波浪能發電技術在船舶上的應用

熊瑋 谷漢斌 劉海源 K.THIRUVENKATASWAMY3

【摘 要】 為保護環境、節能減排，推進可再生能源――波浪能的利用，回顧波浪能發電技術發展史，從波浪能轉換裝置優化和應用兩方面概述其發展情況，分析波浪能發電裝置在船舶上的應用實例，歸納適合各種船舶特點的波浪能發電裝置類型，總結波浪能發電裝置在船舶上的應用趨勢：在船舶設計初期，充分考慮波浪能的利用；將波浪能發電作為船舶輔助和生活用電；將波浪能與其他新能源聯合應用。將可再生能源波浪能應用在船舶發電上，可有效降低船舶排放，有利于人類社會可持續發展。

【關鍵詞】 能源；波浪能；發電；船舶

0 引 言

18世紀工業革命以來，世界能源需求不斷增加，傳統化石能源消耗迅速，生態環境逐漸惡化并嚴重威脅人類社會可持續發展。人們尋求新型可再生能源以滿足日益增長的能源消費需求。進入21世紀，世界各國愈發重視開發和利用新能源，陸續出臺了一系列相關政策和措施并加大了資金支持力度。

海洋中的波浪能具有無時不在、無處不在、能流密度大的特點，沿海國家，尤其是波浪能資源豐富的國家對此高度重視。我國船舶眾多，但尚未在船舶上應用波浪能發電技術，若能在此領域有所突破，將是革命性的發展。

1 波浪能發電技術發展和應用

1.1 國內外波浪能發電技術發展概況

20世紀60年代，首個用于航標燈的波浪能發電裝置研制成功。[1] 自20世紀70年代以來，英國、挪威、日本和美國研究波浪能轉換電能原理及方案，提出了一些創造性新概念。21世紀，“海蛇”、“巨蟒”等巨型波浪能發電裝置成功海試，標志著波浪能發電技術逐漸成熟。

我國研究波浪能發電技術已有30多年。目前，我國已成功建造多座波浪能示范電站，如大管島105 kW多能互補電站、南海500 kW海島海洋能獨立電力系統示范工程、嵊山島500 kW多能互補示范電站等，并規劃在廣東、山東、海南各建1座1 000 kW級的岸式波浪能電站。[2]

1.2 波浪能發電裝置研究近況

（1）裝置水動力特性得到完善。通過物理試驗或者數值模擬的方式，改善了發電裝置的幾何形狀，減小了拖曳力，使浮體能緊隨波浪浮動；增大了水平振蕩力和相對運動；合理利用共振，提高了能量捕獲效率。

（2）裝置規模化。由于單位寬度上波浪能相對較小，波浪裝置的陣式布置、規模化對于降低波浪能發電成本、提高發電總量具有重要意義。

（3）海洋測試。海洋波浪是不規則波，海況條件也比在數值模擬和物理試驗時復雜得多，因此建立波浪能海上測試場十分必要。

（4）儲能方式。由于海洋波浪的隨機性及實際用電對電流、電壓的穩定性要求，與波浪能裝置相匹配的能量儲存方式至關重要。

1.3 發電裝置的應用優勢

（1）波浪能資源豐富，能流密度大。據統計，全球波浪能儲量達25億kW，多數海域年平均波浪能流密度超過10 kW/m；我國的波浪能裝機容量為160萬kW，按現有技術理論發電量可達1.288？09 kW[3]。我國波浪能資源豐富，很適合開發利用。

（2）經濟節能。在偏遠海島，中等波況下波浪能發電成本不到0.05美元/（kW穐），而傳統發電方式的發電成本通常大于0.19美元/（kW穐）。在給海島和離岸海上設施供電方面，與火力和水力發電方式相比，波浪能發電能解決傳統發電方式因運輸不便而引起的高成本問題。

（3）符合環保要求。波浪能發電能降低對環境的污染，有利于環境保護。

2 波浪能發電裝置在船上應用的探索

2.1 國內外實例

1799年，法國的吉拉德父子利用波浪能使漂浮船上的機械裝置驅動岸邊的水泵和發電機發電并獲得發明專利。日本于1978年建造了波浪能發電船“海明”號，后于1997年建造了“巨鯨”號波浪能發電船，該船將發電機組并排放置，提高了波能利用率。英國的Christopher Cockerell將2艘泵船鉸接到一起，泵船之間連接液壓動力輸出系統，實現了波浪能的利用，并于1980年取得波浪能筏式發電系統專利。瑞典漂浮式波浪能發電船是一種越浪式裝置，不受潮差影響，可以適應各種極端海況。波士頓大學的Andre Sharon等人在2011年清潔技術博覽會上提出建造波浪能發電自航式電站的設想。

我國對波浪能發電船的研究起步較晚，但成果可觀。1990年，我國研制的裝有后彎振蕩水柱式波浪能轉換系統的導航燈船“中水道1號”成功地完成了為期1年的海上測試。“八五”期間，我國研制的后彎管波浪能發電船進行了模型性能試驗。“中水道1號”燈船和后彎管波浪能發電船的發電原理與“海明”號、“巨鯨”號相似。2012年，我國“鷹式一號”振蕩浮子式半潛船在萬成山海域進行海試。

目前，已應用的波浪能發電裝置有振蕩水柱式、振蕩浮子式（繩輪―棘輪式）、擺式、越浪式和筏式。由于振蕩浮子式波浪發電裝置具有捕能效率高、免受海水侵蝕、成本低、輸出電能穩定等特點，因而在船舶上應用會有廣闊前景。

2.2 應用方式和廣闊市場

2.2.1 應用方式

船舶利用波浪能發電的最大問題是發電裝置會增加船舶行駛阻力，降低機動性能，同時也對波浪能發電裝置的穩定性和生存性能提出更高要求。

2011年，安德雷·夏倫等人設計了2種波浪能發電船（見圖1）。這2種波浪能發電船具備自航能力，可以駛回港口躲避極端海況，降低了對裝置生存性能和安全性能的要求，節約了裝置制造成本，同時因使用蓄電池存儲電能，還省卻了海底電纜鋪設費，既大大地降低了波浪能發電成本，又不會對海洋環境造成影響。這種裝有波浪能發電裝置的船舶錨泊時利用波浪能發電并儲存在蓄電池中，船舶航行時可將裝置浮體部分收起，不會增加船舶航行阻力。

我國的波浪能發電技術已應用于小型燈船、海洋航標船，如100 W振蕩水柱式“中水道1號”航標船、5 kW后彎管波浪能發電船。“中水道1號”航標船為波浪能發電技術應用在航標船上提供了參考。

2.2.2 廣闊市場

漁船輔助用電主要用于船舶照明系統，在捕魚作業時，漁船雖停留在捕撈區域不需要動力，但仍需要消耗燃油為船舶輔助用電系統供能，以保證船舶作業的正常運作。整個捕撈作業過程船舶停留時間久、能耗大，非常適合利用波浪能發電裝置。

《中國漁業統計年鑒2016》數據顯示，我國有海洋捕撈漁船18.72萬艘，總功率達萬kW。如果取柴油機平均燃油消耗率為230 g/（kW穐）、1年工作時間 h，則18.72萬艘海洋捕漁船年消耗燃油量為795.8萬t，波浪能發電技術在此領域有著巨大市場。

3 波浪能發電技術在船上應用的發展趨勢

國際海事組織制定的新船能源效率設計指數（EEDI）是用來評估船舶二氧化碳效能的指標，即船舶每單位創造的社會效益和二氧化碳排放量的比值。EEDI頒布實施后，新造船舶必須符合EEDI規定標準，推進了綠色船舶設計的發展；而將波浪能這種可再生能源應用在船舶發電上，可有效降低船舶碳排放。基于上述分析，波浪能發電技術在船舶上的應用趨勢如下：

（1）在船舶設計初期，充分考慮波浪能的利用。“中水道1號”航標船采用沿船底向后彎曲的后彎管振蕩水柱波浪能發電裝置，船體設計成對稱的對角線簡易線型，外板為平面結構，建造簡單，造價低廉，維修方便。“鷹式一號”波浪能發電裝置是在半潛船上利用波浪能發電，船體上浮就可進行發電裝置的回收、檢修和保養。在船舶設計初期就考慮波浪能的應用，不僅能降低船舶碳排放，還能節約制造和改裝成本。

（2）將波浪能發電作為船舶輔助和生活用電。船舶選裝波浪能發電裝置要結合船舶用電、作業及適用海況等因素，對于長期處于錨泊狀態的船舶可選用振蕩浮子波能發電裝置；對于航速低、需大電量為船上輔助機械和照明系統等供電的船舶（如流刺網漁船），可以裝備點吸收式、擺式波浪能發電裝置；需配備大量大功率燈具的船舶（如魷釣船），則可以裝載振蕩水柱式、點吸收式或者筏式波浪能發電裝置。船舶上可同時配裝蓄電裝置，在適宜發電的情況下，將多余的電量儲存起來。

（3）波浪能與其他新能源聯合應用。單一新型能源的利用，會受到其自身特點和環境條件的限制，若能聯合風能、太陽能等共同使用，就能解決單一能源使用局限性的問題。如裝機容量為2 MW的英國奧斯普瑞波浪能發電裝置集波浪能發電和風能發電于一體，是一個典型的再生能源聯合應用的實例。我國也計劃在100 kW的“鷹式一號”運行成功后，將其發展成為一個利用太陽能、風能等再生能源的多功能復合平臺。

（4）波浪能自航式電站。現有大多數離岸漂浮式波浪能發電裝置在投放或回港檢修時依靠船舶拖航，如果建造具有自航能力的波浪能發電站就可以改變這種狀況，既無需鋪設海底電纜，降低發電成本，又可在將遭遇極端海況時自行回港躲避，節約拖航成本。

4 結 語

波浪能發電技術的研究歷史悠久，但因技術和環境條件的制約，其在船舶上的應用未能得到推廣。從上述研究來看，波浪能在船舶上應用的前景廣闊，若能大規模應用，將對我國船舶行業發展和實現漁業現代化起到巨大的推動作用。

參考文獻：

[1] 余志.海洋波浪能發電技術進展[J].海洋工程，1993（1）：86- 93.

[2] 李成魁，廖文俊，王宇鑫.世界海洋波浪能發電技術研究進展[J].裝備機械，2010（2）：68-73.

[3] 邁克康奈爾 G，李蓉.波能發電的未來[J].水利水電快報，2001（13）：32-33.