、布放和维修成本都较高，波浪能发电装置在商业应用的道路上还有很长的路要走。

随着波浪能技术研究的进步，波浪能利用技术已经历了理论研究、装置发明、实验模型研究、海况实验等阶段，取得了一定进展，但与风能、太阳能相比，波浪能发电装置还远没有达到民间普及状态。因此，世界各国都在积极研究多种多样波浪能发电的高新技术，来提高波浪能发电装置的生存能力、发电效率和可靠性，降低发电成本。

随着社会经济的发展，人类对能源的需求会越来越大。人类将会面临化石资源枯竭、环境污染、地球变暖等后果。因此，积极开发波浪能等可再生能源将是未来获取能源的重要手段，加大对波浪能研究、开发和利用对国家能源长期发展具有重要意义。

[1]邓颖北，熊雯.海洋能的开发与利用[J].可再生能源，2004(3):70-72.

[2]沈利生，张育宾.海洋波浪能发电技术的发展与应用[J].能源研究与管理，2010(4):55-58.

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Research Status and Prospect of the Wave Power Generation Technology

LIU Yan-jun1,2,JIA Rui1,ZHANG Jian1
1.School of Mechanical Engineering,Shandong University,Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture, Ji'nan 250061,Shandong Province,China; 2.Institute of Marine Science and Technology,Shandong University,Ji'nan 250100,Shandong Province,China

Ocean wave power has been concerned by more and more countries since it is recognized as a clean, green,renewable and eco-friendly energy.This paper introduces the definition,genesis and characteristics of wave energy,classifies and summarizes various wave power generation devices,and elaborates their working principles and features.In addition,this paper indicates the key problems that need to be addressed,and looks to the future development trend of wave power generation devices in the world.

wave energy;wave power generation device;research status;prospect

P743.2

A

1003-2029（2016）05-0100-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.020

2016-03-06

山东大学前沿和新兴学科团队导向类项目资助（2014QY006）；山东大学交叉学科培育项目资助（2016JC035）

刘延俊（1965-），男，教授，博士生导师，主要研究方向为波浪能发电技术、深海探测技术与装备开发、流体动力控制。E-mail：lyj111ky@163.com