水电与新能源机遇与挑战：波浪能发电技术研究进展

陈启卷，高功正，岳旭辉，耿大洲，徐 磊

(水力机械过渡过程教育部重点实验室(武汉大学)，湖北 武汉 430072)

当今世界，能源是各国生活质量保障和战略发展的重要必需品，而目前能源的供应仍然是以石油、天然气、煤炭等不可再生能源为主。据统计，全球能源结构中，34%为石油，23%为天然气，28%为煤炭，10%为可再生能源，5%为核能[1]。近些年来，随着世界人口激增、世界经济迅速发展、社会不断进步，人类对能源的需求越来越大。而化石能源的短缺，环境污染日益加重，迫使世界各国努力寻找并开发可替代的、清洁的、可再生的新型能源。

海洋覆盖了地球表面70%以上的面积，被认为是储量最大的可再生能源之一[2]。海洋能主要包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能、海洋生物质能以及海底地热能等自然资源[3]。其中，由海洋表面的空气流动所产生的波浪能较为显著且分布广泛，是地球上储量最大的未开发的可再生能源。波浪能是指海洋表面所具有的动能和势能的总和。其能量大小与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。全球波浪能潜力达到10 TW，年均波浪能估计接近93 000 TWh[4]，远远大于太阳能和风能，具有广阔的前景。同时，在开发波浪能的过程中既不消耗其他燃料，又对环境影响较小。因此，波浪能的开发利用越来越成为诸多国家研究的热点。

利用波浪能发电，可为海上孤岛、海洋牧场及海上开发平台等设施提供清洁优质的电能。此外，波浪能还可以用于海洋环境监测、海水淡化、制氢、抽水等。

1 波浪能发电技术

1.1 波浪能发电原理

波浪能发电即通过波浪的运动促使装置工作，进而带动发电机发电，将水的动能和势能最终转化为电能[5]。一般分为以下几种原理：利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动，将波浪能转换为机械能；利用波浪压力的变化，将波浪能转换为空气压能和动能；利用波浪的沿堤爬升将波浪能转换为水的势能等。

1.2 波浪能发电装置的分类

波浪能发电装置主要由两部分组成：捕能装置和提能系统(动力输出系统)，捕能装置吸收波浪能并将其转换为机械能，动力输出系统将捕能装置吸收的波浪能经过一级或多级转换变成电能。

波浪能到电能的转换一般分为二级转换和三级转换，其中第一级转换机构即捕能装置，第二和第三级转换机构统称为动力输出系统。绝大多数波浪能发电装置都采用三级能量转换：第一级将捕获的波浪能转换为某个载体的机械能；第二级将第一级的机械能转换为旋转机械(如水力透平、空气透平、液压马达、齿轮增速机构等)的机械能；第三级将旋转的机械能转换为电能。有些波浪能发电装置采用特殊的发电机，可以实现捕能装置对发电机的直接驱动[6]，从而省去了第二级能量转换。

波浪能发电装置的分类方法有很多，如按照安装位置可分为：岸线式、近岸式和离岸式；按照类型可分为：消耗式、截止式和点吸收式；按照动力输出系统形式可分为：机械式、液动式、气动式、液压式、直线电机式、压电式和磁流体式等。最常见的是按照工作原理分类，可分为：振荡水柱式、振荡体式和越浪式[2-3]，这里进行简要介绍。

1.2.1 振荡水柱式

振荡水柱式波浪能发电装置的主体结构是一个中空的气室，气室在水上及水下部分各有一个开口，分别与空气和海水联通。振荡水柱式波能发电装置可分为固定式和漂浮式，其中漂浮式又可分为前弯管式(Forward Bent Ducted Buoy，FBDB)、后弯管式(Backward Bent Ducted Buoy，BBDB)、中心管式和斜管式[6]。

振荡水柱式装置的动力输出系统主要采用空气透平，其原理是波浪运动反复压缩和膨胀气室内的空气，迫使空气流过与发电机耦合的涡轮机，驱动涡轮机高速旋转，进而驱动发电机发电。振荡水柱式波浪能发电装置的优点是装置结构简单坚固，能量转换的运动部件位于水面以上，不与海水接触，防腐性能好，故障率低，维护方便。缺点是发电成本高，第二级能量转换效率较低。

1.2.2 振荡体式

振荡体式波浪能发电装置是研究较为广泛的一类波能利用技术，其主要利用物体在波浪作用下的振荡及摇摆等运动来吸收波浪能。振荡体式波能发电装置可分为振荡浮子式、摆式、筏式、鸭式等。

振荡浮子式波浪能发电装置利用浮标在波浪的作用下垂向振荡将波浪能转换为机械能，为了将机械能转换为电能，可以采用不同的动力输出系统，如液压式或直线电机式动力系统。

摆式波浪能发电装置是利用波浪的运动来推动摆体的摆动，将波浪能转化为机械能，一般采用液压式动力输出系统，将机械能转化为液压能，再进一步转化为电能。也可以采用机械式动力输出系统，通过齿轮齿条结构转化机械能，再通过发电机将其转化为电能。

筏式波浪能发电装置通过若干个端部铰接的筏体来吸收波浪能，再通过液压系统驱动发电机发电。筏式装置顺浪向布置，筏体随波运动，将波浪能转换为筏体运动的机械能；再驱动液压泵，将机械能转化为液压能；进而驱动液压马达，将液压能转化为旋转机械能；最后驱动发电机，将旋转机械能转化为电能[7]。

鸭式波浪能发电装置是由英国的Salter教授发明的。其原理是在波浪作用下，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[8]。

振荡体式波浪能发电装置的效率一般比较高，但由于很多部件直接与海水接触，容易受到海水的腐蚀，并且很多装置抵抗极端天气的能力较差。

1.2.3 越浪式

越浪式波浪能发电装置不同于前面两类，它是利用收缩波道或斜坡将波浪引入高位蓄水池，形成水位差，利用水位差来驱动水轮机转动，进而带动发电机发电。该类装置比较典型的是收缩波道技术，波道呈喇叭状，波浪进入逐渐变窄的波道内，由于聚波效应，波高越来越大，直到波峰越过边墙，进入高位蓄水池，即将波浪能转换为水的势能，再通过水位差驱动水轮发电机组将水的势能转化为电能。其优点是：一级转换没有活动部件，可靠性较高，维护费用低；缺点是成本高，对地形有要求，且在小波浪的条件下效率较低。

2 国内外典型的波浪能发电装置及研究进展

波浪能利用技术最早可追溯到1799年，法国的吉拉德父子获得了第一个波浪能转换系统的专利。1940年，日本的Yoshio Masuda第一个将漂浮的振荡水柱并入航海浮标灯中，这也是现代波浪能系统的先驱[3]。随着能源需求的增长，许多国家越来越重视波浪能发电技术的研发。据统计，自2015年以来，全球在欧洲、美国、日本、中国和亚洲开发的项目超过100个，专利超过1 000项[9]。随着新概念和新技术的发展，这一数字还在不断增加。在参考文献[3、9]中，对波浪能发电技术做了详细的综述。本节只介绍近些年来国内外一些典型的波浪能发电装置及研究进展。

2.1 国外典型的波浪能发电装置及研究进展

超过50%的波浪能发电装置是由欧洲国家研发的，大部分集中在点吸收式系统上[3]。此外，美国、新西兰、智利、日本等国家也在大力研发波浪能发电技术。

振荡水柱式波能发电装置因其结构简单，可靠性高而被广泛研究。到目前为止，已经有很多振荡水柱式装置被开发出来。其中比较著名的有Mighty Whale、LIMPET、Mk3等。Mighty Whale由日本海洋科学技术中心研发，是一种具有面向入射波进水导管的振荡水柱式装置，于1998年9月至2002年3月进行了约3.5年的海上试验[10]；第一台商用的LIMPET装置于2000年安装在苏格兰的IsIay岛海岸线上，自安装以来，它能够为国家电网提供每月500 kW的电力[9]；澳大利亚Oceanlinx公司于2010年2月至5月在澳大利亚Kembla港附近部署了一个2.5 MW全尺寸Mk3装置的并网模型，Mk3是一个浮动平台，拥有几个气室，每个室都有一个空气涡轮机。在试验期间，只安装了2台不同类型的涡轮机[11]。此外，荷兰波浪能开发公司基于阿基米德波浪摆(AWS)开发了一种新型波浪能转换装置，称为Symphony。新开发的Symphony由一个多功能膜和一个新型涡轮组成。目前，Symphony系统仍在开发中，正在等待部署[9]。

BBDB是在传统振荡水柱技术的基础上发展起来的一种漂浮式装置，最早由Masuda于1986年提出。该装置由一个L形导管、一个浮力模块、一个气室、一个空气涡轮和一个发电机组成[11]。与其他的波浪能转换装置相比，BBDB具有单浮体结构简单、成本低、转换效率高等优点。近些年来，很多国外的研究者都对不同模型的BBDB做了二维及三维的水槽试验。常规波浪试验结果表明，基本BBDB模型在二维波浪水槽中的捕能宽度比可达70%，在三维波浪水槽中的捕能宽度比可达108%[7]。2006年，基于BBDB原理开发的OE Buoy(见图1)在爱尔兰海岸用一个28 t重的1∶4比例的模型进行了海试，海试时间超过3年，其从空气动能到电能的转换效率约为30%[10]。

图1 OE Buoy装置

国外比较典型的振荡体式装置有CETO6、Wave Roller、SINN等。CETO 6是一种广泛应用的点吸收式系统，它是直径为20 m的漂浮式波能发电装置，其容量从2011年的80 kW逐渐增加到2015年的240 kW。该装置在毛里求斯的Rodrigues岛、澳大利亚西部的Garden岛和英格兰西南部的Cornwall等沿海进行了部署[3]。AW能源有限公司开发了一系列Wave Roller装置，并于2007年和2012年分别在葡萄牙部署了100 kW和300 kW的设备，进行了测试[9]。另一个比较受欢迎的装置是SINN波能转换装置，其动力输出系统采用直线电机驱动的方式，该装置已经在希腊的Heraklion Crete港口进行了部署，并于2015年开始测试[9]。除此之外，还有Pelamis、SEAREV等。

Wave Dragon是一个非常典型的越浪式波能发电装置，第一个原型于2003年在丹麦的Nissem Bredning海湾部署[3]，并进行了近2年的实海况并网发电实验，这也是世界上第一个海上漂浮松弛系泊的波能装置。装置由两个手臂组成，聚集波浪到蓄水池中，蓄水池的水位高于海水表面，在中间位置设置通道并安装水轮机，储存的水通过该通道驱动水轮机后流回大海[9]。另一个Wave Dragon项目于2007年在Wales西南海岸的Milford港口部署。

基于Wave Dragon的工作原理，Fernandez等人提出了一种新的越浪式装置——WaveCat。WaveCat是一种海上漂浮式装置，采用斜坡式，如图2所示[12]。它由两个船体组成，船体不是平行的，而是会聚在一起，在平面上形成一个楔形，船尾铰接在一起，两个船体之间的角度随着海况变化。装置采用单点系泊，当波浪的方向改变时，装置的方向随之改变，所以入射波总是传播到船体之间的楔形物中。

图2 WaveCat示意图

近些年来，有些研究者将越浪式波能装置集成到传统或新的海岸或港口的防波结构中，组成了越浪式防波堤，如图3所示[13]。这个概念是由意大利坎帕尼亚大学Vicinanza教授领导研究小组Luigi Vanvitelli于10年前提出的。为了研究越浪式防波堤影响设备性能的物理现象及其具体限制，分别于2012和2014年在丹麦的奥丁堡大学与2015年在意大利的坎帕尼亚大学进行了1∶30的物理模型实验[13]。对越浪式防波堤更深一步的研究还在进行当中。

图3 越浪式防波堤示意图

2.2 国内典型的波浪能发电装置及研究进展

我国波浪能技术研究开始于20世纪70年代。为了推进波浪能资源的开发利用，我国将波浪能发电研究列入了国家重点科技计划。尽管我国波浪能研究起步较晚，但发展较为迅速。目前我国从事波浪能发电研究的单位主要有广州能源研究所、浙江大学、山东大学、集美大学、中国海洋大学、国家海洋技术中心、武汉大学等。近些年来，随着国家对波浪能开发利用的大力支持以及科研院所及高校加大对波浪能发电研究的力度，我国在波浪能利用方面也取得了很多成就。

我国在波浪能研究早期，主要以振荡水柱技术为主，在20世纪80、90年代也开发了一些振荡水柱装置。随着BBDB概念的提出，以及BBDB突出的优点，我国对其进行了广泛的研究。1996年，建成了额定功率为5 kW的BBDB-OWC电站，最大记录功率为5.7 kW[10]。近些年来，中国海洋大学对长方体BBDB的腔体结构进行了研究，并建立了三维数学模型来分析其水力性能。广州能源研究所开发了几种不同形状的BBDB模型，并进行了二维和三维波浪水槽试验，结果表明，在条件相同的情况下，其捕能宽度比远大于以往文献所述的其他类型装置[7]。广州能源研究所还提出了一种基于BBDB原理的波浪动力船，并将其电力成本与文献中的Mighty Whale进行了比较，结果显示，在同等规模下，BBDB波浪动力船的建造费用约为“巨鲸”的1/3[10]。

从2007年开始，广州能源研究所对鸭式装置开展了研究。2009年，一个装机容量10 kW的鸭式装置正式下水，进行了第一次实海况试验，验证了装置的高效性。2010 年对改造后的装置进行了第二次实海况试验，解决了浮态问题[6]。2013年，又采用多级液压模型系统开发了一套100 kW鸭式波能转换系统，并进行了测试。当波浪较小时，启动30 kW发电机组；在中等波浪条件下，启动70kw发电机组；当波浪较大时，启动2台机组，额定功率为100 kW[14]。

另一种较为典型的振荡体式装置是由广州能源研究所研发的鹰式装置。2012至2014 年，鹰式波浪能发电装置概念样机10 kW“鹰式一号”装置在珠海万山海域开展海试，初步验证该型半潜式装置具有较高的效率，良好的环境适应性和工程便利性。2015年11月，鹰式波浪能发电装置工程样机100 kW“万山号”装置(见图4)在珠海万山海域开展试验，截至2016-06-27日，“万山号”已开展不同海况的试验，历经小浪、中浪、和大浪多种海况，取得了阶段性试验数据与成果[15]。

图4 100 kW“万山号”装置

中国海洋大学设计了一种新型的波能装置，称为圆形斜坡越浪式波能转换装置(Circular Ramp Overtopping Wave Energy Converter ，CROWN)。该装置由一个圆形的蓄水池组成，蓄水池周围围绕着一个环形斜坡，用于波浪爬升和越过。在斜坡上设置导叶，用于聚集波浪，提高流量。波浪可以从所有入射方向越过斜坡进入蓄水池，水池底部开有通道与海水相连，通道内设置低水头轴流式水轮机用于发电。该装置在中国海洋大学山东省重点实验室波浪水槽中进行了物理模型实验，为进一步的研究提供了依据[16]。

3 当前波浪能发电技术存在的问题及解决思路

尽管经过多年发展，波浪能发电技术取得了一定的成就，但大多数波浪能系统仍处于开发的早期阶段，只有少数装置在实海况下进行了试验，波浪能的商业利用率仍然很低。当前波浪能发电技术还存在诸多问题，主要有发电效率低、生存可靠性差、发电成本高等。为了实现波浪能发电装置大规模商业化，需要想办法解决或改善这些问题。

1)针对波能转换装置发电效率低的问题，可以通过优化捕能装置水动力结构和动力输出系统参数配置，减小整个装置在波浪能俘获和能量转换环节中的能量耗散；也可以采用控制方法(如相位幅值控制、无功控制、闭锁控制和离合控制等)对装置实时控制，以提高发电效率。其中，武汉大学对船体摆式捕能装置侧面形状进行了优化，并指出椭圆形船体能够获得更大的纵摇水力矩，捕能效果更好[17]。武汉大学还对液压PTO进行了综合性能试验，分析了其能量转换效率，提出了综合特性曲线用以指导PTO的设计和高效稳定运行[18]。另外，武汉大学还创新地提出了主动共振波能利用技术，通过调整波能装置的刚度，使波能系统的自振频率与波浪频率一致，实现装置与波浪共振，进而有效提高装置的取能效率[19-21]。

2)针对波能转换装置生存可靠性差的问题，一种思路是将活动部件封装在腔体内，与海水隔离，从而避免海水腐蚀及水生物附着。采用这种思路的装置包括SEAREV、VAPWEC以及武汉大学的主动共振式装置[20-21]等；另一种思路是考虑在极端海况下，将波能转换装置的活动部件抬离海面或沉入水底，以避免恶劣海况的冲击。如Wavestar装置可收缩液压杆将浮体抬离水面，鹰式“万山号”可通过对其半潜驳船式的基座注水将鹰嘴沉入水底。

3)与其他可再生能源相比，波浪能技术还存在成本高的问题，这也是波浪能发电装置商业化面临的最大挑战[9]。近些年来，越来越多的研究者聚焦于混合系统(即多能互补系统)上，将风力发电(或光伏发电)和波浪能发电结合起来，以便从海上获取更多能量并减少初始投资。混合系统的优点在于能量输出的密度更高、能够较为平滑地接入电网以及减小了单一资源的波动性对能量输出的影响。如果发电机共享相同的基础设施，就有可能降低初始安装成本[3]。

除此之外，波浪能发电装置的设计和部署还要考虑对环境的影响，虽然波浪能是一种清洁能源，波浪能装置在运行时不会产生温室气体，但如果部署不当，仍会对周围的海洋生物及植物造成负面影响。

针对当前波浪能发电技术存在的问题，武汉大学经过多年的研究，提出了具有完全自主知识产权的浮力摆式主动共振波能转换装置。该装置利用完全浸没于水下的浮力摆在波浪激励下绕水平轴摆动进而带动发电机发电，并通过调整浮力摆内部配重的上下位置改变其静水回复力矩和转动惯量，同时调节等效刚度和等效惯量以改变自振频率，实现浮力摆与波浪的共振。目前，已对该装置的模型样机开展了一系列波浪水槽试验。研究和试验结果表明该装置已具备实现宽频带全海况共振取能和高效发电的客观条件，且其生存可靠性高、结构简单、自身动力需求小。首先，该装置可大范围调节浮力摆等效刚度(理论上等效刚度可以调节到0)和等效惯量，保证宽频带全海况共振，可以有效提高发电效率；其次，该装置除摆体外其他运动部件不与海水接触，可靠性高，且通过增加浮力摆的下潜深度，就可避免恶劣海况下的波浪冲击；最后，浮力摆和内部配重的整体质量大，浸没在水中时，其垂直方向上所受重力和浮力的合力小，因此其在水中上升发电和下潜避浪时自身所消耗的动力小。

4 结 语

海浪能是世界上最大的未开发和可预测的可再生能源之一，可用于满足当前能源危机形势下的能源需求。虽然已经有很多国家对波浪能发电技术展开了研究，但距离实现波浪能发电商业化仍有很长的路要走。近些年来，随着计算机软件和应用程序的发展，对于波浪条件的预测和模拟更加精确，对于波浪资源潜力的描述也更加可靠。数值模拟与计算流体力学相结合，可用于测试大型原型装置及改进新技术。仿真与模型试验相结合大大提高了新兴波浪能源产业的效率，对于开发和改进波浪能装置具有重要的意义。此外，随着研究的深入，风光浪等多能互补系统会越来越展现出其优越性，将成为以后的研究热点。