舟山海域波浪能開發利用方式的設想與展望

陳喜龍，王志平，谷漢斌，熊　瑋，潘桂凰

（1.神華國華（舟山）發電有限責任公司，浙江　舟山　316000；2.舟山港股份有限公司，浙江　舟山　316000；3.浙江海洋大學，浙江　舟山　316000）

0　引言

目前，全球不可再生能源占能源消耗比例極大，存在枯竭的危險。因此，可再生能源成為未來解決能源問題的重要來源，包括水能、太陽能、風能、海洋能、地熱能等。其中，海洋波浪能是主要的海洋能源之一，全球儲量約25億kW[1-2]。盡管海洋波浪能大部分分布在西風帶海洋水域[3]，但是我國海岸線很長，很大范圍海岸水域波浪能處于可開發利用范圍，總可開發利用功率約3 000～4 000萬kW[2，4-6]，由此，海洋波浪能源利用成為我國重要研究開發領域。

1799年法國吉拉德父子獲得最早波浪能利用機械發明專利。1854—1973年119年間，英國登記了波浪能發明專利340項，美國61項。在法國，可查有關波浪能利用技術有600多種。1910年，法國布索·白拉塞克建了第一座氣動式波浪發電站。1960年代，日本研制成功用于航標燈浮體上氣動式波浪發電裝置。從1970年代以來,中國也開展了此項研究[1]，英國、日本、挪威等國為波浪發電研究投入大量人力物力，成效最顯著。目前歐洲、澳洲和美國等更是對波浪能源利用給予更大期望，一方面進行科學試驗研究，一方面進行了許多波能轉換裝置海洋試驗，以提高波浪能捕獲，能源轉換和并網等技術。我國也開始投入更多的資金，參考發達國家經驗，以期獲得關鍵技術突破。

浙江海域年平均波浪能功率5.32～7.31 kW[7-11]；近海年平均波浪能功率2～6 kW[12-13]；該海域波浪能利用有效時間長[14]，具有很好的開發利用前景。舟山群島由1 390個大小島嶼組成，海洋經濟新區的成立，帶動新一輪發展，勢必極大增加能源需求[15]；而其海洋能源資源豐富，有條件充分利用海洋能源。所以，在此探討舟山海域波浪能利用方案與設想是非常有意義的。

1　波浪能發電原理與波浪能利用技術發展

為了利用波浪能發電，目前人們提出各式各樣波浪能源轉換裝置[16-24]。按地理位置，可分為岸式[25-27]、近岸式和離岸式[28]。按波浪能轉換裝置結構形式分為漂浮震蕩式、點吸收式[29]和平臺式[30]。按波浪能轉換裝置的操作形式，分為淹沒壓差式、 搖擺式[31-32]、 OWC（震蕩水柱式）[33-34]和越浪式裝置[35]。

然而，一些裝置可能帶有幾種分類特性。Babarit對能夠收集到詳細數據資料的各種波浪能裝置捕能效率采用波浪能捕捉寬度比（裝置捕捉波浪能/單寬理論波浪能/裝置特征寬度）[36]進行了比較。各類裝置波浪能捕捉寬度比范圍在3%～182%，每類裝置效率有高的也有低的，不同類型轉換裝置特性統計見表1。因此，無法判斷哪類裝置有明顯優勢或劣勢，在實際應用時，應該根據具體裝置的特性進行選擇。

國內外波浪能轉換裝置發展呈現幾種趨勢：

（1）從裝置本身來說，完善單體裝置水動力特性，提高波浪能量吸收效率。

（2）降低波浪發電成本，研究波浪裝置陣式布置，形成規模化，便于商業化運營。

（3）進行波浪能源裝置海上測試。

（4）完善儲能方式。

（5）安裝海上波浪能、風能、潮流和太陽能復合裝置等。

2　舟山波浪能資源分析

舟山位于浙江省東北部，東鄰東海，西面杭州灣，南面與浙江省大陸相距3 km左右，北面長江入?？?。該海域眾多外島面臨廣闊東海，海域波浪資源豐富，是我國波浪能量儲量最大的海區之一（見圖1）。有居民的海島能源都十分緊缺，這些海島多遠離大陸，供電、供水緊張，嚴重制約了海島經濟發展。因此，在深遠海及邊遠海島充分開發利用波浪能、海上風能資源，使之由近岸走向深遠海和邊遠海島，加速產業化、規模化，打破能源困境，緩解能源危機，促進舟山地區可持續發展，迫在眉睫，意義深遠。

圖1　舟山海域島嶼分布

據文獻[7]研究表明，東極島至中塊島之間，譜峰周期7～9 s波浪蘊藏波浪能功率占全年50%左右，0.8～1.8 m有效波高所產生波浪能占全年70%左右；臺門鎮和蝦峙鎮以東海域，譜峰周期6～9 s波浪蘊藏波浪能功率占全年70%左右，0.8～1.8 m有效波高所產生波浪能占全年60%以上；壁下鄉大嘴島以東，嵊山以北海域，譜峰周期6.5～8.5 s波浪蘊藏波浪能功率占全年50%左右，特別是6.5～7.5 s波浪能儲量較大，0.8～1.8 m有效波高所產生波浪能占全年60%左右，0.8～2.2 m有效波高所產生波浪能占全年75%左右。年均波浪能功率密度在5～6 kW/m，波浪資源豐富。

表1　不同類型波浪能源轉換裝置特性統計（基于Babarit研究[36]和M4資料）

舟山市陸域面積1 440 km2，海域面積2.08萬km2，大小島嶼1 390個，島嶼岸線2 444 km，外島多位于-20 m等深線以外，這里水深、浪大，是波浪能利用的好場所。外島分布總體看，從南向北呈SSW（南偏西南）到NNE（北偏東北）走向分布。局部外島又呈群島式、孤島式、環抱式、外突式等等（圖2—圖5），可以按島嶼特征采用不同波浪能利用方式，綜合開發利用。下面依據波浪能裝置特點提出一些建議和展望，希望為本地區波浪能利用提供參考。

圖2　群島式

圖3　孤島式

圖4　環抱式

圖5　外突式

3　舟山海域波浪能的利用方式

盡管舟山海域波浪資源豐富，但每年有4次左右臺風登陸，對裝置安全存在巨大威脅，因此在波浪能利用的設計、建設、安裝和運營維護等方面都要引起足夠重視。

另外，可以依據海島特征利用波浪反射、聚焦、淺水變形和爬坡等特性，提高波浪能利用效率。還要考慮環境影響，盡量減少對環境較大改變，具體方案如下：

3.1　岸式

岸式波浪能轉換裝置受潮位影響較大，舟山海域可以將波浪能利用和潮汐能利用結合起來，特別在群島式或環抱式岸線上。該海域外島至少10個以上海灣面積大于2 km2，具有建成潮汐和波浪能利用發電廠的水域面積和波浪資源。波浪能轉換裝置可以采用越浪式、震蕩水柱式或點吸收式（見圖6），可以連接陸域建成封閉水域，使連接的堤壩基本垂直常浪向和強浪向，利用波浪反射增大堤前波高。如采用越浪式波浪能設施，利用深水大浪的同時，堤體結構反射增加了越浪量。也可以利用震蕩水柱式裝置，在這方面我國具有大型沉箱結構設計、施工建造能力；建造大型底部開孔箱體，上部設汽輪發電機透氣孔，即可實現震蕩水柱式波能利用裝置?；蛘哌€可以利用固定點吸收式裝置，在堤壩上安裝滑桿和振動浮子，利用浮子吸收波浪能。同時設置單向水流進入的流道，漲潮時蓄水發電、落潮時放水發電。形成波浪能和潮汐能綜合利用的發電設施。

圖6　波浪能潮汐能綜合利用場所設想

在孤島式和外突式島嶼上（見圖7），波浪能裝置可以采用越浪式、震蕩水柱式或點吸收式?？梢跃植刻幚戆毒€使其基本垂直常浪向，利用波浪反射增大堤前波高?；蚶冒毒€夾角，稍作工程處理使其形成局部波浪能集中的區域，提高波浪能利用效率。

圖7　利用波浪反射或夾角波浪能集中的波能利用場所設想（岸式）

岸式能源轉換裝置使用，方便利用海島電力進行海水淡化，解決海島淡水不足的問題。在局部海灣筑壩攔水，勢必引起其他附近水域水流流速變化，在流速增大的水域可設置潮流發電設施。

波浪能、潮汐能和潮流能的綜合利用要以海域資源細致調查為基礎，首先了解自然資源，然后進行擬建工程水域內資源重新分配的模擬調查，包括詳盡數值模擬和必要物理模擬，指導工程設計、優化和實施。

3.2　近岸式

在相對較淺的水域（一般水深小于1/2波長），通常采用適用于近岸波浪能轉換裝置，如搖板式、系于海底基礎上的點吸收式或安裝于固定平臺上的點吸收式等。這里也可充分利用波浪傳播特性，尋找與波浪入射方向接近垂直的岸線前淺水域、或具有水深沿波浪傳播方向陡然變淺的水域、或能夠產生波浪能集中的夾角水域，如圖8所示。適當處理附近岸線，以便于波浪能量集中，這種處理須盡量減少對環境的影響。為了能夠充分利用波浪能，波浪能轉換裝置在淺水水域按陣列布置，形成規模、降低單位成本。同時考慮陣列布置方式時，使該布置每一個裝置的波浪能吸收能夠達到最大化。這種布置方式的比較需要有數值或物理模型試驗來提供科學支持。

圖8　利用波浪反射或夾角波浪能集中的波能利用場所設想（近岸式）

在這類水域還可以考慮波浪能和潮流能、風能的綜合利用，提高海洋能利用效率。如采用固定平臺上點吸收式浮子裝置吸收波浪能，平臺上部可設風機塔，支撐平臺的結構下部安裝低水頭水輪機，利用潮流能發電。

3.3　離岸式

漂浮震蕩式波浪能轉換裝置適用于離岸深水區。如前所述，有各種各樣的漂浮震蕩式波浪能裝置，其中M4（系泊多浮體多模式），見圖9，波浪能轉換裝置具有很高的波浪能捕獲效率[37-40]，按Babarit對裝置波浪能捕捉寬度比的定義，其波浪能捕捉寬度比最大達182%。該裝置設計適用于離岸深水海域，物理試驗模擬顯示能在16 m巨浪情況下生存。它由3個吸收波浪能的浮體沿波浪傳播方向一字排開，迎浪為最小尺度浮體，錨鏈系于該浮體上；中間為中尺度浮體，和小尺度浮體剛性連接；第3個為大尺度浮體，其上部剛性連接一鋼梁與中間浮體上的立柱鉸接；發電機構是連接立柱和鋼梁的氣缸。該裝置不同尺度浮體對應不同自振頻率，可較好利用共振原理吸收海上不同頻率波浪。系泊多浮體多模式M4波浪能轉換裝置已完成大量理論分析、數值和物理試驗研究，具有完善的研究基礎，因此，設想在舟山外島深水海域使用。以島嶼為支撐，提供陸域支持，浮式多模式波浪能裝置設于深水大浪區，可以較好利用波浪資源，使電力轉換最大化。同時考慮陣列式布置，提高電量生產、降低單位電價；設想布置見圖10。該裝置的研究仍在進行中，包括浮式多連體物體運動數學模型、錨泊系統模型和流體水動力學模型及相關物理模型，并有效地結合；進一步優化裝置機構；研究各種海況情況下裝置波浪能捕捉寬度和極端海浪條件下結構受力等，為設計提供科學依據。

圖9　M4波浪能源轉換裝置

圖10　浮式、多模式、潛浮的波浪能裝置在深水區波能利用場所設想

離岸深水區也可以考慮波浪能、潮流能、風能、甚至太陽能的綜合利用，但綜合利用的設施復雜，海上環境條件又非常惡劣，在裝置研究不很成熟的情況下，考慮單一裝置比較實際。

4　結語

以上首先介紹了波浪能利用的發展現狀和趨勢；然后分析了舟山海域波浪資源，介紹了舟山4種島嶼特征形式；結合國內外波浪能源裝置研究和舟山海域外島特征及波浪資源，提出了適用島嶼岸式、近岸和離岸式波浪能利用設想和展望。特別是近岸圍灣筑壩綜合利用潮汐、波浪能和潮流能，試圖尋求能源最大化的利用模式，及離岸漂浮多模式波浪能轉換裝置既能高效捕捉波浪能又具有抗臺風浪能力，為波浪能源開發利用提供參考。