波浪能发电技术在船舶上的应用

熊玮 谷汉斌 刘海源 K.THIRUVENKATASWAMY3

【摘 要】 为保护环境、节能减排，推进可再生能源――波浪能的利用，回顾波浪能发电技术发展史，从波浪能转换装置优化和应用两方面概述其发展情况，分析波浪能发电装置在船舶上的应用实例，归纳适合各种船舶特点的波浪能发电装置类型，总结波浪能发电装置在船舶上的应用趋势：在船舶设计初期，充分考虑波浪能的利用；将波浪能发电作为船舶辅助和生活用电；将波浪能与其他新能源联合应用。将可再生能源波浪能应用在船舶发电上，可有效降低船舶排放，有利于人类社会可持续发展。

【关键词】 能源；波浪能；发电；船舶

0 引 言

18世纪工业革命以来，世界能源需求不断增加，传统化石能源消耗迅速，生态环境逐渐恶化并严重威胁人类社会可持续发展。人们寻求新型可再生能源以满足日益增长的能源消费需求。进入21世纪，世界各国愈发重视开发和利用新能源，陆续出台了一系列相关政策和措施并加大了资金支持力度。

海洋中的波浪能具有无时不在、无处不在、能流密度大的特点，沿海国家，尤其是波浪能资源丰富的国家对此高度重视。我国船舶众多，但尚未在船舶上应用波浪能发电技术，若能在此领域有所突破，将是革命性的发展。

1 波浪能发电技术发展和应用

1.1 国内外波浪能发电技术发展概况

20世纪60年代，首个用于航标灯的波浪能发电装置研制成功。[1] 自20世纪70年代以来，英国、挪威、日本和美国研究波浪能转换电能原理及方案，提出了一些创造性新概念。21世纪，“海蛇”、“巨蟒”等巨型波浪能发电装置成功海试，标志着波浪能发电技术逐渐成熟。

我国研究波浪能发电技术已有30多年。目前，我国已成功建造多座波浪能示范电站，如大管岛105 kW多能互补电站、南海500 kW海岛海洋能独立电力系统示范工程、嵊山岛500 kW多能互补示范电站等，并规划在广东、山东、海南各建1座1 000 kW级的岸式波浪能电站。[2]

1.2 波浪能发电装置研究近况

（1）装置水动力特性得到完善。通过物理试验或者数值模拟的方式，改善了发电装置的几何形状，减小了拖曳力，使浮体能紧随波浪浮动；增大了水平振荡力和相对运动；合理利用共振，提高了能量捕获效率。

（2）装置规模化。由于单位宽度上波浪能相对较小，波浪装置的阵式布置、规模化对于降低波浪能发电成本、提高发电总量具有重要意义。

（3）海洋测试。海洋波浪是不规则波，海况条件也比在数值模拟和物理试验时复杂得多，因此建立波浪能海上测试场十分必要。

（4）储能方式。由于海洋波浪的随机性及实际用电对电流、电压的稳定性要求，与波浪能装置相匹配的能量储存方式至关重要。

1.3 发电装置的应用优势

（1）波浪能资源丰富，能流密度大。据统计，全球波浪能储量达25亿kW，多数海域年平均波浪能流密度超过10 kW/m；我国的波浪能装机容量为160万kW，按现有技术理论发电量可达1.288？09 kW[3]。我国波浪能资源丰富，很适合开发利用。

（2）经济节能。在偏远海岛，中等波况下波浪能发电成本不到0.05美元/（kW穐），而传统发电方式的发电成本通常大于0.19美元/（kW穐）。在给海岛和离岸海上设施供电方面，与火力和水力发电方式相比，波浪能发电能解决传统发电方式因运输不便而引起的高成本问题。

（3）符合环保要求。波浪能发电能降低对环境的污染，有利于环境保护。

2 波浪能发电装置在船上应用的探索

2.1 国内外实例

1799年，法国的吉拉德父子利用波浪能使漂浮船上的机械装置驱动岸边的水泵和发电机发电并获得发明专利。日本于1978年建造了波浪能發电船“海明”号，后于1997年建造了“巨鲸”号波浪能发电船，该船将发电机组并排放置，提高了波能利用率。英国的Christopher Cockerell将2艘泵船铰接到一起，泵船之间连接液压动力输出系统，实现了波浪能的利用，并于1980年取得波浪能筏式发电系统专利。瑞典漂浮式波浪能发电船是一种越浪式装置，不受潮差影响，可以适应各种极端海况。波士顿大学的Andre Sharon等人在2011年清洁技术博览会上提出建造波浪能发电自航式电站的设想。

我国对波浪能发电船的研究起步较晚，但成果可观。1990年，我国研制的装有后弯振荡水柱式波浪能转换系统的导航灯船“中水道1号”成功地完成了为期1年的海上测试。“八五”期间，我国研制的后弯管波浪能发电船进行了模型性能试验。“中水道1号”灯船和后弯管波浪能发电船的发电原理与“海明”号、“巨鲸”号相似。2012年，我国“鹰式一号”振荡浮子式半潜船在万成山海域进行海试。

目前，已应用的波浪能发电装置有振荡水柱式、振荡浮子式（绳轮―棘轮式）、摆式、越浪式和筏式。由于振荡浮子式波浪发电装置具有捕能效率高、免受海水侵蚀、成本低、输出电能稳定等特点，因而在船舶上应用会有广阔前景。

2.2 应用方式和广阔市场

2.2.1 应用方式

船舶利用波浪能发电的最大问题是发电装置会增加船舶行驶阻力，降低机动性能，同时也对波浪能发电装置的稳定性和生存性能提出更高要求。

2011年，安德雷·夏伦等人设计了2种波浪能发电船（见图1）。这2种波浪能发电船具备自航能力，可以驶回港口躲避极端海况，降低了对装置生存性能和安全性能的要求，节约了装置制造成本，同时因使用蓄电池存储电能，还省却了海底电缆铺设费，既大大地降低了波浪能发电成本，又不会对海洋环境造成影响。这种装有波浪能发电装置的船舶锚泊时利用波浪能发电并储存在蓄电池中，船舶航行时可将装置浮体部分收起，不会增加船舶航行阻力。

我国的波浪能发电技术已应用于小型灯船、海洋航标船，如100 W振荡水柱式“中水道1号”航标船、5 kW后弯管波浪能发电船。“中水道1号”航标船为波浪能发电技术应用在航标船上提供了参考。

2.2.2 广阔市场

渔船辅助用电主要用于船舶照明系统，在捕鱼作业时，渔船虽停留在捕捞区域不需要动力，但仍需要消耗燃油为船舶辅助用电系统供能，以保证船舶作业的正常运作。整个捕捞作业过程船舶停留时间久、能耗大，非常适合利用波浪能发电装置。

《中国渔业统计年鉴2016》数据显示，我国有海洋捕捞渔船18.72万艘，总功率达万kW。如果取柴油机平均燃油消耗率为230 g/（kW穐）、1年工作时间 h，则18.72万艘海洋捕渔船年消耗燃油量为795.8万t，波浪能发电技术在此领域有着巨大市场。

3 波浪能发电技术在船上应用的发展趋势

国际海事组织制定的新船能源效率设计指数（EEDI）是用来评估船舶二氧化碳效能的指标，即船舶每单位创造的社会效益和二氧化碳排放量的比值。EEDI颁布实施后，新造船舶必须符合EEDI规定标准，推进了绿色船舶设计的发展；而将波浪能这种可再生能源应用在船舶发电上，可有效降低船舶碳排放。基于上述分析，波浪能发电技术在船舶上的应用趋势如下：

（1）在船舶设计初期，充分考虑波浪能的利用。“中水道1号”航标船采用沿船底向后弯曲的后弯管振荡水柱波浪能发电装置，船体设计成对称的对角线简易线型，外板为平面结构，建造简单，造价低廉，维修方便。“鹰式一号”波浪能发电装置是在半潜船上利用波浪能发电，船体上浮就可进行发电装置的回收、检修和保养。在船舶设计初期就考虑波浪能的应用，不仅能降低船舶碳排放，还能节约制造和改装成本。

（2）将波浪能发电作为船舶辅助和生活用电。船舶选装波浪能发电装置要結合船舶用电、作业及适用海况等因素，对于长期处于锚泊状态的船舶可选用振荡浮子波能发电装置；对于航速低、需大电量为船上辅助机械和照明系统等供电的船舶（如流刺网渔船），可以装备点吸收式、摆式波浪能发电装置；需配备大量大功率灯具的船舶（如鱿钓船），则可以装载振荡水柱式、点吸收式或者筏式波浪能发电装置。船舶上可同时配装蓄电装置，在适宜发电的情况下，将多余的电量储存起来。

（3）波浪能与其他新能源联合应用。单一新型能源的利用，会受到其自身特点和环境条件的限制，若能联合风能、太阳能等共同使用，就能解决单一能源使用局限性的问题。如装机容量为2 MW的英国奥斯普瑞波浪能发电装置集波浪能发电和风能发电于一体，是一个典型的再生能源联合应用的实例。我国也计划在100 kW的“鹰式一号”运行成功后，将其发展成为一个利用太阳能、风能等再生能源的多功能复合平台。

（4）波浪能自航式电站。现有大多数离岸漂浮式波浪能发电装置在投放或回港检修时依靠船舶拖航，如果建造具有自航能力的波浪能发电站就可以改变这种状况，既无需铺设海底电缆，降低发电成本，又可在将遭遇极端海况时自行回港躲避，节约拖航成本。

4 结 语

波浪能发电技术的研究历史悠久，但因技术和环境条件的制约，其在船舶上的应用未能得到推广。从上述研究来看，波浪能在船舶上应用的前景广阔，若能大规模应用，将对我国船舶行业发展和实现渔业现代化起到巨大的推动作用。

参考文献：

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

[2] 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.

[3] 迈克康奈尔 G，李蓉.波能发电的未来[J].水利水电快报，2001（13）：32-33.