波浪能在航船上的应用分析

杨庆勇，李博洋，郭 超，杨倩倩

（1. 交通运输部北海航海保障中心青岛航标处，山东青岛 266011；2. 青岛科技大学，山东青岛 266061）

0 引言

世界各国能源需求量与日俱增。石油、煤炭等传统化石资源被大量消耗，生态环境遭受破坏，特别是温室气体的排放，导致全球气候逐渐变暖。人们寻求新的可替代能源的步伐不断加快，世界各国也纷纷出台各种节能减排的措施。

在船舶业，随着国际海事组织（IMO）对船舶废气排放标准愈发严格，寻求新的船用可替代能源也日益加紧。目前，太阳能、风能等清洁能源在商船上应用取得一定的应用效果，而波浪能对船舶而言也是一种储量丰富的可再生清洁能源，其应用在船舶上有着得天独厚的优势，若能将波浪能发电技术应用在航行船舶上，将会降低船舶能源损耗，实现绿色航运。

1 海洋波浪能利用技术的应用

1.1 海洋中波浪能利用技术的发展概况

1910年，法国人制造出一种气动式波浪能发电装置，该装置可产生近1 kW的电量。1970年，在石油危机的刺激下，英国率先将波浪能发电技术作为解决能源短缺的重要方式，积极探索应用。1985年，中国新能源研究所研发出新一代航标灯用波浪能利用装置，并随后大批量应用于我国海域的航标灯中。1985年，挪威投资建设了振荡水柱式波浪能发电站，该发电站的发电功率高达500 kW，这是波浪能发电站实用化的开端。2005年，“海蛇”和“巨蟒”波浪能发电装置相继完成了海上试验，这是波浪能利用技术成熟的标志[1]。而在这种发展趋势下，波浪能装置的研究现状主要呈现出以下三个特点：第一，装置多样化。有许多外界因素影响海水发生波动，如海风、大气压、海底地震以及航行船舶的运动等。为更好的应对海水受外力影响的变化，波浪能发电装置也呈现出多样化。第二，装置规模化。由于在海洋中单位体积海水产生的波浪能相对较小，波浪能装置采用阵列式布置，以增加装置规模的方式进而提高发电总量。第三，装置耐用性能有所提高。海洋中的波浪有时波涛汹涌，有时轻摇慢拍，海况的复杂程度远不是通过模拟和试验就能分析出来的，因此，当前的波浪能利用装置大多都经历了海上耐用性测试。

1.2 波浪能应用优势

海洋占全球总面积的70%，在海洋中，海浪的冲击力是非常巨大的，利用波浪能发电是明智之举。对比传统发电方式，波浪能发电有显著的优势，主要表现在：第一，波浪能资源丰富。与化石燃料相比，波浪能在海上以机械能形式存在，是海上分布面积最大的可再生能源。第二，成本低。在近海岸，普通海况下波浪能的发电成本大约是 0.05美元/（kW·h），波浪能的发电成本仅占传统发电方式发电成本的四分之一。第三，符合节能减排要求。传统发电如火力发电，会释放出大量二氧化碳和硫化物气体，破坏生态环境，而波浪能发电无需燃烧原料，不会产生温室气体，降低能源损耗和环境污染，从而实现节能减排[2]。

2 船舶波浪能利用技术的应用分析

2.1 船舶上的应用概况

1977年，日本制造出波浪能发电船“海明”号，该发电船年发电量约为19万度，并于20年后成功制造出波浪能发电船“巨鲸”号，见图 1，该发电船利用海浪的运动，在气室中形成气压，进而推动涡轮机运动，实现发电过程。

图1 “巨鲸号”振荡水柱式波浪能发电船

克里斯托福·科克勒尔在两艘趸船之间连接液压装置，通过两艘船之间的摇晃进而推动液压装置产生动力，从而完成对波浪能的利用，并于1980年首次在筏式波浪能利用技术中取得成果。

20世纪末，瑞典制造出漂浮式波浪能发电船，该船是利用海浪的运动，使船体内部质量体发生移动，驱动液压装置实现发电机发电，该发电船受潮差影响小，能够适应大多数恶劣海况。

2011年，美国波士顿大学研究员安德雷·夏伦制造了一种拥有自航能力的波浪能发电船[3]，见图 2。这种波力发电船能够自动返回港口躲避恶劣海况，这种发电船的锚泊装有发电装置，可以将波浪能通过锚泊转换成电能储存。日本波浪能发电专家益田善雄先生提出后弯管波浪能发电装置，率先将该装置应用于航标船上，该发电装置管内水柱形状为L型，可以同时吸收摇摆与振荡两种形式能量。这就是“中水道1号”航标船的原型。在普通海况下，该发电装置的平均输出功率可超过50 W。

图2 安德雷·夏伦设计的波浪能发电船

我国对波浪能利用装置在船舶上应用的研发在20世纪70年代正式开始，起步虽晚，但成果非常可观。1975年，上海机电局成功制造出一种功率可达1 kW的波浪能发电浮标并在浙江嵊泗列岛试用成功。1990年，我国成功制造出一种利用振荡水柱波浪能发电的导航船“中水道1号”，并完成了1年的海上试验。2020年6月，中科院设计制造出超过500 kW发电功率的鹰式发电装置“舟山号”，见图3。

图3 500KW鹰式波浪能发电装置“舟山号”

由此可见，关于将波浪能发电装置应用在船舶上，许多国内外学者虽给出了一些设计方案和应用方式，并研究出一些有益的成果，但这些应用装置大多是用于无动力的趸船或海洋平台，无法实际应用于航行中的船舶，即使将发电装置应用在航行中的船舶上，也会给船舶航行造成额外阻力，无法真正在船舶航行过程中实现对波浪能的利用。

2.2 航行船舶对波浪能的应用分析

通常情况下，若是在船舶航行时对波浪能进行利用，波浪能利用装置需要与水面进行直接接触，这无疑是增大了船舶与水面的接触面积，给船舶航行带来额外阻力，同时也有可能因为装置重量给船舶稳定性带来影响。因此，在航行的船舶上应用波浪能装置要考虑以下问题：首先，要保证发电装置产生的能量高于船舶因阻力所损耗的能量。其次，要降低装置安装后对船舶稳性造成的影响。

针对上述问题，有学者利用船舶航行时横摇和纵摇运动产生的大量机械能，提出了一种波浪能发电装置[4]，见图 4。该装置主要包含横摇导轨、纵摇导轨、横摇发电机和纵摇发电机等。当船舶航行发生纵摇运动时，纵摇发电机在自身重力的作用下沿着纵摇导轨滑动，进而带动纵摇发电机发电。同理，当船舶发生横摇运动时，横摇发电机也会产生电量。该装置在船舶上成对安装，对称布置在船舶的左右舷上。

图4 在利用航行船舶纵摇和横摇的波浪能发电装置

该装置实现了航行的船舶在横摇或纵摇过程中对机械能的利用，解决了船舶航行过程中难以利用波浪能的难题，为船舶航行提供了部分动力，或者用于船舶照明等，降低船舶能源损耗，有利于实现船舶节能减排。除此之外，将该装置对称安装在船舶左右舷或者船舱内，有效减小了装置对船舶稳定性的影响。这为波浪能装置在航行船舶中的应用，提供了依据。

船舶航行过程中，船体存在六个自由度运动，对于船舶所蕴含机械能的利用，该装置仅仅利用船舶横摇和纵摇两种自由度的机械能。另外，还可以同时利用船舶其它自由度的机械能或多种自由度的机械能，也可利用波浪对船体的冲击能，或是甲板上浪后，甲板上海水所蕴含的势能等多种能量形式。所以针对不同形式波浪能的回收，可在船舶不同位置处安装不同类型发电装置，以达到波浪能利用的最优化。

中国是航运大国，船舶数量众多。若能将波浪能利用装置在这些船舶中应用，将有效的把航行过程中船舶产生的机械能转换使用，实现了对海洋波浪能的间接利用，有利于船舶的节能减排，实现绿色航运[5]。

3 结束语

综合概述了波浪能利用技术的发展概况，介绍了国内外波浪能利用装置在船舶上应用的实例，分析了波浪能装置应用在航行船舶上的难题并提出解决方案。

随着波浪能发电技术研究的深入发展，波浪能发电装置在船舶上的应用已经历了理论设计、装置发明、仿真模拟、海上试验等阶段。受环境条件影响以及技术手段制约，该技术在航行船舶上尚未广泛应用。随着国家“海洋强国”计划的实施，在国家相关政策的支持下，波浪能发电技术将得到迅速发展，技术手段也会愈发成熟，未来将会大规模应用在航行船舶上，实现船舶的节能减排。