波浪能發(fā)電裝置的發(fā)展與展望

姚琦，王世明，胡海鵬

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院 上海 201306)

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波浪能發(fā)電裝置的發(fā)展與展望

姚琦，王世明，胡海鵬

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院 上海 201306)

海洋中所蘊(yùn)藏的波浪能源因?yàn)槠洵h(huán)保性和可持續(xù)性等特點(diǎn)，已經(jīng)得到越來(lái)越多國(guó)家和地區(qū)的關(guān)注，并取得了一定的研究成果。通過(guò)對(duì)波浪能發(fā)電裝置的分類，對(duì)當(dāng)今主流的4種發(fā)電裝置進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)世界主要波浪能開(kāi)發(fā)強(qiáng)國(guó)和我國(guó)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了梳理。基于上述，對(duì)今后世界波浪能發(fā)電裝置的發(fā)展與研制方向進(jìn)行了展望，并指出了亟待解決的幾個(gè)問(wèn)題，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

波浪能；發(fā)電裝置；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展前景

1 引言

能源作為人類生產(chǎn)生活和國(guó)家發(fā)展的重要資源，成為當(dāng)今世界政治、經(jīng)濟(jì)、科技、軍事、外交等各個(gè)領(lǐng)域中所備受關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口的迅速膨脹以及社會(huì)發(fā)展的需求，能源對(duì)于人類的生產(chǎn)和生活顯得日益重要。同時(shí)，由于常見(jiàn)能源的過(guò)度開(kāi)采而造成的資源匱乏、氣候變暖和環(huán)境污染等問(wèn)題也日漸顯著。大力發(fā)展可再生能源，在保證經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的前提下，減輕因過(guò)度開(kāi)采而對(duì)人類生存環(huán)境造成的破壞和壓力，推進(jìn)人類發(fā)展質(zhì)量已經(jīng)成為世界的共識(shí)。

作為占地球表面積70.8%的海洋，里面蘊(yùn)藏著種類眾多且貯藏量相當(dāng)可觀的能源，主要有波浪能、潮汐能、海流能、溫差能、鹽差能等。其中，波浪能因?yàn)橥ǔＪ且詸C(jī)械能的形式存在，開(kāi)發(fā)難度相對(duì)較小，且不會(huì)造成太多的開(kāi)發(fā)污染和環(huán)境破壞，從而被認(rèn)為是一種高質(zhì)量的海洋能源。

波浪能實(shí)質(zhì)上是海洋在吸收了風(fēng)能以后所產(chǎn)生的動(dòng)能和勢(shì)能，因此波浪能具有能量密度高、分布面廣等優(yōu)點(diǎn)，即便是在能源耗損較大的冬季，能加以利用的波浪能也是很充裕的[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球上海洋所具有波浪能的理論值約為109kW量級(jí)，是目前世界總發(fā)電量的數(shù)百倍，有著廣闊的商用前景和戰(zhàn)略價(jià)值。因此，波浪能發(fā)電具有極大的開(kāi)發(fā)潛力，世界各主要國(guó)家都對(duì)其投入了廣泛的興趣和關(guān)注度，加大力度開(kāi)發(fā)研究海洋波浪能的發(fā)電裝置，因此各種新型波浪能發(fā)電裝置也就層出不窮了。

2 國(guó)內(nèi)外波浪能發(fā)電裝置的發(fā)展

通過(guò)波浪的運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)發(fā)電裝置內(nèi)部發(fā)電機(jī)的發(fā)電是波浪能發(fā)電裝置工作的基本原理，將海洋中波浪的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程。根據(jù)波浪能發(fā)電裝置的內(nèi)部關(guān)聯(lián)、外在特性、構(gòu)造與作用等方面的區(qū)別，可以把波浪能發(fā)電裝置分成多種不同的種類。其中，按照裝置固定與安置的方式，可以分為固定式和漂浮式；按照裝置內(nèi)部間能量轉(zhuǎn)換的方式，可分為直接轉(zhuǎn)換式和間接轉(zhuǎn)換式；按照裝置中能量傳輸與保存的形式，可將其分為機(jī)械式、氣動(dòng)式和液壓式等[2]。通過(guò)在20世紀(jì)七八十年代對(duì)多種樣式的波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行的科學(xué)理論研究以及進(jìn)行的針對(duì)實(shí)際海況測(cè)驗(yàn)和應(yīng)用范例探究，波浪發(fā)電裝置的制造及應(yīng)用技術(shù)已向?qū)嶋H應(yīng)用的水平漸漸靠攏。同時(shí)研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)也主要集中于以下7種被認(rèn)為是具有商品化潛力的發(fā)電裝置上，7種類別分別是：振蕩水柱式裝置、振蕩浮子式裝置、推擺式裝置、收縮波道式波浪能轉(zhuǎn)換裝置、筏式、鴨式以及直線電機(jī)式。

2.1 振蕩水柱式

柱式波浪能發(fā)電裝置的基本原理如圖1所示，其內(nèi)部的水柱會(huì)在波浪的沖擊與起伏的作用下做活塞式的上下往返運(yùn)動(dòng)，由于水柱在裝置內(nèi)部做不停的活塞運(yùn)動(dòng)，致使水柱上方空間內(nèi)的空氣柱也在進(jìn)行上下往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，空氣穿過(guò)氣室上方的氣孔流經(jīng)一個(gè)往復(fù)透平，進(jìn)而將空氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔躘3]。振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置相對(duì)于其他波浪能裝置的最大的差異之處在于其具有氣室。所謂氣室，就是指置于海面以下的裝置底部留有一出氣孔或開(kāi)口，可以使海水進(jìn)入裝置內(nèi)部的設(shè)計(jì)與構(gòu)造。優(yōu)點(diǎn)是傳遞方便，通過(guò)氣室將低速運(yùn)動(dòng)波浪的能量轉(zhuǎn)化成高速運(yùn)動(dòng)的氣液，可靠性好，缺點(diǎn)是建造費(fèi)用昂貴，轉(zhuǎn)化效率低，發(fā)電成本高。

圖1 振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置示意圖

2.2 振蕩浮子式

振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置是在振蕩水柱式裝置的基礎(chǔ)與理論上發(fā)展并完善起來(lái)的，原理如圖2所示，二者間具有一定的相似性與共同性。通常的振蕩浮子式裝置是用一個(gè)或多個(gè)置于港中的浮子作為載體，用來(lái)吸收波浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能。然后利用放置于岸上的機(jī)械裝置或是液壓裝置，將浮子吸收的波浪勢(shì)能和動(dòng)能傳遞出去，用以驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置通常是由浮子、操縱連桿、液壓傳動(dòng)部件、電機(jī)以及發(fā)電保護(hù)裝置等多個(gè)部分構(gòu)成[4]。

圖2 振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置示意圖

振蕩浮子式發(fā)電裝置的優(yōu)點(diǎn)或優(yōu)勢(shì)不僅在于其能量間的轉(zhuǎn)換效率較高，而且其建造與實(shí)施難度相對(duì)較低，減少了水下工作量，有利于節(jié)省成本，具有較高的商業(yè)經(jīng)濟(jì)與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。缺點(diǎn)是浮子受過(guò)多的沖擊，易損壞。如圖3為一小型裝置模型，將振蕩浮子和振蕩氣室結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合，針對(duì)裝置的能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行分析，四管道、四門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得氣室內(nèi)的往復(fù)氣流從同一個(gè)方向通過(guò)空氣透平機(jī)，提高波浪能利用效率。

圖3 振蕩浮子式海洋波浪能發(fā)電裝置模型

2.3 推擺式

推擺式波浪能發(fā)電裝置(圖4)的基本原理是通過(guò)裝置的擺體在波浪外力的影響下產(chǎn)生或向前向后、或向左向右的規(guī)律性鐘擺式運(yùn)動(dòng)，從而將波浪的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為裝置擺體的動(dòng)能。推擺式發(fā)電裝置的液壓部件一般是與裝置的擺體的軸相連接，目的是要將裝置擺體的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橐毫Ρ玫膭?dòng)能，實(shí)現(xiàn)部件之間的動(dòng)能轉(zhuǎn)移。再由壓力泵所產(chǎn)生的動(dòng)能來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。擺體的鐘擺式規(guī)律運(yùn)動(dòng)很符合波浪推力大和頻率低的重要特點(diǎn)[5]。

圖4 推擺式波浪能發(fā)電裝置示意圖

由此可見(jiàn)，推擺式發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換效率比可觀，但其不足之處或是有待改進(jìn)的地方在于裝置內(nèi)部的機(jī)械部件和液壓部件的維護(hù)和保養(yǎng)難度較大，維修成本較高。此外，推擺式裝置還具有另一重要特點(diǎn)，是在于相位控制技術(shù)能夠比較容易地與其相配合，這一技術(shù)有益于波浪能發(fā)電裝置吸收到寬度以外的其他類型的波浪能，因而提升裝置的發(fā)電效率和效果。

2.4 筏式

筏式波浪能發(fā)電裝置[6]端面由若干筏體鉸接在一起，如圖5所示，且這些鉸接的筏體漂浮在水面上，波浪運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)筏體沿著鉸接處彎曲，能量轉(zhuǎn)換裝置置于每一鉸鏈處，從而反復(fù)壓縮液力活塞并輸出機(jī)械能，帶動(dòng)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。由于筏體之間僅有角位移，故即使大浪經(jīng)過(guò)，其也不會(huì)有過(guò)大的位移，具有良好的抗風(fēng)浪性能。

圖5 筏式波浪能發(fā)電裝置示意圖

2.5 鴨式

鴨式波浪能發(fā)電裝置[5-6]最早由Salter在他1974年的論文提出，他介紹了一種獨(dú)特的波能轉(zhuǎn)換方法，使二維正弦波的轉(zhuǎn)換效率可接近90%左右，如圖6所示。

圖6 鴨式波浪能發(fā)電裝置示意圖

由于該裝置的形狀和運(yùn)行特性酷似鴨的運(yùn)動(dòng)，因而稱其為“點(diǎn)頭鴨”，鴨式波浪能裝置由鴨體、水下浮體、系泊系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和發(fā)配電系統(tǒng)組成。在波浪作用下，鴨體繞支撐軸作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)連接鴨體與支撐軸之間的液壓轉(zhuǎn)換裝置發(fā)電。在設(shè)計(jì)點(diǎn)頭鴨波能轉(zhuǎn)換裝置時(shí)，若把點(diǎn)頭鴨的重心設(shè)計(jì)成為可調(diào)節(jié)式的，可以最大限度地將其固有周期與波浪周期相配，提高波浪能的利用效率，效率高。但缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝置可靠性差，極易損壞。

2.6 收縮波道式

收縮波道式波浪能發(fā)電裝置是基于波聚理論的一種波浪能轉(zhuǎn)換裝置，挪威特隆姆大學(xué)的Falnes和Budal是最早提出該理論的研究學(xué)者[7]。如圖7所示，收縮波道式發(fā)電裝置通常是由一個(gè)高于海平面的高位型水庫(kù)和一個(gè)逐漸收縮的波道所構(gòu)成，其中收縮波道指的就是一般意義上的對(duì)數(shù)螺旋正交曲面，這種曲面通常是由兩道鋼筋混凝土制作而成的。收縮波道將從海里一直延伸并連接至發(fā)電裝置的高位水庫(kù)內(nèi)部，由混凝土構(gòu)成的曲面在高位水庫(kù)內(nèi)相連接。因?yàn)槭湛s波道具有波聚的功能與作用，致使波浪在進(jìn)入裝置內(nèi)部的收縮波道時(shí)，波浪產(chǎn)生的波高會(huì)陡然增大。增高的波浪會(huì)越過(guò)由鋼筋混凝土墻構(gòu)成的正交曲面從而進(jìn)入到發(fā)電裝置的高位水庫(kù)中，最后水庫(kù)里的水將會(huì)經(jīng)由水輪發(fā)電機(jī)組用來(lái)發(fā)電。轉(zhuǎn)化效率較高，但對(duì)地形要求非常嚴(yán)格。

圖7 收縮波道式波浪能發(fā)電裝置示意圖

2.7 直線電機(jī)式

直線電機(jī)式波浪能發(fā)電裝置[8]的基本原理為，利用波浪能上下起伏變化而產(chǎn)生的波動(dòng)力作為驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)力作用于浮子上，浮子為能量吸收裝置，如圖8所示其帶動(dòng)與之相連的直線電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)化為電能。

圖8 直線電機(jī)式波浪能發(fā)電裝置示意圖

直線電機(jī)式裝置主要分為單浮子和雙浮子兩類：?jiǎn)胃∽酉到y(tǒng)具有安裝方便、適合用于沿岸以及孤島附近的淺海中；雙浮子直驅(qū)式系統(tǒng)將直線電機(jī)和浮筒漂浮，利用沿海海在海平面，不受海域的限制。由于浮子和動(dòng)子的效率髙于第一種方式，圖8為雙浮子式，該裝置由永磁直線發(fā)電機(jī)、浮筒、連接圓桿、阻尼板以及錯(cuò)鏈所組成，動(dòng)子和浮筒采用螺紋連接在一起，波浪來(lái)臨時(shí)，在浮子的帶動(dòng)下，動(dòng)子上下運(yùn)動(dòng)，切割磁力線，從而產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生電能。

3 國(guó)內(nèi)外波浪能發(fā)電裝置的發(fā)展?fàn)顩r

法國(guó)是對(duì)波浪能展開(kāi)研究并設(shè)計(jì)波浪能發(fā)電裝置最早的國(guó)家，隨后英國(guó)、日本、挪威、葡萄牙、美國(guó)和中國(guó)等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)相繼加大開(kāi)發(fā)與研究相關(guān)的設(shè)備和裝置的力度，這其中又以日本和英國(guó)兩國(guó)的波浪能開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)居于世界的領(lǐng)先水平。利用波浪能發(fā)電的技術(shù)在經(jīng)歷了理論研究、裝置創(chuàng)造、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部試驗(yàn)、外部實(shí)際檢驗(yàn)等幾個(gè)階段后，目前波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)和建造難題已經(jīng)基本解決，下一步的具體發(fā)展目標(biāo)與任務(wù)將是降低裝置建造與保養(yǎng)成本，提高裝置發(fā)電效率以及其穩(wěn)定性與可靠性，使其能夠達(dá)到商業(yè)化利用的規(guī)模。

3.1 國(guó)外波浪能發(fā)電裝置的發(fā)展?fàn)顩r

日本是個(gè)環(huán)海島國(guó)，由于國(guó)土狹小和資源匱乏等客觀的不利因素，致使日本政府往往能夠充分地認(rèn)識(shí)本國(guó)的地理環(huán)境條件，異常重視海洋能源的開(kāi)發(fā)，尤其是波浪能發(fā)電技術(shù)的理論研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用，因此在波浪能發(fā)電裝置的研究及其制造和使用上也達(dá)到了世界最為先進(jìn)的水平。據(jù)國(guó)外組織的粗略估計(jì)，日本平均每1 m寬海岸的波浪蘊(yùn)藏著9 kW的能量，日本沿海與近海的平均波能為13 kW/km，其波浪產(chǎn)生的能量大致能滿足國(guó)內(nèi)能源需求總量的近1/3。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，日本就已經(jīng)開(kāi)始將12臺(tái)波浪能發(fā)電裝置用于實(shí)驗(yàn)研究和商業(yè)用途，至今仍有4臺(tái)裝置繼續(xù)工作。到目前為止，具有波浪能發(fā)電裝置的發(fā)電站在日本已達(dá)1 000余座。這其中包括日本已建成的4座岸基固定式和防波堤式波浪能電站，單機(jī)容量為40～125 kW，在這當(dāng)中最著名的莫過(guò)于在80年代初建造的“海明”號(hào)波浪能發(fā)電船，其總裝機(jī)容量高達(dá)1 250 kW[10]。由日本海洋科學(xué)技術(shù)中心研制的“巨鯨”號(hào)波浪發(fā)電裝置為可動(dòng)式浮體型，也是波浪能發(fā)電裝置中的佼佼者。

英國(guó)是世界上具有最好波浪能源的國(guó)家之一，英國(guó)的波浪發(fā)電裝置每年可以從英國(guó)的周邊海域收集高達(dá)50 TW·h的能源。出眾的地理資源優(yōu)勢(shì)，再加上因政府對(duì)海洋能源前瞻性認(rèn)識(shí)而加大的研究力度，使英國(guó)在20世紀(jì)80年代時(shí)就已成為世界波浪能及其發(fā)電裝置研究制造領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。90年代時(shí)，世界上第一臺(tái)能夠用于商用的波浪能發(fā)電裝置在英國(guó)開(kāi)始發(fā)電，裝機(jī)總?cè)萘扛哌_(dá)2 000 kW，具有里程碑的意義。由英國(guó)制造的名為“海蛇”號(hào)的波浪能發(fā)電裝置創(chuàng)造性地由多個(gè)鋼殼圓柱形結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行鉸接而成，原理是將波浪能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗苓M(jìn)行發(fā)電。“海蛇”號(hào)發(fā)電裝置的最大特色在于本體具有儲(chǔ)蓄能源的環(huán)節(jié)，所以能夠發(fā)電的穩(wěn)定度相當(dāng)高，甚至可與火力發(fā)電相媲美[11]。此外，“巨蟒”波浪能發(fā)電裝置也是具有相當(dāng)?shù)奶攸c(diǎn)，其工作原理是當(dāng)海洋波浪對(duì)該裝置產(chǎn)生擠壓性外力時(shí)，發(fā)電裝置的內(nèi)部便可產(chǎn)生向外擴(kuò)張與膨脹的波浪，當(dāng)這股波浪達(dá)裝置末端時(shí)，就可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行發(fā)電工作。

挪威是對(duì)海洋波浪發(fā)電展開(kāi)研究與探索較早的國(guó)家之一，由該國(guó)發(fā)現(xiàn)并提出的相位控制原理以及創(chuàng)造的喇叭形收縮波道式發(fā)電裝置等，都對(duì)波浪發(fā)電裝置的理論研究及其設(shè)計(jì)制造做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。挪威于20世紀(jì)80年代建造的具500 kW能量的振蕩水柱式和350 kW收縮水道式波浪發(fā)電站具有重要的時(shí)代意義。尤其是后者，收縮水道式波浪發(fā)電裝置的特點(diǎn)是在位于氣室的前面補(bǔ)充建造了一個(gè)前港，由此可以使裝置利用港口的效應(yīng)產(chǎn)生聚波的作用，從而使該裝置具有較高的波浪能轉(zhuǎn)換成電能的效率。

葡萄牙的波浪發(fā)電研究及其裝備制造雖然起步較晚，且主要以引進(jìn)技術(shù)與設(shè)備為主，但葡萄牙有著和英國(guó)一樣天然的利用海洋波浪進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化和發(fā)電的地理優(yōu)勢(shì)，且葡國(guó)政府近年來(lái)也加大了對(duì)波浪能發(fā)電研究的重視度和投入力度。葡萄牙于2008年在其西海岸建立大型的海洋能源實(shí)驗(yàn)區(qū)，目的是進(jìn)行有關(guān)遠(yuǎn)海海浪能源的開(kāi)發(fā)與研究，裝機(jī)容量高達(dá)250 MW，具有世界波能發(fā)電的先進(jìn)水平。與此同時(shí)，葡萄牙于同年引進(jìn)了英國(guó)的“海蛇”波浪能發(fā)電裝置機(jī)組，并于海洋能源實(shí)驗(yàn)區(qū)建立了世界上首個(gè)具有真正意義上商業(yè)規(guī)模的發(fā)電站。

3.2 國(guó)內(nèi)波浪能發(fā)電裝置的發(fā)展?fàn)顩r

我國(guó)于1968年在上海開(kāi)始了專門(mén)針對(duì)海洋波浪能源進(jìn)行發(fā)電的研究與實(shí)驗(yàn)工作，并以此促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、科技與民生的發(fā)展，因此利用波浪能發(fā)電及其裝置的研究與制造工作也成為我國(guó)重點(diǎn)的科技攻關(guān)項(xiàng)目。由于國(guó)家的大力扶持，加上其極具潛力的商業(yè)價(jià)值，目前國(guó)內(nèi)從事波浪能發(fā)電領(lǐng)域研究和制造的就有十幾家單位，并涌現(xiàn)出一批達(dá)到世界水平的發(fā)電裝置，表1列出了相關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)電的裝置情況。目前，隸屬于中科院的廣州能源研究所(GIEC)在波浪能發(fā)電領(lǐng)域是國(guó)內(nèi)的先進(jìn)單位。廣州能源研究所在1984年研制成功的并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的航標(biāo)式微型波能轉(zhuǎn)換裝置具有較高的發(fā)電效能，并得以在我國(guó)沿海海域進(jìn)行大規(guī)模的投入使用[12]。

表1 各機(jī)構(gòu)波浪能發(fā)展裝置現(xiàn)狀

國(guó)家海洋中心(NOTC)也致力于發(fā)展大型鐘擺式發(fā)電裝置。同時(shí)中山大學(xué)(SYSU)與山東大學(xué)(SDU)也取得了很高的成就，我國(guó)分別于“九五”“十一五”期間攻關(guān)完成的汕尾振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置和將不穩(wěn)定的波浪能轉(zhuǎn)化為類似于火力發(fā)電的穩(wěn)定持續(xù)電能的技術(shù)，具有劃時(shí)代的重要意義，不僅代表我國(guó)在利用波浪能源發(fā)電的技術(shù)上取得了突破，縮短了與世界發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，更主要的是為大規(guī)模商用波浪能發(fā)電的可能性提供了有力的參考依據(jù)和創(chuàng)新的研究思路。在2008年，中國(guó)科學(xué)院利用磁流體發(fā)電技術(shù)，并將一種與波浪特性具有極高吻合度的機(jī)械抗阻融入整個(gè)設(shè)計(jì)，構(gòu)建一套出完全有別于傳統(tǒng)波浪能發(fā)電裝置的新型發(fā)電裝置，并成功研制和制造，稱之為液態(tài)金屬磁流體波浪能發(fā)電裝置[13]。該種新型的、先進(jìn)的波能發(fā)電裝置，同時(shí)，具有高效率的能源轉(zhuǎn)化率、較大的功率密度、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及便于保養(yǎng)和移動(dòng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，代表了我國(guó)目前在波浪能開(kāi)發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域最為先進(jìn)的成果。

3.3 小型波浪發(fā)電裝置

基于前輩的研究基礎(chǔ)和旋轉(zhuǎn)式垂直軸潮流能能量轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)方法原理，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一種臥式浪流一體化發(fā)電裝置，該裝置主要由機(jī)架、簡(jiǎn)化浮筒、鞍形焊件、輪機(jī)、主軸、變速箱、發(fā)電機(jī)、錨鏈等系統(tǒng)組成，浮筒用鞍形焊件與機(jī)架連接，對(duì)稱布置于機(jī)架兩邊，簡(jiǎn)化浮筒兩端采用球形面與圓柱體相切連接，有效減小海流阻力，輪機(jī)主軸與發(fā)電機(jī)通過(guò)大傳動(dòng)比變速箱直接連接，實(shí)現(xiàn)一級(jí)大功率傳動(dòng)。浪流捕獲裝置通過(guò)作用在葉片以及葉片包絡(luò)面上垂直方向的波浪力與水平方向上的潮流力的合力來(lái)推動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)海洋能量的捕獲。

4 現(xiàn)有波浪能發(fā)電裝置的不足

雖然波浪能發(fā)電裝置種類繁多，有些已趨于商業(yè)化，但還是存在諸多問(wèn)題。

4.1 總發(fā)電效率問(wèn)題

(1)從波浪能經(jīng)過(guò)中間機(jī)構(gòu)一般需要二級(jí)轉(zhuǎn)化，有的甚至是三級(jí)轉(zhuǎn)化，能量損耗大[4]。

(2)波浪不穩(wěn)定，時(shí)大時(shí)小，浪大時(shí)能量有剩余，浪小時(shí)能量供應(yīng)不足。如果加上儲(chǔ)存設(shè)備，增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性[14]。

(3)需要把波浪能轉(zhuǎn)化的電能供應(yīng)到電網(wǎng)上才可以使用，受到電網(wǎng)覆蓋范圍的限制，造成發(fā)電成本高、發(fā)電功率小、質(zhì)量差等問(wèn)題。

(4)波浪能不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化為電能時(shí)也是不穩(wěn)定的。

4.2 工程性

(1)材料問(wèn)題[14]。海水具有腐蝕性，而且波浪具有極強(qiáng)的破壞性，波浪能裝置工作在波浪最大的地方，惡劣的海洋環(huán)境造成的腐蝕以及海洋生物附著可能造成裝置某些環(huán)節(jié)的失效，不銹鋼滿足抗腐蝕性和耐久可靠性，但是不滿足廉價(jià)性；工程塑料在強(qiáng)度上已有了顯著提高，但是其耐久性和可靠性不能達(dá)標(biāo)，材料抗腐蝕性、較好的耐久性以及可靠性及其重要，因此波浪能裝置的選材也成為當(dāng)下需解決的難題。

(2)裝置的可靠性[15]。如果整個(gè)裝置非常復(fù)雜，那么其在海洋大波浪環(huán)境下穩(wěn)定性會(huì)很低，而在海洋環(huán)境下發(fā)電裝置的維護(hù)是最大的問(wèn)題，所以裝置的簡(jiǎn)單可靠是保證可以更長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的必要條件。

4.3 成本問(wèn)題

成本問(wèn)題[15]是普及和大規(guī)模利用波浪發(fā)電的最大障礙，據(jù)有關(guān)專家的計(jì)算，現(xiàn)階段海洋波浪能的發(fā)電成本比常規(guī)的熱發(fā)電高出10倍左右。因此只有改進(jìn)波浪能發(fā)電的技術(shù)。減小發(fā)電成本，才能使波浪能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用化水平，為人們所用。

4.4 波浪發(fā)電裝置引起的海洋環(huán)境問(wèn)題

隨著波浪發(fā)電裝置的增多，將會(huì)占用大面積的海面[7]，這必然會(huì)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)造成沖擊，如果在海面布置大量的發(fā)電裝置，很可能對(duì)海洋生物造成危害，甚至?xí)绊懙秸Ｉ虡I(yè)航運(yùn)，所以要適當(dāng)?shù)剡x取海洋發(fā)電場(chǎng)。

5 波浪能發(fā)電裝置的未來(lái)展望

海洋波浪能是一種無(wú)污染的、清潔的、可再生的新能源，波浪能能流密度高、儲(chǔ)量巨大且分布廣泛，是未來(lái)海洋能利用發(fā)展的主要方向，而我國(guó)所具有的海岸線，實(shí)現(xiàn)海洋能發(fā)電，有重要的戰(zhàn)略意義。

在對(duì)上述幾種波浪能發(fā)電裝置類別的分析以及目前世界各國(guó)利用波浪能發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置相比較而言具有一定的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)槠湫矢摺⒊杀镜?、可靠性好，這將是今后波浪能發(fā)電裝置的重要發(fā)展方向[16]。英國(guó)、日本、瑞典、丹麥、美國(guó)和中國(guó)等國(guó)家和地區(qū)均不同程度地開(kāi)展了有關(guān)振蕩浮子式波浪能裝置的研究與開(kāi)發(fā)工作。振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置研究的難點(diǎn)在于浮子形狀的設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理、二級(jí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是否通暢與高效等問(wèn)題，需要通過(guò)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)得出一套完善的理論數(shù)據(jù)作為支撐[17]。目前我國(guó)已有一批專家學(xué)者和科研團(tuán)隊(duì)在此領(lǐng)域開(kāi)展研究工作，并且已經(jīng)取得了具有較高科學(xué)價(jià)值的相關(guān)數(shù)據(jù)。可以預(yù)見(jiàn)的是，振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置很有可能就是今后海洋波浪能發(fā)電的重點(diǎn)突破口與發(fā)展方向[18]。

今后，波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)可能會(huì)有不同的發(fā)展方向與側(cè)重點(diǎn)，克服以上總結(jié)的幾個(gè)不足，追求更高的效率、更高的可靠性以及降低制造與維修成本，轉(zhuǎn)入大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)作將是任何波浪能發(fā)電裝置發(fā)展的主旋律。

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On the Development and Prospect of Wave Energy Power Generation Device

YAO Qi，WANG Shiming，HU Haipeng

(College of Engineering Science & Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China)

Wave energy stored in ocean had been concerned by more and more countries and regions，and some research progress had been achieved，with its hidden environmental friendly and sustainable features.The current developing status of wave energy in major countries of the world and China were sorted out，based on the analysis of four kinds of mainstream power generating unit by the classification of wave energy power generation devices.The paper also made prospects for the future research and developing direction of wave energy device and pointed out several problems should be resolved.

Ocean wave，Power generation device，Developing status，Prospects

國(guó)家海洋局2013年海洋可再生能源專項(xiàng)(SHME2013JS01)；上海市2014年優(yōu)秀技術(shù)帶頭人計(jì)劃項(xiàng)目(14XD1424300)；上?？莆?011年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目.

姚琦，本科，研究方向?yàn)楹Ｑ罂稍偕茉撮_(kāi)發(fā)利用，電子信箱：1249639500@qq.com

TM619;P743.2

A

1005-9857(2016)01-0086-07