基本介紹
- 中文名：波力發電
- 屬性：一種清潔的可再生能源
- 最早開發國：法國
- 研究中心：英國
原理,簡介,歷史,趨勢,波能特點,轉換類型,商業化開發,新技術,科研方向,
原理
波力發電的原理主要是將波力轉換為壓縮空氣來驅動空氣透平發電機發電。當波浪上升時便將空氣室中的空氣頂上去，被壓空氣穿過正壓水閥室進入正壓氣缸並驅動發電機軸伸端上的空氣透平使發電機發電。當波浪落下時，空氣室內形成負壓，使大氣中的空氣被吸入氣缸並驅動發電機另一軸伸端上的空氣透平使發電機發電，其旋轉方向不變。從中排出的空氣進入負壓氣缸，再穿過負壓水閥室併到達負壓空氣室。由於正、負壓水閥室相當於逆止閥的作用，正、負2條迴路互不干擾。用水閥作為逆止閥的原理是利用壓力差，壓力空氣只能單向通行。
簡介
波力發電是一種開發海洋能源技術，是將海洋波力能轉換為電能的發電新技術。波力發電是海洋開發重要內容，它開發的是一種清潔的可再生能源，取之不盡、用之不竭，發展前景廣闊。
世界上波力發電設備開發最早的國家是法國(1910年)。後來英國、挪威、印度、日本等相繼開發。英國波力發電的開發目標是容量為2GW的設備，並使它與陸地電網系統併網，現已完成這個研究項目。英國的75 kW這種設備自1992年以來已營業運行至今。挪威的350 kW這種設備從1985年以來也已營業運行至今。挪威1984年投運的500kW和印度投運的150 kW這種設備在完成驗證試驗以後現已停運，總結經驗。日本自1965年以來投運了12台這種設備，除了用於驗證試驗外，還有4台作商業營運至今，其最大容量為130kW。現在世界上已有2 000多台這種設備，最大的是500 kW。世界上最新投運的是日本東北電力公司原町火電站南部防波堤上裝設的130 kW這種設備，1996年9月投運以來成為日本當前容量最大的這種設備。它的能量轉換箱體為20m×24 m×24 m，屬於固定式防波堤型。最新投運的另一套設備則屬於可動式浮體型，1998年5月建造，7月投運，位於日本三重縣度會郡南西町，外型尺寸為50m×30 m×13 m，很像個大鯨魚浮在水面上(該處水深40 m)，其容量120 kW。
歷史
最早的波浪能利用機械發明專利是1799年法國人吉拉德父子獲得的。1854－1973年的119年間，英國登記了波浪能發明專利340項，美國為61項。在法國，則可查到有關波浪能利用技術的600種說明書。
早期海洋波浪能發電付諸實用的是氣動式波力裝置。道理很簡單，就是利用波浪上下起伏的力量，通過壓縮空氣，推動汲筒中的活塞往復運動而做功。1910年，法國人布索．白拉塞克在其海濱住宅附近建了一座氣動式波浪發電站，供應其住宅l 000瓦的電力。這個電站裝置的原理是：與海水相通的密閉豎並中的空氣因波浪起伏而被壓縮或抽空稀薄，驅動活塞做往復運動，再轉換成發電機的旋轉運動而發出電力。
60年代，日本研製成功用於航標燈浮體上的氣動式波力發電裝置。此種裝置已經投入批量生產，產品額定功率從60瓦到500瓦不等。產品除日本自用外，還出口，成為僅有的少數商品化波能裝備之一。
該產品發電的原理就像一個倒置的打氣筒，靠波浪上下往復運動的力量吸、壓空氣，推動渦輪機發電。
有關專家估計，用於海上航標和孤島供電的波浪發電設備有數十億美元的市場需求。這一估計大大促進了一些國家波力發電的研究。70年代以來，英國、日本、挪威等國為波力發電研究投入大量人力物力，成績也最顯著。英國曾計畫在蘇格蘭外海波浪場，大規模布設“點頭鴨”式波浪發電裝置，供應當時全英所需電力。這個雄心勃勃的計畫，後因裝置結構過於龐大複雜成本過高而暫時擱置。80年代，日本“海明”波浪發電試驗船取得年發電19萬度的良好成績，實現了海上浮體波浪電站向陸地小規模送電。日本已將“海明”波浪發電船列為“離島電源”的首選方案，繼續研究改進。
中國波力發電研究成績也很顯著。70年代以來，上海、青島、廣州和北京的五六家研究單位開展了此項研究。用於航標燈的波力發電裝置也已投入批量生產。向海島供電的岸式波力電站也在試驗之中。
趨勢
當前波力發電設備主要分為二種：振動型(波浪上下振動)和移動型(波浪平移)。振動型包括水柱型、浮體型、固定型、可動型等4種；移動型基本上就是一種低水頭髮電站，此時利用大壩和轉槳式水輪機。當前的發展趨勢是水柱型，因為開發套用了先進的水閥室作為逆止閥，而以前常用風門作為逆止閥，經常受到反覆衝擊，容易損壞；另一趨勢是開發固定式防波堤型，既便於建造，又能與防波堤結合，可以綜合利用；第三個趨勢是進一步降低造價。當今世界波力發電成本基本上接近於普通電價，出於競爭，還應繼續努力進一步降低，主要是改進設備，對於日本，波能存貯量高達50GW，而波力發電比普通電價高出數倍，在降價方面，任重道遠。
波能特點
波浪由風引起，但地震、火山爆發也可引起（海嘯）。至於地球與月球的引力引起的大波浪，習慣上已列入潮汐的範疇。在數千km外由風暴引起並經長距離傳遞過來的波浪叫涌浪；在風的直接作用下產生的波浪叫風浪。波浪的特點是力大、低速（周期為幾秒）、能流密度低，做無規則的往復運動。波力巨大擎入，大波浪可把重達130t的岩石拋到高達20m的岸上。波浪能流密度雖低，但其橫向作用產生的能量密度很高，且沿海岸線分布，有利於開發大功率波力發電站。全球的波能如能全部轉換為電能，則每年可達23650億kWh。當波高為2m，波浪起伏周期為2.5s時，發電功率為24kW。波高3m、周期11s時為130kW。
由於波浪運動不規則，只能採用統計學來處理數據，可將波能E用下式表達（波浪橫向長度為1m時的波能平均值）：
E=0.5·（H1/3）2·（T1/3）， kW/m
式中H1/3和T1/3分別為波高H和波周期T的算術平均值，單位分別為m和s。
計算表明，日本近海的波能平均值為7kW/m，其岸線總長約5200km，日本波能總共約為3600萬kW。而我國僅大陸岸線長就達1.8萬km，還有島岸線長1.4萬km，波能總計約達22400萬kW。
轉換類型
至今為止，全球申請波力發電專利已超過千項，其中有20多種進行過海上試驗，被較多採用的基本上屬於下列3種類型：①空氣能——波浪能量是一種衝擊動能（與利用勢能的潮汐發電不同），無法直接帶動旋轉的發電機發電，必須進行能量轉換。而把波浪能轉換為空氣能是最為廣泛套用的一種，即波浪衝擊擠壓空氣室中的空氣，壓縮空氣驅動氣力渦輪機，再帶動發電機發電。②機械能——將波浪能轉換為機械能時可通過油壓進行，即波力衝擊振子，振子泵油形成壓力油，油壓驅動馬達旋轉，並帶動發電機發電。③水位能——將內 海水的水斗通過連桿機構固定在岸基上，而水斗浮在水面上，被浪衝擊推舉水斗上升後，被連桿折翻並將斗內海水越過堤壩倒入水庫，多次反覆作用，就如同潮汐發電那樣利用水庫和海面之間的水位差來傳動低水頭髮電機發電。
商業化開發
1、日本
</strong>海洋波能的開發利用已有百年歷史。法國是世界最早的（1910年），雖然日本開發較晚，但後來居上，且實現商業化較多。自60年代以來，日本就投運12台波力發電設備，除了用於驗證試驗外，還有4台作商業運營至今。目前，這種電站在日本已建造1000多座。其中1996年9月投運的固定式防波堤型130kW波電設備是日本最大的，它的能量轉換箱體長20m、寬24m、高24m，共2個，帶有8個空氣室，1個異步型空氣透平發電機，與6kV電力系統併網。最近，日本又投運另一種型式波電設備，即可動式浮體型，長50m、寬30m、高13m，像個大鯨魚，浮在水面上，其容量120kW。已於1998年7月投入商業運營。80年代年，日本還在酒井港建造一座200MW的波電站，經海底電纜送電。
2、英國
與日本同屬島國的英國也十分重視波能研究開發，80年代就已成為世界波能研究中心，90年代初在蘇格蘭的2個島上分別建造了振盪水柱式和岸基固定式波電站。英國發明的專利——韋爾斯氣動渦輪機可在2種相反方向海流作用下做單方向旋轉，現已各國推套用。1999年，英國海洋電力傳輸機構與蘇格蘭再生能源公司簽訂15年的電力購買契約，定於2002年8月完成並交付使用。該電站建在蘇格蘭西岸，發電設備採用半浸水式全交接結構，外形很像許多圓筒（直徑3.5m）軸向串聯一起，總長約130m，筒與筒之間設有液壓活塞，在海浪作用下，通過存貯器將高壓油壓入油壓發動機，並驅動發電機發電。輸出功率為750kW，這是目前世界上最大的波電設備。存貯器能保證持續平滑的功率輸出，其平衡性可與柴油發電機比美。而設備的運行則與現代的風力發電機很相似。現在英國已完成功率高達2GW的波電設備研究項目。75kW的這種設備自1992年以來商業運營至今。90年代還在模里西斯建造一座20MW的大型波電站。
3、挪威
挪威也是開發利用波能較早的國家，與1985年在托夫特斯塔林建造的500kW波電站是上個世紀容量最大的。後來又在該地增設350kW電站。90年代初建造了用於印尼和澳大利亞的1400kW這種電站2座。挪威發明了多諧振振盪水柱和減速槽道新技術，已被廣泛套用，其為塔普昌建造的波電站350kW，採用了少見的水位能轉換式，堤後貯水池水面高出海面3m～8m，水輪機設計水頭3m，流量14～16m3/S。從1988年起挪威幫助印尼在巴厘島建造1500kW波電站，並擬建數百座以便實現聯站併網。
4、中國
中國海域遼闊，總面積470萬km2，海岸線曲折漫長，大陸岸線1.8萬km，海島岸線1.4萬km，海浪能源豐富，年均波力功率在3kJ/m以上。我國波電開發較晚，1975年製成1kW波電浮標，在浙江省嵊山島試驗。自1985年起，我國研製了多種小型產品，其中有600多台作為航標燈用，並出口到日本等國。後來開發了20kW岸基固定式、5kW漂浮式、8kW擺板式等波電站。90年代，中科院廣州能源所在廣東汕尾建造100kW岸基固定式波電站，於2000年建成發電。後來，廣州能源所又在山東、海南、廣東建造了3座1000kW級這種電站。
近年來，中國經濟發展迅速，因此能源緊缺，電力不足。由於水電周期太長，還存在淹汲、移民等問題；而火電燃料有限，且存在溫室效應問題；另外核電成本太高，存在安全問題。所以國家非常重視清潔的可再生能源的開發利用，如風力發電、海洋發電等。針對國情，加大力度和投入，發展波電更為有利，可以聯站併網，發揮密集型特點，實現群體化，可操作性很強。
此外，還有印度、印尼、西班牙、葡萄牙、瑞典、丹麥等30多個國家、地區也在大力開發波電，從幾百kW到幾十MW，且容量不斷增大，正以10%以上的年增長率迅速發展。
新技術
在波能開發利用的百年史中，雖然專利發明多達千項，而且試驗成功，但被採用的為數不多，其中主要項目如下。
1、對稱翼型葉片
</strong>70年代由英國韋爾斯發明，其空氣驅動的渦輪葉片截面呈對稱型，像一條魚，與汽輪機葉片或螺旋槳葉片不同，當波浪起伏往返運動而使氣室中的氣流來回流動時，這種對稱翼葉片可在相反方向氣流作用下仍然保持旋轉方向不變，這種自整流特性類似帆船的風帆，儘管風向多變、調節風帆迎角即可使船航向不變。具有這種葉片的氣輪機已被廣泛採用。
2、多共振振盪水柱
在空氣室前加上引浪口，使波浪衝進空氣室內的水柱與波浪的起伏衝擊之間產生諧振，使裝置吸收的波能增多，即用較窄迎波口便可吸收較寬的範圍的波能，從而提高發電效率和降低成本。這種新技術首先用在挪威的500kW大型波電站。
3、相位控制
</strong>這也是由挪威提出來的，它通過控制能量轉換機構（如水柱、浮體、擺板等）的運動相位，使其與波浪作用力的相位相適應，以便更有效地吸收波能，從而達到減小設備尺寸、提高效率的目的。
4、水閥整流
</strong>這是日本東北電力公司提出來的，是在權衡是否採用韋爾斯（氣流方向來回變化時氣輪機旋轉方向不變）氣輪機後，決定大膽採用這個新概念新技術，即在氣流迴路中設定正、負2個水閥室來取代過去常用的風門式逆止閥，這種風門經常受到反覆衝擊而損壞，而新型水閥可靠性高、便於維護。波峰時，壓縮氣流通過正壓水閥後驅動氣輪發電機軸端的轉輪旋轉；波谷時因負壓作用從大氣吸氣空氣流又驅動另一軸端的轉輪旋轉，但方向不變，即氣輪機的轉輪有2個，分別裝在發電機軸兩端，正壓氣流排到大氣；負壓則從大氣吸入氣流，分別先後驅動各自轉輪，而發電機轉向不變。與韋爾斯轉輪比，多設2套水閥室，然而設備效率提高了，運行可靠性提高了，而且便於維護。因為對稱翼型槳葉的效率不如通常的不對稱翼型；取消風門後就減少了活動機械的磨損、損壞等故障。正、負壓水閥都相當於逆水閥，兩條迴路各不干擾。
5、發條蓄能
這是中國雲南師範大學能源處發明的，非常簡單適用。波浪衝擊活塞，活塞連桿帶動拐臂擰緊彈簧發條蓄能器，發條持續帶動大齒輪，並傳動與其嚙合的小齒輪，小齒輪固定在發電機軸伸端上，從而發電。傳動原理類似鐘錶。活塞連桿上套有壓縮彈簧，波峰時活塞壓縮彈簧，波谷時彈簧將活塞推回原位。整套設備裝在漂浮箱體內，固定在堤壩上，可上下浮動，但活塞始終迎向波浪，充分吸收波能。實現群體化可形成防洪大壩，一舉兩得。
6、其他創新
</strong>最近英國國家工程實驗室研製一種蝸牛形中空風箱泵式海浪發電機，裝機容量1.10MW，已試驗成功。美國能源部技術研究所最近研製一種可將海水擠壓到岸上蓄水池的波電系統，再按水位差進行低水頭水輪機發電，容量為414kW。日本開發了新型產品，用於無風海岸，波力發電用於海水淡化處理。美國佛羅里達水電公司發明一種中心敞開式水輪機可用於波力發電。瑞典進行了30kW軟管泵式波電設備試驗，並在西班牙建造1000kW波電站。
科研方向
在波浪發電的百年發展中都伴隨著試驗、研究和探索。波力發電已由航標燈用小型化發展到與電力系統併網的中、大型化，由試驗驗證時代發展到商品化、商業化和國際貿易化。全世界已經確認波電是海洋能源開發利用的重要項目，是清潔無污染的可再生新能源的主要組成部分。今後的發展面臨的主要科研課題如下：
1、耐久性
</strong>它比效率的提高還重要。波浪隨季節和時間而變，甚至每月、每天、每小時都在變，短時間變化尚能適應，長期變化仍有困難，設備的疲勞破壞承受能力、耐久性和使用壽命，是第一位的難題。
2、蓄能性
</strong>波電的能量存貯要求方便、價廉、用汽車電池存貯雖然價廉，然而容量有限；最好是壓縮空氣蓄能，不僅價廉，而且適應於大容量化。
3、高效率
</strong>雖然比不過耐久性重要，但提高效率仍是永恆的課題，特別是波能轉換效率，潛力仍然很大。
4、低成本
</strong>波電設備雖很簡單，但其造價仍然較高。日本最新型130kW設備，沉箱6億、發電設備5億，共11億日元。造價較高。計算表明，10MW波電成本約為17.3～33.1日元/kWh，成本也高。但是形成規模，實現群體化，增大容量，>10MW時成本就會降低。
5、安全性
波電設備應能在與風暴有關的大浪中自動解列，以免過載或遭受破壞。最好設有阻尼裝置以免設備移動、損壞。
