波浪能发电技术应用发展现状及方向*

张亚群，盛松伟†，游亚戈，王坤林，王振鹏

（1.中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2.中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640）

0 引 言

我国拥有3.2万km海岸线，300 多万km2海洋国土，海洋资源丰富，海洋开发活动方兴未艾。波浪能作为海洋能中的一种，其资源储存量丰富[1-2]，优势明显，发展前景乐观。波浪能在我国作为一种新兴的海洋清洁可再生能源，在中国未来能源结构中的作用不可小觑。发展波浪能是国家能源发展战略的必然要求，波浪能的开发和应用将会成为我国能源领域未来研究的热点。波浪能发电技术的研究同时也有利于推动我国海洋高新技术产业的发展。

对国内外波浪能发电技术现状进行综述以期为海洋能的利用提供参考和建议。

1 波浪能发电技术

波浪能发电技术已有逾百年的历史，关于波浪能发电技术的专利多达数千项，发电装置形式多种多样。波浪能发电技术研究主要集中于波浪能捕获装置的优化设计，从较早的振荡水柱式，到近些年来发展较好的摆式、振荡浮子式、点吸收式等多种形式的装置。目前行之有效的波浪能俘获技术基本都根据以下几种原理：（1）利用捕获浮体在波浪作用下的垂荡或纵摇等运动，将波浪能转换为捕获浮体的机械能（振荡浮子式）；（2）通过收缩波道等结构，利用波浪的爬升，将波浪能转换成海水的势能（收缩波道式或称越浪式）；（3）利用有限封闭空间内波浪的挤压，将波浪能转换为空气或其他流体的动能等（振荡水柱式和软囊式）[3]。

振荡水柱式装置作为最早发展起来的第一代波浪能发电技术，虽然一级俘获宽度比较高，但是二级空气透平转换效率低，导致整体转换效率低。越浪式装置由于需要收缩波道和高位水库结构，尺寸往往较大，建造施工成本高。除此之外，岸式越浪装置对地形要求严苛，漂浮式越浪装置对锚泊系统要求高。软囊式装置现在还不成熟，一级俘获效率低，俘获技术还需要进一步优化提高。振荡浮子式装置依靠浮子的相对振荡运动来俘获波浪能，结构简单，造价成本低，通过优化俘获浮子，可以达到很高的一级俘获宽度比，同时依靠成熟的液压能量转换系统可以实现装置整体的高可靠性、高效率和高寿命[4-6]。

从技术角度来看，离岸漂浮式波能转换技术研究是当今波浪能发电技术发展的主流，漂浮式波能装置在投放运行时选址更加灵活方便，除了装置的锚泊系统需要考虑水深因素之外，不必进行水下施工，避免昂贵的施工成本，漂浮式装置依靠船舶行业成熟的技术更易批量制造和集中投放，可以形成大规模的波浪能发电场，后期装置的维护也较便利，起锚之后依靠船舶可以方便运输。

综上可知，离岸漂浮振荡浮子式波浪能装置更能代表今后波浪能的发展方向，近年来国内外发展较好的波能转换装置绝大部分为离岸漂浮振荡浮子式。

2 波浪能装置研发现状

经济性是评价新技术能否转换为生产力的主要指标之一。就波浪能转换装置而言，高效率、高可靠性和低成本意味着良好的经济性，其中装置的成本包含建造、投放和维护成本。

英国、丹麦等西北欧国家以及日本、美国在波浪能发电技术起步较早，投入大，较为领先，这些国家沿海波浪能资源丰富，已经建立了多个大型示范电站，其中已有一些商业化的装置，如英国的筏式装置“Pelamis”（图1）；苏格兰的摆式装置“Oyster”（图2）；美国的点吸收式装置“Power Buoy”（图3）；澳大利亚的振荡水柱式装置“Energetech oscillating wave column（OWC）”（图4）；丹麦的振荡浮子式装置“Wave Star”（图5）。

图1 英国筏式装置“Pelamis”Fig.1 Pelamis wave energy converter (WEC)in England

图2 苏格兰摆式装置“Oyster”Fig.2 Oyster WEC in Scotland

图3 美国点吸收式装置“Powerbuoy”Fig.3 Powerbuoy WEC in America

图4 澳大利亚振荡水柱装置“Energetech OWC”Fig.4 “Energetech OWC” in Australia

图5 丹麦振荡浮子式装置“Wave Star”Fig.5 Wave Star WEC in Denmark

在我国，波浪能装置研究起步于20世纪80年代，虽晚于欧美等发达国家，但技术并不落后，许多研究机构，例如中国科学院广州能源研究所、国家海洋技术中心、清华大学、中国海洋大学、浙江大学、华南理工大学、集美大学、710所等都对波浪能进行了深人的研究。国内唯一一个进入了商业化生产的波浪能装置是由中国科学院广州能源研究所在20世纪80年代研发的航标灯用波浪能发电装置（见图6），累计销售约1 000台，其中部分出口到新加波、英国。目前国内已并网发电的波浪能装置是由中国科学院广州能源研究所研发的“万山号”和“先导一号”，这两种波浪能装置均是基于鹰式技术的振荡浮子式波浪能装置。

图6 航标灯用BD-102型波浪能发电装置Fig.6 Type BD-102 WEC for pharos

3 波浪能发电技术的发展方向

波浪能发电技术虽经过近百年的发展，出现了种类繁多的波浪能装置，但其优劣势参差不齐。近年来，波浪能发电技术发展迅速，波浪能装置的应用价值也日益突出。因此，如同其他新技术一样，波浪能发电技术需要合理有序地规划发展方向，开拓应用领域或市场，才可长远发展。

3.1 形成微电网供电

波浪能装置作为独立的发配电系统，依靠自身的控制及管理供能实现功率平衡控制、系统运行优化、故障检测与保护、电能质量治理等方面的功能，组成了一套完整的电力系统，形成了小型智能微电网，为装置自挂或外部的海洋监测设备、海洋水文仪器、海洋测试仪器等供电[7]。

形成微电网供电的波浪能技术，实际应用主要为小型化波浪能供电装置。十千瓦级海洋波浪能发电设备的成功开发，可解决小型海洋工程设备长期以来的缺电现象，最大程度地利用海洋丰富的波浪能资源，最小程度地利用蓄电池一次供电，绿色稳定的电力供应将会开启海洋测量事业的快速发展之门。中国科学院广州能源研究所积极开展小型波浪能发电装置的最优外形、最大功率捕获等理论与技术研究，成功开发多种型号的小型波浪能发电装置，目前主要包含两个方面的应用：航标灯用波浪能发电装置和海上观测及防护网用波浪能发电装置，如图7所示。这种小型的波浪能发电装置具有实时定位、数据传输、充放电自我保护、自动报警等功能，作为小型的智能微电网为航标灯及航标其他用电设备供电。目前这类小型化波浪能技术在国内处于领先地位，并正在逐步实现产业化。

图7 小型波浪能发电装置Fig.7 Small WECs

3.2 并入大型电网供电

波浪能供电装置作为大型电网的有力补充，以可再生能源为能量来源，以绿色能源代替传统的石油化工能源，对环境保护具有重要意义[8]。

图8 鹰式波浪能发电装置“万山号”Fig.8 Sharp Eagle WEC “Wanshan”

图9 海上可移动能源平台“先导一号”Fig.9 Marine moveable energy platform “Xiandao I”

实现我国首次近海并网发电的波浪能发电装置是鹰式波浪能装置“万山号”，如图8。2015年，中国科学院广州能源研究所成功建成我国首台100 kW鹰式装置工程样机“万山号”，于2015年11月在珠海市万山岛开始实海况试验。装置实现了0.5 m微小波高下间歇发电，4 m高大浪工况下安全发电，整机转换效率达到20%以上，在世界上处于领先地位。2017年4月，“万山号”鹰式波浪能发电装置在珠海市万山岛并网发电，实现了我国波浪能电力首次进入海岛居民家庭使用，在海洋能发展史上具有里程碑意义。继鹰式波浪能装置“万山号”之后，2018年8月31日，260 kW“先导一号”海上可移动能源平台通过海底电缆成功并入三沙市永兴岛电网，标志着我国成为全球首个在深远海布放波浪能发电装置并成功并网的国家。“先导一号”可移动能源平台也是全球首个海上波-光-储互补平台，如图9。

3.3 组成独立发电站

波浪能利用技术的主要应用之一为供电，每台波浪能装置即为一座发电站。单台波浪能装置供电能力有限，供电距离也受控，很难形成大型的供电站。但多台波浪能装置可形成波浪能装置群，可灵活组合成不同装机容量的波浪能发电站，为不同规模、不同需求的用户供电。例如2017年我国首个兆瓦级波浪能示范场由原国家海洋局支持、由中国科学院广州能源研究所牵头建设。该波浪能示范场旨在利用中国科学院广州能源研究所鹰式波浪能发电技术，在珠海市万山岛打造我国首个、亚洲领先、国际一流的兆瓦级波浪能示范场，使万山成为我国对外集中展示波浪能技术的重要基地，并向全国其他海岛推广应用。该示范场中建设多个波浪能装置系泊点，为形成波浪能装置群提供了基础条件，同时也形成独立的发电站，为岛礁及其居民供电。

另外，国内方面，香港大学的Motor Wave、浙江海洋大学的“海院1号”、集美大学的“集大1号”，均是阵列式发电场的尝试[9-11]。

3.4 多功能综合平台

随着海上生产活动的广泛开展，波浪能装备最终将向多能互补和平台化方向发展，且有望建成集科考、探测、旅游、科普、供电等多种功能为一体的综合平台，甚至建造供人类生产与生活的浮动岛屿[12]。海洋是可再生能源在立体空间上的集合。在海洋中蕴藏着丰富的波浪能、潮流能、潮汐能、盐差能、温差能等多种海洋能；在海面上，无建筑物的影响，海上风力强劲，风速快且传播范围广，风能资源比陆地更为丰富；且海上面积广阔，无结构物的遮蔽，太阳能资源更易于利用。在单种可再生能源的利用上，存在资源量在时间上和空间上分布不均匀、周期性变化的现象，但将多种可再生能源综合在一个公共的基础平台上，统一管理、统一转换、统一利用，将大大降低综合成本，提高能源的利用率，提升能量的可适应性[13]。该综合平台可根据需求增加功能，例如，在提供电力以外供应淡水，可自主变动工作海域，应用范围将不断地扩大，灵活性幅度不断提高。另外，波浪能装置在提供电能的同时还能起到消波的作用，保护岛礁及岛上居民的生产生活安全。

中国科学院广州能源研究所将鹰式波浪能发电技术与渔业养殖、远海旅游、科普教育等有效结合起来，利用波浪能为半潜式波浪能发电-养殖-旅游平台供电，可解决传统养殖网箱无法走出港湾、无法获得有效能源、无法在恶劣海况中生存等问题，服务国家海洋牧场、蓝色粮仓建设。该平台技术已申请中国、欧盟、日本和加拿大专利。首台样机已于2019年6月建成，目前正在开展实海况试验。

4 结束语

综合分析了不同波浪能技术，介绍了国内外已进行商业化的波浪能装置，详细阐述了波浪能发电技术发展方向。

随着国家“海洋强国”战略的逐步推进，波浪能发电技术的发展步伐将逐步加快，技术成熟度必定越来越高。与传统化石能源相比，波浪能发电技术目前虽然还存在成本偏高、稳定性及可靠性不足等问题，但随着各国政府对可再生能源的重视度逐渐提高，经费支持力度逐步增大，以及投入其中的科研技术力量的不断增多，波浪能的发展前景将十分广阔[14]，波浪能发电技术也将会有更大的发展空间，在更多领域发挥作用。