波浪能利用發展歷史與關鍵技術

劉延俊，賀彤彤

（1.山東大學 海洋研究院，山東 濟南 250100；2.山東大學 機械工程學院高效潔凈先進制造教育部重點實驗室，山東 濟南 250061）

波浪能利用發展歷史與關鍵技術

劉延俊1,2，賀彤彤1

（1.山東大學 海洋研究院，山東 濟南 250100；2.山東大學 機械工程學院高效潔凈先進制造教育部重點實驗室，山東 濟南 250061）

波浪能作為一種新型清潔能源，近年來得到各國的重視。文章從波浪能利用的發展歷史、波浪能資源的評估手段、波浪能轉換裝置的種類及代表性裝置等幾個角度，對國內外研究現狀進行了闡述；總結了波浪能發電技術中關于流體動力特性非線性計算、裝置穩能技術、陣列發電場設計、與其它新能源結合應用等研究方向及技術難點；最后對波浪能利用技術的未來進行展望。

波浪能發電；發展歷史；資源評估；波浪能轉換裝置；陣列發電場

全球氣候變化、能源短缺和環境污染等問題越來越受到各國政府、國際組織和普通民眾的高度關注。為有效解決日益嚴重的能源和環境問題，大力發展可再生能源已成為全球共識。占地球表面71%的海洋蘊藏著儲量巨大的可再生能源，主要以海洋風能、波浪能、潮汐能、溫差能、鹽差能等形式存在。其中，波浪能具有巨大的開發潛力，它由風力作用產生，但相對于風能，波浪能更加穩定，空間分布也較為集中，是一種極具發展前景的清潔能源。海洋波浪能的開發已有200多年的歷史，近幾十年在技術上取得了許多突破性進展，開發出了各種各樣的波浪能利用裝置[1]。

1 研究歷史

1.1 國外情況

開發利用波浪能的歷史最早可以追溯到1799年，法國的Girard父子申請了世界上第一個波浪能技術專利[2]。但是，第一次世界大戰后，石油成為最重要的現代能源資源，人們對波浪能的開發利用興趣下降。日本人Yoshio Masuda被譽為現代波浪能技術之父，從20世紀40年代后期開始進行相關研究，發明了用于導航浮標供電的振蕩水柱式發電裝置。1965年這種浮標在日本實現商業化。1976年，Masuda又對不同規格的振蕩水柱式波浪能轉換裝置組合起來進行了大規模的試驗，但是由于當時對波浪能的研究尚處于初期階段，試驗能量輸出效率很低[2]。

1973年，蘇格蘭人Stephen Salter和挪威人Kjell Budal開始在大學里從事波浪能研究。美國的Michael E.McCormick也是一位早期研究者[1]。1973年的石油危機引起可再生能源領域的重大變化以及人們對波浪能發電技術的濃厚興趣，英國、瑞典、挪威等歐洲國家相繼開始了一些政府資助的波浪能開發項目。1974年，愛丁堡大學的Stephen Salter在《自然》雜志上發表題為“波浪能”的文章，引起國際上科研機構對波浪能開發的重視[2]。

20世紀80年代早期，石油價格的回落造成了波浪能研發經費的萎縮，但是，第一代試驗樣機進行了海試。例如，1985年，挪威在卑爾根進行了兩個功率分別為350 kW和500 kW裝置的原型近岸海試；90年代初，蘇格蘭在艾萊島安裝了75 kW的近岸振蕩水柱式波浪能發電裝置；幾乎同時，日本和印度也分別安裝了60 kW和125 kW的波浪能轉換裝置。1997年簽訂《京都議定書》，限制二氧化碳排放，使人們又對波浪能等清潔能源開發加以重視。

進入21世紀后，波浪能開發技術逐步走向成熟，部分裝置實現了產業化應用。英國Aquamarine電力公司的OYSTER擺式發電裝置已經實現商業化運行，20臺該裝置組成的小型發電場可以為12 000戶家庭供電。同屬英國的波浪能發電裝置Pelamis在偏遠海島供電方面也具有一定市場。加拿大的振蕩浮子式波浪發電站AquaBuoy于2007年在美國俄勒岡州海岸進行了海試。2006年，丹麥的Wave Star陣列式波浪發電站進行了模型海試，具有較高的捕獲效率和應用價值。

1.2 國內情況

我國自20世紀60年代開始了波浪能發電研究工作，80年代以后獲得較快發展，主要的研究機構有國家海洋技術中心、中科院廣州能源所、各大高校研究院等。

“八五”、“九五”期間，我國國家海洋技術中心分別研建了8 kW和30 kW懸掛擺式波浪發電裝置，為島上居民供電。其中，30 kW裝置在山東省即墨市大管島建造完成，適用于入射波高為1～6 m的設計波況，發電狀況良好，目前仍在運行。2012年7月，100 kW擺式發電裝置開始示范運行。

1984年，中科院廣州能源研究所研制了航標式微型波能轉換裝置并在沿海海域投入使用。1989年，在珠海市大萬山島，我國建成第一座試驗波浪電站，為多諧振蕩水柱型沿岸固定式電站，裝機容量為3 kW。1989-1991年，先后對該電站進行了3次試驗，研究了實際海況下氣室、透平及電機的性能。后來，能源所將其改建成一座20 kW的波浪電站，于1996年2月試發電成功。“九五”期間，能源所在廣東汕尾市研建100 kW波浪電站，并與電網并網運行。2006年，在同一海域建成了50 kW岸式振蕩浮子發電站，由獨立發電系統、海水淡化系統及漂浮式充點系統3部分組成，采用液壓傳遞能量。2008年，能源所將一種與波浪特性高度吻合的機械抗阻融入設計，成功研制出液態金屬磁流體波浪能發電裝置，該種裝置具有高能源轉化率和較大的功率密度并且便于安裝維護，具有較好的發展前景[3]。

2010年，我國啟動了海洋可再生能源開發利用項目。2011年11月，能源所研制的“哪吒1號”直驅式海試裝置在廣東珠海大萬山島海域投放成功，設計發電功率為10 kW，海試時最高輸出相電壓381 V[4]。2013年2月，裝機功率為20 kW的“哪吒2號”也投入運行，采用整流-蓄電池-逆變系統直接為風速儀供電，提供220 V電源輸出。同年，“鷹式一號”漂浮式波浪能發電裝置在萬山群島海域正式投放并成功發電。2015年11月，該所又順利投放了鷹式“萬山號”120 kW波浪能發電裝置。

山東大學于2013年開發完成了適用于波浪發電的雙定子、雙電壓結構的120 kW漂浮點吸收式液壓波浪發電系統。2014年，中國海洋大學主持研制的“10 kW級組合型振蕩浮子波能發電裝置”在青島市黃島區齋堂島海域成功投放，該裝置運用組合式陀螺體型振蕩浮子與雙路液壓系統將波浪能轉化為電能，并使用潛浮體和張力錨鏈進行海上安裝定位。

總體上，波浪能利用技術歐洲國家起步早、發展較為先進，美國、日本緊隨其后，中國起步較晚但發展迅速，近年來重視程度不減。波浪能利用技術經歷了理論論證到樣機海試的過程，從能夠發電向穩定發電方向進展，應用目標向著具有優勢的“海能海用”、獨立海島的方向發展，正在逐步走向成熟。

2 波浪能資源評估

波浪能資源的一大缺點是其時間和空間上的隨機性，不同地區、不同季節和月份，波浪能的蘊藏量相差很大，因此，為了更好地利用波浪能，首先需要對其正確評估。波浪模擬是掌握目標海域波浪資源分布的基礎，為實地觀測的波浪情況提供輔助數據，為目標海域提供波浪相關參數的時空分布信息。WERATLAS是歐洲波浪能源規劃的基本工具，它對風生波浪進行數值模擬得到波浪參數，并通過大西洋和地中海沿岸的85個觀測點數據進行驗證，得到可信的結果[5]。波浪觀測常用的設備有波浪浮子、多普勒流速剖面儀、高頻雷達等。

波浪的能量水平通常表示為沿波峰或沿海岸線方向單位長度上的功率。波浪能主要分布在中高緯度，季節變化北半球比南半球大[6]。

3 波浪能轉換裝置

波浪能轉換裝置可分為振蕩水柱式、振蕩體式和越浪式三大類，各大類包括固定式、漂浮式、沉沒式等小類，下面將具體介紹。3.1 振蕩水柱式

振蕩水柱式是第一代波浪能轉換裝置，布放在近海，錨系在海底或固定于巖壁，如圖1所示。此類裝置安裝和養護簡便，不需要深水錨固和遠距離輸電，但近岸的波浪資源相對較貧乏，能流密度低。挪威、日本、印度、英國、葡萄牙、愛爾蘭、中國等多個國家都曾對振蕩水柱式裝置進行了研究，在日本和中國有將近1 000個導航浮標通過這類裝置供電[7-8]。

圖1 振蕩水柱式裝置示意圖

Tomoki Ikoma等人基于線性勢理論，運用格林函數的邊界元法分析了端墻對振蕩水柱式波能轉換裝置性能的影響，并進行了預測和優化，發現較長的端墻設計能夠提高發電效率[9]。

3.2 振蕩體式

振蕩體式是第三代波浪能轉換裝置，多為漂浮式或浸沒式，通常適用于40 m以上水深波浪能豐富海域，結構略為復雜，系泊系統和水下電纜的維護比較困難。

點吸收裝置是最簡單的波浪能轉換裝置。較早的測試裝置有1980年日本東京灣的G-1T以及1983年挪威的球形浮體；典型代表還有瑞典烏普薩拉大學研究的的緊繃錨固的線性發電波浪浮子[10]和美國俄勒岡州立大學發明的使用線性發電機的垂蕩浮子系統[11]，如圖2所示。

圖2 單浮子振蕩體式裝置

單浮子系統的相對運動發生在浮子與海底之間，受海面潮汐振蕩影響較大。雙浮體系統將單浮子與海底之間的不穩定相對運動轉化為兩浮體之間可控的相對運動，從而解決了這一問題。Falnes在理論上分析了雙浮體之間的流體動力作用[12]。代表性的雙浮子系統發電裝置包括IPS浮子、PowerBuoy和Wavebob等，如圖3所示。此類裝置目前發展較為成熟，正在逐步考慮建設多個單體裝置組合陣列的發電場。

圖3 雙浮子振蕩體式裝置

振蕩體式波浪能轉換裝置還包括沉沒式、縱搖式、坐底式等。

沉沒式垂蕩系統以阿基米德波浪擺（archimedes wave swing,AWS）為代表，首次使用線性發電機進行發電，如圖4所示，于2004年通過海上測試[13]。

圖4 沉沒式垂蕩系統AWS

縱搖式裝置的代表包括英國的海蛇（Pelamis）、筏式（McCabe）波浪能泵、蛙式裝置（Frog）等，如圖5所示。其中，海蛇波浪能發電裝置由多個圓柱形結構單元鉸接而成，利用角位移驅動液壓缸，將波浪能轉變為液壓能而發電。葡萄牙于2008年在西海岸建立大型海洋能源實驗區，引進英國的海蛇波浪能發電機組，建立了世界上首個具有真正意義商業規模的發電站，如圖6所示。

圖5 縱搖式裝置

圖6 葡萄牙3×750 kW Pelamis機組波浪能發電場（2008年）

坐底式裝置的代表是英國研發的Oyster裝置，如圖7所示，由一塊巨大的浮力鋼鐵瓣與一個底座鉸接組成，底座固定在海床上。鋼鐵瓣在海浪作用下前后擺動帶動兩個液壓活塞把高壓水抽送至岸上，驅動水輪機運轉帶動發電機發電并輸入電網。

圖7 坐底式裝置Oyster

3.3 越浪式

越浪式裝置需要依托一定的海岸地形條件，把海域中的水引入到一個水庫中，采用低水頭水輪機將儲存的海水的能量進行轉換，典型的代表為丹麥的Wave Dragon，如圖8所示。

圖8 越浪式裝置Wave Dragon

與越浪式發電裝置原理類似，韓國人Byung-Ha Kim等提出了一種新型波浪能轉換裝置，如圖9所示，設備主體為一封閉式的水箱，由箱內水位變化提供動力進行發電。波浪作用使裝置進行俯仰運動，在水箱中形成雙向流動，驅動水平軸水輪機單向旋轉帶動發電機發電。這種裝置內部設備不與海水直接接觸，封閉性好，因此耐腐蝕性高，受生物附著的影響小[14]。

圖9Byung-HaKim提出的新型裝置原理圖及1:3模型試驗臺

4 難點和研究方向

4.1 流體動力特性計算

波浪發電裝置布放入海后，實際上面臨的是不規則的復雜海況變化。目前的理論研究主要基于線性波浪理開展，但對非線性隨機問題的研究仍然不成熟[15]。非線性波之間的相互作用以及它們與波浪發電裝置之間的作用在一定程度上是隨機變化的，因此，實際海況中發電裝置的流體動力特性不能精確計算。

挪威的Ankit Aggarwal等人使用開源計算流體動力學（CFD）模型REEF3D對規則和不規則波與垂直圓柱的相互作用進行了模擬。該模型在整個域上解決了雷諾平均Navier Stokes（RANS）方程，提供了流體壓力、速度以及自由面等流體動力學信息，可以用于對圓柱體周圍的流體情況進行分析和可視化[16]。Muk Chen Ong等人運用湍流模型解非連續RANS方程，對兩個部分沉入水中的圓柱體結構進行了二維數字仿真分析。同時，通過垂直波浪力的變化和自由表面的升降，得到了兩個圓柱體之間距離對流場的影響[17]。Pol D.Spanos和Felice Arena提出一種統計線性化技術，用于對單浮子振蕩捕能系統進行快速隨機振動分析[18]。

4.2 發電穩定性和高效性設計

波浪的不穩定性以及能流密度低、轉換效率低的特點，是制約其利用技術發展的主要原因。因此，需要提高波浪發電裝置的適應性，增大捕能頻寬，從而提高穩定性和發電效率。其中，儲能裝置的設計和系統的功率控制非常重要。

許多振蕩體式波能發電裝置都是將浮子的動能轉化為液壓能再帶動發電機發電。Falc?o在時域內研究了氣體蓄能器體積和工作壓力對電力輸出穩定性的作用[19]。鄭思明基于三維波浪繞射輻射理論，提出了一個計算鉸接雙筏體最大波能俘獲功率的數學模型，可用于計算裝置在特定參數下的最大波能俘獲系數[20]。Jeremiah Pastor，Yucheng Liu基于邊界元方法建立了點吸收式波能轉換器的線性模型并進行數值仿真和頻域分析，得出了不同浮子形狀、直徑、吃水深度等參數變化對浮子垂蕩運動性能的影響，從而得到優化的參數設計[21]。

4.3 陣列發電場設計

波浪能轉換裝置的陣列化有利于充分利用單位海域面積內的波浪能量，在一定程度上實現經濟成本的最優化。陣列式波能轉換裝置的研究主要集中在運行特性和波能俘獲效果兩個方面：運行特性研究浮體或固定結構在波浪作用下受到的波浪力、輻射力、繞射力等以及結構反作用于波浪場所引起的變化；波能俘獲效果是指通過對比陣列式裝置的單體平均功率與單個裝置的發電功率以及它們的俘獲寬度比，分析所設計的陣列布局的優化效果。

陣列發電場的研究，目前主要針對單一類型振蕩浮子式裝置[22]。de Andres等人考慮了陣列布局、單體之間距離、裝置數量以及波浪入射方向的影響，發現增加WEC的數量可以提高它們之間的相互作用力，不同的波浪方向對于波能俘獲的影響很大，單體之間距離為入射波長的1/2時，俘獲效率較高[23]。Kara運用數值仿真方法在時域內計算了兩種運動模式下的垂直圓柱體陣列的波浪能吸收功率，同時研究了單體裝置之間距離以及入射波角度的影響[24]。Konispoliatis和Mavrakos運用多重散射方法研究了振蕩水柱式波能轉換裝置陣列在波浪作用下的繞射和輻射效應[22]。國內方面，香港大學的Motor Wave、浙江海洋大學的“海院1號”、集美大學的“集大1號”，均是陣列式發電場的嘗試。

4.4 多元化綜合利用

海洋中除了波浪能，還蘊藏著海流能、潮汐能、溫差能、鹽差能等多種形式的能源，而且其開發技術也在逐步發展，再加上相對成熟的太陽能和風能利用技術，使得在海洋中進行多種能源綜合利用成為可能。多能互補通過共享基礎平臺、海底電纜等方式來降低成本，全方位開發所在海域能源；另外，也可以構建分布式發電網絡，利用多能互補系統實現電力的穩定輸出，提高海洋能的穩定性和利用率[25]。

5 結論與展望

波浪能發電技術已有幾百年的歷史，近幾十年來發展尤為迅速，大致經歷了理論研究、裝置制造、內部試驗、外部海試等階段。我國雖起步較晚，技術不夠成熟，但近年來對波浪能開發利用的重視程度增加，發展十分迅速。

波能轉換裝置種類繁多、各有優劣，應在充分了解目標海域波浪特性的基礎上選擇適合的類型進行建造。雖然各種新型裝置設計與實驗層出不窮，但波浪能發電技術仍然亟待發展。目前，需解決的問題主要有：（1）增加俘獲頻寬，提高發電穩定性和發電效率；（2）提高防腐能力及密封性，增加壽命回收成本；（3）優化發電控制及電能處理技術，促進波浪能的產業化利用。

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Wave Energy Utilization:History of Development and Key Technologies

LIU Yan-jun1,2,HE Tong-tong1
1.Institute of Marine Science and Technology,Shandong University,Ji'nan 250100,Shandong Province,China;
2.School of Mechanical Engineering,Shandong University,Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture, Ji'nan 250061,Shandong Province,China

As a new type of clean energy,wave power has been paid increasing attention in recent years.In this paper,the research status of wave power exploitation at home and abroad is analyzed from the aspects of history of developement,methods of wave energy evaluation,types of wave energy converters(WECs)and typical devices. This paper also summarizes and elaborates the research direction and technical difficulties in nonlinear hydrodynamic calculation,energy stabilizing,array generation design as well as applications combined with other clean energies.Finally,the prospect for future utilization of wave energy is put forward.

wave power generation;history of development;evaluation on energy resources;wave energy converter;array power generation field

P743.2

A

1003-2029（2017）04-0076-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.014

2017-03-08

海洋可再生能源專項資金資助項目（GHME2017ZC01，GHME2016ZC01，GHME2016ZC02，GHME2016ZC03）；海上儀器設備海洋能供電系統示范（GHME2017YY01）；山東大學交叉學科陪育項目資助（2016JC035）

劉延俊（1965-），男，教授、博士生導師，主要研究方向為海洋能開發利用技術及裝備、深海探測取樣技術及裝備、海洋機電裝備與材料、液壓氣動比例伺服系統設計、開發、建模、仿真及控制。E-mail：lyj111ky@163.com