波浪能發電

波浪能發電（wave power generation）是以波浪的能量為動力生產電能。海洋波浪蘊藏著巨大的能量，正弦波浪每米波峰寬度的功率P≈HT kW/m。式中，H為波高，m;T為波周期，s。通過某種裝置可將波浪的能量轉換為機械的、氣壓的或液壓的能量，然後通過傳動機構、氣輪機、水輪機或油壓馬達驅動發電機發電。全球有經濟價值的波浪能開採量估計為1～10億kW。中國波浪能的理論儲量為7000萬kW左右。

基本介紹

• 中文名：波浪能發電
• 外文名：wave power generation
• 原理：是以波浪的能量為動力生產電能
• 類型：機械式、氣動式和液壓式

歷史

1799年，法國的吉拉德父子，獲得了利用波浪能的首項專利。1910年，法國的波契克斯·普萊西克，建造了一套氣動式波浪能發電裝置，供應他自己住宅1 kW的電力。1965年，日本的益田善雄發明了導航燈浮標用氣輪機波浪能發電裝置，獲得推廣，成為首次商品化的波浪能發電裝置。受1973年石油危機的刺激，從20世紀70年代中期起，英國、日本、挪威等波浪能資源豐富的國家，把波浪能發電作為解決未來能源的重要一環，大力研究開發。在英國，索爾特發明了點頭鴨裝置，科克里爾發明了波面筏裝置，國家工程試驗室發明了振盪水柱裝置，考文垂理工學院發明了海蚌裝置。1978年，日本建造了一艘長80 m、寬12 m、高5.5 m稱為“海明號”的波浪能發電船。該船有22個底部敞開的氣室，每兩個氣室可裝設一台額定功率為125 kW的氣輪機發電機組。1978～1986年，日本、美國、英國、加拿大、愛爾蘭五國合作，先後三次在日本海由良海域對“海明號”進行了波浪能發電史上最大規模的實海原型試驗。但因發電成本高，未獲商業實用。1985年，英國、中國各自研製成功採用對稱翼氣輪機的新一代導航燈浮標用的波浪能發電裝置，挪威在卑爾根附近的奧依加登島建成了一座裝機容量為250 kW的收縮斜坡聚焦波道式波浪能發電站和一座裝機容量為500 kW的振盪水柱氣動式波浪能發電站，標誌著波浪能發電站實用化的開始。

類型

波浪能發電方式數以千計，按能量中間轉換環節主要分為機械式、氣動式和液壓式三大類。

機械式

通過某種傳動機構實現波浪能從往復運動到單向旋轉運動的傳遞來驅動發電機發電的方式。採用齒條、齒輪和棘輪機構的機械式裝置。隨著波浪的起伏，齒條跟浮子一起升降，驅動與之嚙合的左右兩隻齒輪作往復旋轉。齒輪各自以棘輪機構與軸相連。齒條上升，左齒輪驅動其軸逆時針旋轉，右齒輪則順時針空轉。通過後面一級齒輪的傳動，驅動發電機順時針旋轉發電。機械式裝置多是早期的設計，往往結構笨重，可靠性差，未獲實用。

機械式裝置簡圖

氣動式

通過氣室、氣袋等泵氣裝置將波浪能轉換成空氣能，再由氣輪機驅動發電機發電的方式。漂浮氣動式裝置工作原理圖。由於波浪運動的表面性和較長的中心管的阻隔，管內水面可看作靜止不動的水面。內水面和氣輪機之間是氣室。當浮體帶中心管隨波浪上升時，氣室容積增大，經閥門吸入空氣。當浮體帶中心管隨波浪下降時，氣室容積減小，受壓空氣將閥門關閉經氣輪機排出，驅動衝動式氣輪發電機組發電。這是單作用的裝置，只在排氣過程有氣流功率輸出。圖3是振盪水柱氣動式裝置工作原理圖。它有兩組吸氣閥和兩組排氣閥，固定氣室的內水位在波浪激勵下升降，形成排氣、吸氣過程。四組吸、排氣閥相應開啟和關閉，使交變氣流整流成單向氣流通過衝動式氣輪機，驅動發電機發電。這是雙作用的裝置，在吸、排氣過程都有功率輸出。氣動式裝置使緩慢的波浪運動轉換為氣輪機的高速旋轉運動，機組縮小，且主要部件不和海水接觸，提高了可靠性。氣動式裝置在日本益田善雄發明的導航燈浮標用波浪能發電裝置上獲得成功的套用。1976年，英國的威爾斯發明了能在正反向交變氣流作用下單向旋轉做功的對稱翼氣輪機，省去了整流閥門系統，使氣動式裝置大為簡化。圖4是對稱翼氣輪機工作原理圖。該型氣輪機已在英國、中國新一代導航燈浮標波浪能發電裝置和挪威奧依加登島500 kW波浪能發電站獲得成功的套用。採用對稱翼氣輪機的氣動式裝置是迄今最成功的波浪能發電裝置之一。

浮漂式工作原理簡圖

液壓式

通過某種泵液裝置將波浪能轉換為液體(油或海水)的壓能或位能，再由油壓馬達或水輪機驅動發電機發電的方式。點頭鴨液壓式裝置簡圖。波浪運動產生的流體動壓力和靜壓力使靠近鴨嘴的浮動前體升沉並繞相對固定的迴轉軸往復旋轉，驅動油壓泵工作，將波浪能轉換為油的壓能，經油壓系統輸送，再驅動油壓發電機組發電。點頭鴨裝置有較高的波浪能轉換效率，但結構複雜，海上工作安全性差，未獲實用。圖6是收縮斜坡聚焦波道式裝置簡圖。波浪進入寬度逐漸變窄、底部逐漸抬高的收縮波道後，波高增大，海水翻過導波壁進入海水庫，波浪能轉換為海水位能，然後用低水頭水輪發電機組發電。聚焦波道裝置已在挪威奧依加登島250 kW波浪能發電站成功的套用。這種裝置有海水庫儲能，可實現較穩定和便於調控的電能輸出， 是迄今最成功的波浪能發電裝置之一。但對地形條件依賴性強， 套用受到局限。

點頭鴨液壓式裝置簡圖

發展

大規模波浪能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能發電，已在導航燈浮標、燈樁、燈塔等上獲得推廣套用。在邊遠海島，小型波浪能發電已可與柴油發電機組發電競爭。今後應進一步研究新型裝置，以提高波浪能轉換效率;研究聚波技術，以提高波浪能密度，縮小裝置尺寸，降低造價;研究在離大陸較遠、波浪能豐富的海域利用工廠船就地發電、就地生產能量密集的產品，如電解海水制氫、氨及電解制鋁、提鈾等，以提高波浪能發電的經濟性。預計隨著化石能源資源的日趨枯竭， 技術的進步， 波浪能發電將在波浪能豐富的國家逐步占有一定的地位。

我國技術成果

記者從中科院廣州能源研究所獲悉，由該所研製的“鷹式一號”漂浮式波浪能發電裝置，在位於珠江口的珠海市萬山群島海域正式投放，並成功發電，這標誌著我國海洋能發電技術取得了新突破。

隨著新能源成為人們關注的熱點，海洋能發電技術以其獨特優勢和戰略地位吸引了人們的注意，世界各主要海洋國家普遍重視對海洋的開發利用。作為海洋波浪能利用技術的一種，“鷹式一號”漂浮式波浪能發電裝置由中科院廣州能源研究所究所課題組歷經一年半研製完成。課題組不斷最佳化和改進裝置模型，共製作了5套裝置模型，分別在二維水槽和三維水槽內進行大量試驗，最終將實海況裝置的設計方案定型為輕質波浪能吸波體與半潛船的結合。

該新型發電裝置採用外形經過特殊設計的輕質波浪能吸收浮體，使得浮體的運動軌跡能與波浪運動軌跡相匹配，可最大程度吸收入射波而最小程度減少透射和興波。日前首次投放的該發電裝置安裝有兩套不同的能量轉換系統，總裝機20kW，其中液壓發電系統裝機10kW，直驅電機系統裝機10kW，兩套系統均成功發電。試驗表明，該新型設備實現了快捷、安全和低成本研發海洋波浪能發電裝置的目標，為規模化開發利用海洋波浪能打下堅實基礎。據介紹，該發電裝置由國家海洋可再生能源專項資金項目——“10kW水母式波浪能發電裝置研究”專項資助完成。