波浪力發電

波浪力發電是指將波浪力轉換為壓縮空氣來驅動空氣透平發電機發電。利用海洋表層海水在風裡的作用下波動所蘊藏的能量。

基本介紹

• 中文名：波浪力發電
• 外文名：wave activated power generation
• 原理：波浪力轉換為壓縮空氣
• 裝置：振盪水柱式、越浪式等
• 意義：具有現實和戰略意義
• 存在問題：成本、效率等

現狀

波浪力是海洋能利用研究中近期研究最多、政府投資項目最多和最重視的一種能源。目前，波浪力開發利用技術趨於成熟，已進入商業發展階段，將向規模利用和獨立穩定發電方向發展。波浪發電是波浪力利用的主要方式，可以為邊遠海和海上設施提供清潔能源。

自20世紀70年代世界石油危機以來，各國不斷投入大量資金人力開展波浪力開發利用的研究，並取得了較大的進展。日、英、美、澳等國家都研製出套用波浪發電的裝置，並套用于波浪發電中。我國對波浪力的研究、利用起步較晚，目前我國東南沿海福建、廣東等地區已在試驗一些波浪發電裝置。

原理

波浪力發電原理主要是將波浪力轉換為壓縮空氣來驅動空氣透平發電機發電。波浪力的轉換一般有三級。第一級為波浪力的收集，通常採用聚波和共振的 方法把分散的波浪力聚集起來。第二級為中間轉換，即能量的傳遞過程，包括機械傳動、低壓水力傳動、 高壓液壓傳動、氣動傳動，使波浪力轉換為有用的機械能。第三級轉換又稱最終轉換，即由機械能通過發電機轉換為電能。

發電裝置

據統計，全世界有近萬座小型波浪力發電裝置在運行，主要用於航標燈、浮標等。早在1799年法國人吉拉德父子就提出了波浪力裝置專利。目前利用海洋波浪發電的方法大致有三種：一是利用海洋波浪的上下運動所產生的空氣流，使氣輪機轉動，從而帶動發電機發電；二是利用海洋波浪力裝置運動（直線運動、轉動）的機械能轉化為電能；三是利用波浪力將水引入高位水池積蓄起來，形成一個水頭，再來衝擊水輪機發電。

1、振盪水柱式波浪力發電裝置

振盪水柱波浪力發電裝置（Oscillating Water Column，OWC）利用一個與海水相通的氣室，波浪作用下氣室內的水柱往復運動，氣室內空氣容積發生變化，進而由空氣驅動葉輪，帶動發電機發電。優點是能量轉換裝置（氣輪機等）不與海水接觸，可靠性較高，缺點是效率較低。

振盪水柱波浪力發電裝置包括固定式(Fixed-structure OWC)和漂浮式(Floating-structure OWC)。固定式振盪水柱波浪力發電裝置通常被安裝于海底或岩石基上，如圖所示。固定式振盪水柱裝置由一個部分淹沒于海底的混凝土或鋼結構與自由水平面共同構成一個氣室。波浪造成自由水平面的波動，從而使氣室內的空氣波動，空氣流過渦輪機驅動發電機發電。

該裝置發電具有代表性的有：

①英國LIMPET 500，1998年開始建設2000年8月建成，裝機功率500kW；

②葡萄牙於1996～1999年建設Pico，裝機功率400kW；

③印度於1991年建成Vizhinjam，裝機功率150kW。

2、越浪式波浪力發電裝置

越浪式波浪力發電裝置是利用水道將波浪升至高水位水庫形成水位差，利用水位差產生的勢能直接驅動水輪發電機發電。挪威波能公司(Norwave A.S)於1986年建造了一座裝機容量為350kW的收縮波道式波浪力電站TapChan，見圖。電站的技術關鍵是它的開口約60m的喇叭形聚波器和長約30m的逐漸變窄的楔形導槽。

此外，丹麥科學家Erik Friis-Madsen在20世紀80年代發明了漂浮式波浪力發電裝置WaveDragon，西班牙聖地亞哥聯合大學將漂浮式波浪力發電裝置與船相結合研發了WaveCat波浪力裝置。

3、運動式波浪力發電裝置

運動式波浪力發電裝置利用波浪的運動推動波浪力發電裝置的活動部分產生往復運動（直線、轉動），驅動機械系統或液壓系統，最後驅動發電裝置發電。

⑴振盪浮子式發電裝置

振盪浮子式波浪力發電裝置利用海洋波浪的運動推動浮子產生直線往復運動，驅動機械系統或以油、水等作為中間介質的液壓系統，進而帶動發電機發電。目前國外已建成的振盪浮子式波浪力發電裝置有：加拿大的AquaBuoy裝置、荷蘭的阿基米德波浪擺、美國的PowerBuoy裝置及澳大利亞的CETO，分別見圖說明。

⑵點頭鴨式發電裝置

點頭鴨式裝置由英國Salter教授發明，如右圖。鴨體在波浪作用下繞轉動軸往復轉動時，裝置的後部因為圓弧形，不造出向後行進的波，故點頭鴨式裝置的背後往往為無浪區——這使得鴨式裝置可以將所有的短波攔截下來，所以它具有較高的一次能量捕獲效率。

廣州能源所從2007年開始了鴨式技術的研發，2009年進行了10kW裝置的實海況試驗，在此基礎上研發出鷹式波浪力發電技術，主要包括三個部分，鷹式吸波浮體、液壓能量轉換系統和半潛船體，實驗室試驗測得波浪力到液壓能轉換效率超過60%，見下圖所示。

2012年12月進行10kW“鷹式一號”裝置海上試驗，2014年5月回收，裝置在無人值守的條件下單次無故障連續運行超過6個月。下圖為目前正在運行的100kW級“萬山號”鷹式波浪力發電裝置的結構圖。

⑶擺式發電裝置

擺式波浪力發電裝置發電原理為利用擺在波浪力的作用下作往復擺動從而捕獲波浪力量，通過與擺相連的機械結構或液壓系統轉換將擺的動能和勢能轉換為機械能或液壓能，進而轉換為電能。

擺式波能裝置也可分為懸掛擺式和浮力擺式兩種。日本的度部富治教授最早提出了擺式波浪力發電技術的概念，見圖。日本室蘭工業大學於1983年建造了世界上首台懸掛擺式波浪力發電裝置，其裝機容量為5KW。

英國的Aquamarine Power公司和女王大學合作研發的Oyster裝置是目前最為成功的浮力擺裝置，Oyster的設計工作水深10～15m，離岸約500m，浮力擺鉸接於位於海底的基礎上，頂部露出平均水面。裝機功率315 kW的第一代Oyster裝置（下圖左）於2009年開始海試(擺寬18m，高12m)，已累計運行6000多小時。目前，AquamarinePower公司正在開發總裝機功率2.4MW的大型波浪力電站，擬建3座裝機功率800kW的第二代Oyster裝置（下圖右）(擺寬26m，高12m)，項目建成後將能滿足2000多戶居民的用電需求。

我國波浪發電裝置專利

遼闊的海洋蘊含著巨大的能量，在漲潮落潮的潮汐以及海浪過程中就蘊含著大量的動能，如果將這些動能轉變為電能將為人類提供充足的能源。波浪力是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪力具有能量密度高、分布面廣等優點，是一種可再生清潔能源。而波浪發電是利用波浪力的主要方式。

我國沿岸波浪力資源理論平均功率約1285萬千瓦，具有良好的開發套用價值。我國的波浪發電產業雖然起步較晚，但發展勢頭良好。微型波浪發電技術已經成熟，小型岸式波力發電技術已經進入世界先進行列。

我國首座波力獨立發電系統汕尾100千瓦岸式波力電站於1996年12月開工，2001年進入試發電和實海況試驗階段，2005年首次實海況試驗獲得成功。該電站建於廣東省汕尾市遮浪鎮最東部，為併網運行的岸式振盪水柱型波能裝置，設有過壓自動卸載保護、過流自動調控、水位限制、斷電保護、超速保護等功能。

①聚能型浪湧水流發電裝置

聚能型浪湧水流發電裝置發明專利，可充分利用海洋自然潮汐周期性循環漲、退特性進行發電，可以解決潮汐能和波浪力的機械能轉化問題，達到通過發電裝置有效提取潮汐潛能量的目的。目前我國對“聚能型浪湧水流發電裝置”的市場需求量較大，專利技術存在著廣闊的市場空間。

一是隨著傳統能源日益緊缺，新能源的開發與利用得到世界各國的廣泛關注，越來越多的國家採取鼓勵新能源發展的政策和措施，新能源的生產規模和使用範圍正在不斷擴大。

二是《京都議定書》到期後，新的溫室氣體減排機制將進一步促進綠色經濟以及可持續發展模式的全面進行，新能源將迎來一個發展的黃金年代。

三是自《可再生能源法》正式生效後，政府陸續出台了一系列與之配套的行政法規和規章來推動新能源產業發展，我國新能源行業進入發展的快車道。

四是新能源作為國家加快培育和發展的戰略性新興產業之一，將為大規模開發利用新能源提供堅實的技術支撐和產業基礎。國家已經出台和即將出台的一系列政策措施，將為新能源產業發展注入動力。

五是隨著投資新能源產業的資金、企業不斷增多，市場機制的不斷完善，“十二五”期間新能源企業將加速整合，我國新能源產業發展前景樂觀。

六是我國潮汐能資源理論蘊藏量占世界的3.7%，而可開發潮汐能資源按年發電量計算占世界的34%-44%，可見我國潮汐能資源的可開發程度很高，開發條件比較好。

七是我國對海洋能發電技術的研發設計起步晚，在波浪力利用上，我國與世界各國一樣，尚處在試驗階段，本專利技術方案的有效實施彌補了國內外波能發電技術市場的不足，容易實施易於推廣。

②漂浮式直驅波浪力發電系統

漂浮式直驅式波浪力發電系統採用直線發電機發明專利，可減少中間傳動機構、結構簡單、系統轉換效率更高。具有系統機構簡單、成本低、投放區域廣，適合於規模化套用。可直接套用于海洋觀測儀器供電系統、軍事及民用測試浮標供電系統、獨島供電系統、作業平台供電系統以及大規模併網型海洋能發電系統。並研發了多個功率等級的漂浮式直驅式波浪力發電機及其運行控制系統。

③大型波浪擺式發電裝置

波浪發電是海洋能利用的重要方向，我國波浪力資源豐富，開發波浪發電技術，對推動我國海洋能利用具有重要意義。針對我國波浪力技術發展的需求，對擺式裝置進行水動力仿真計算最佳化，並進行相應的模型試驗，攻克擺式波浪力發電和海上施工的主要關鍵技術;研建擺式波浪力擺板、液壓、儲能、發電輸電等完整的波浪力發電系統;建立MW級擺式發電站。

我國波浪力發電產業化意義

我國目前正處於實現工業化和信息化的經濟高速發展期,特別是沿海地區,能源需求的急劇增加以成為社會和經濟發展的瓶頸。眾多海島 ,在海洋開發和國防建設方面占有重要地位,特別是遠離大陸的島嶼 ,依靠大陸供應能源 ,供應線過長 ,且受風浪影響.能源和淡水是海洋資源開發和海防建設活動的基本需求,能源和淡水供應的成本關係到海洋資源開發的成本,因而也就直接影響到海洋資源開發的能力。解決能源和淡水供應問題成為遠海資源開發的關鍵,相對於其它形式的可再生能源 ,波浪力等形式的海洋能易於規劃 ,具有較大優勢 ,因此建立利用波浪力的獨立發電和海水淡化系統大有發展潛力。

據估計,從現在起到未來的 30 年中,平均每 10年我國能源需求總量應增加5億噸標準煤 ,再過30年或稍長一點時間 ,中國有可能超過美國成為世界第一能源消費大國.我國的化石燃料資源有限,而更多化石燃料的消耗必將造成更加嚴重的環境污染 ,清除這些污染 ,代價則更為巨大 ,因此不能單純依靠增加化石燃料的生產來解決.儘管目前在技術成熟程度、規模和價格等方面海洋能與常規能源還難以相提並論 ,但從我國能源長期發展戰略和技術儲備 ,以及為常規能源難以到達的特殊場合提供能源和綜合利用的角度來看 ,加大和加快開海洋波浪力源的開發研究具有重要的現實和戰略意義。

我國波浪力開發適合地域

根據調查和統計，我國沿岸波浪力資源理論平均功率為1285.22萬千瓦，這些資源在沿岸的分布很不均勻。以台灣省沿岸為最多，為429萬千瓦，占全國總量的1/3。其次是浙江、廣東、福建和山東沿岸也較多，在160~205萬千瓦之間，約為706萬千瓦，約占全國總量的55%，其他省市沿岸則很少，僅在143～56萬千瓦之間。廣西沿岸最少，僅8.1萬千瓦。 全國沿岸波浪力源密度（波浪在單位時間通過單位波峰的能量，單位千瓦/米）分布，以浙江中部，台灣，福建省海壇島以北，渤海海峽為最高，達 5.11～7.73千瓦/米。

這些海區平均波高大於1米，周期多大於5秒，是我國沿岸波浪力能流密度較高，資源蘊藏量最豐富的海域。其次是西沙、浙江的北部和南部。福建南部和山東半島南岸等能源密度也較高，資源也較豐富。其他地區波浪力能流密度較低，資源蘊藏也較少。根據波浪力能流密度及其變化和開發利用的自然環境條件，應首選浙江、福建沿岸作為重點開發利用地區，其次是廣東東部、長江口和山東半島南岸中段。也可以選擇條件較好的地區，如峽山島、南鹿島、大骰山、雲澳、表角、遮浪等處。這些地區具有能量密度高、季節變化小、平均潮差小、近岸水較深、均為基岩海岸；岸灘較窄，坡度較大等優越條件，是波浪力源開發利用的理想地點，應作為優先開發的地區。

存在問題

今天的波浪力發電裝置，無論從零件的設計水平，還是從其工藝製造水平來講，都是遠遠優於早期;材料科學的日益更新也為波浪力裝置的新材料設計、耐腐蝕及密封等提供了可靠的保證。對於波浪力發電裝置而言，波浪力發電技術是

一門集海洋環境科學、流體力學、機電工程、材料學科等多學科於一體的交叉技術，其中仍然包括很多關鍵技術問題尚待解決，尚未形成自己的理論體系，相關的模型分析及試驗研究工作仍需繼續進行。

（1）發電成本，據有關專家的計算，現階段海洋波浪力的發電成本比常規的熱發電高出10 倍左右,因此成本問題已經成為普及和大規模利用波浪力發電的最大障礙。只有改進波浪力發電的技術，減小發電成本，才能使波浪力發電真正達到實用化水平，為人們所用。

（2）總效率，我們研究波浪力裝置時通常只是在規則的、平穩的造波池中做試驗，得出的結論往往並不具有實際操作性和可行性，因為正常情況下海洋的波浪是時刻變化的，波浪力的能量分散不易集中，因此造成裝置的發電總效率並不高。此外，目前波浪力發電裝置上使用的發電機一般都採用的是通用的小型三相交流發電機，這種發電機並不完全適用在波浪發電裝置上使用，這也是造成發電總效率低的原因之一。

（3）工程性，波浪力裝置大多是直接放臵在海水中的，海洋環境下颱風天氣時常發生，颱風具有巨大的破壞能力，會損壞波浪力裝置，造成裝置失效。並且海水具有腐蝕性，裝置容易被腐蝕。所以從工程觀點來看，理想的、工程性較好的波浪力發電裝置的方案應該包括以下三個方面：

①沒有水中活動部件；

②總體結構上應有利於抗風浪；

③儘量少的現場施工。但目前似乎還難以找出一個各全其美的方案，這也是波浪力研究中的一個難點。

海洋波浪力發電是一種無污染的、清潔的、可再生的新能源，具有得天獨厚的優勢，但是要進行大規模地開發利用，還存在一些難點。相信經過我們的努力與奮鬥，利用波浪力發電這一新型的方式會普及到人們的生活中去，真正做到為人們的生活、工作謀福利。我國建立波浪力發電系統大有發展潛力，這一技術研究的關鍵問題是提高轉換效率和降低成本。相信在解決這一問題後，波浪力發電產業化前景將一片光明。

前景

海洋能量巨大，合理髮開利用，不僅能實現能源的最佳化配臵，而且能促進節能減排。目前，大規模波浪力發電的成本還難與常規能源發電競爭，但特殊用途的小功率波浪力發電，已在導航燈浮標、燈柱、燈塔等上獲得推廣套用。在邊遠海島，小型波浪力發電 已可與柴油發電機組發電競爭。預計隨著化石能源資源的日趨枯竭，技術的進步，波浪力發電將在波浪力豐富的國家占有一定的地位。

波浪力作為一種綠色清潔可再生能源對於人類可持續發展起著重要的作用。中國波浪力資源豐富，建立波浪力發電產業發展潛力巨大且具有重大意義。