波浪能在航船上的應(yīng)用分析

楊慶勇，李博洋，郭 超，楊倩倩

（1. 交通運(yùn)輸部北海航海保障中心青島航標(biāo)處，山東青島 266011；2. 青島科技大學(xué)，山東青島 266061）

0 引言

世界各國(guó)能源需求量與日俱增。石油、煤炭等傳統(tǒng)化石資源被大量消耗，生態(tài)環(huán)境遭受破壞，特別是溫室氣體的排放，導(dǎo)致全球氣候逐漸變暖。人們尋求新的可替代能源的步伐不斷加快，世界各國(guó)也紛紛出臺(tái)各種節(jié)能減排的措施。

在船舶業(yè)，隨著國(guó)際海事組織（IMO）對(duì)船舶廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)愈發(fā)嚴(yán)格，尋求新的船用可替代能源也日益加緊。目前，太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源在商船上應(yīng)用取得一定的應(yīng)用效果，而波浪能對(duì)船舶而言也是一種儲(chǔ)量豐富的可再生清潔能源，其應(yīng)用在船舶上有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，若能將波浪能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用在航行船舶上，將會(huì)降低船舶能源損耗，實(shí)現(xiàn)綠色航運(yùn)。

1 海洋波浪能利用技術(shù)的應(yīng)用

1.1 海洋中波浪能利用技術(shù)的發(fā)展概況

1910年，法國(guó)人制造出一種氣動(dòng)式波浪能發(fā)電裝置，該裝置可產(chǎn)生近1 kW的電量。1970年，在石油危機(jī)的刺激下，英國(guó)率先將波浪能發(fā)電技術(shù)作為解決能源短缺的重要方式，積極探索應(yīng)用。1985年，中國(guó)新能源研究所研發(fā)出新一代航標(biāo)燈用波浪能利用裝置，并隨后大批量應(yīng)用于我國(guó)海域的航標(biāo)燈中。1985年，挪威投資建設(shè)了振蕩水柱式波浪能發(fā)電站，該發(fā)電站的發(fā)電功率高達(dá)500 kW，這是波浪能發(fā)電站實(shí)用化的開(kāi)端。2005年，“海蛇”和“巨蟒”波浪能發(fā)電裝置相繼完成了海上試驗(yàn)，這是波浪能利用技術(shù)成熟的標(biāo)志[1]。而在這種發(fā)展趨勢(shì)下，波浪能裝置的研究現(xiàn)狀主要呈現(xiàn)出以下三個(gè)特點(diǎn)：第一，裝置多樣化。有許多外界因素影響海水發(fā)生波動(dòng)，如海風(fēng)、大氣壓、海底地震以及航行船舶的運(yùn)動(dòng)等。為更好的應(yīng)對(duì)海水受外力影響的變化，波浪能發(fā)電裝置也呈現(xiàn)出多樣化。第二，裝置規(guī)模化。由于在海洋中單位體積海水產(chǎn)生的波浪能相對(duì)較小，波浪能裝置采用陣列式布置，以增加裝置規(guī)模的方式進(jìn)而提高發(fā)電總量。第三，裝置耐用性能有所提高。海洋中的波浪有時(shí)波濤洶涌，有時(shí)輕搖慢拍，海況的復(fù)雜程度遠(yuǎn)不是通過(guò)模擬和試驗(yàn)就能分析出來(lái)的，因此，當(dāng)前的波浪能利用裝置大多都經(jīng)歷了海上耐用性測(cè)試。

1.2 波浪能應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

海洋占全球總面積的70%，在海洋中，海浪的沖擊力是非常巨大的，利用波浪能發(fā)電是明智之舉。對(duì)比傳統(tǒng)發(fā)電方式，波浪能發(fā)電有顯著的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在：第一，波浪能資源豐富。與化石燃料相比，波浪能在海上以機(jī)械能形式存在，是海上分布面積最大的可再生能源。第二，成本低。在近海岸，普通海況下波浪能的發(fā)電成本大約是 0.05美元/（kW·h），波浪能的發(fā)電成本僅占傳統(tǒng)發(fā)電方式發(fā)電成本的四分之一。第三，符合節(jié)能減排要求。傳統(tǒng)發(fā)電如火力發(fā)電，會(huì)釋放出大量二氧化碳和硫化物氣體，破壞生態(tài)環(huán)境，而波浪能發(fā)電無(wú)需燃燒原料，不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，降低能源損耗和環(huán)境污染，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[2]。

2 船舶波浪能利用技術(shù)的應(yīng)用分析

2.1 船舶上的應(yīng)用概況

1977年，日本制造出波浪能發(fā)電船“海明”號(hào)，該發(fā)電船年發(fā)電量約為19萬(wàn)度，并于20年后成功制造出波浪能發(fā)電船“巨鯨”號(hào)，見(jiàn)圖 1，該發(fā)電船利用海浪的運(yùn)動(dòng)，在氣室中形成氣壓，進(jìn)而推動(dòng)渦輪機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電過(guò)程。

圖1 “巨鯨號(hào)”振蕩水柱式波浪能發(fā)電船

克里斯托福·科克勒爾在兩艘躉船之間連接液壓裝置，通過(guò)兩艘船之間的搖晃進(jìn)而推動(dòng)液壓裝置產(chǎn)生動(dòng)力，從而完成對(duì)波浪能的利用，并于1980年首次在筏式波浪能利用技術(shù)中取得成果。

20世紀(jì)末，瑞典制造出漂浮式波浪能發(fā)電船，該船是利用海浪的運(yùn)動(dòng)，使船體內(nèi)部質(zhì)量體發(fā)生移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)液壓裝置實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)發(fā)電，該發(fā)電船受潮差影響小，能夠適應(yīng)大多數(shù)惡劣海況。

2011年，美國(guó)波士頓大學(xué)研究員安德雷·夏倫制造了一種擁有自航能力的波浪能發(fā)電船[3]，見(jiàn)圖 2。這種波力發(fā)電船能夠自動(dòng)返回港口躲避惡劣海況，這種發(fā)電船的錨泊裝有發(fā)電裝置，可以將波浪能通過(guò)錨泊轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存。日本波浪能發(fā)電專家益田善雄先生提出后彎管波浪能發(fā)電裝置，率先將該裝置應(yīng)用于航標(biāo)船上，該發(fā)電裝置管內(nèi)水柱形狀為L(zhǎng)型，可以同時(shí)吸收搖擺與振蕩兩種形式能量。這就是“中水道1號(hào)”航標(biāo)船的原型。在普通海況下，該發(fā)電裝置的平均輸出功率可超過(guò)50 W。

圖2 安德雷·夏倫設(shè)計(jì)的波浪能發(fā)電船

我國(guó)對(duì)波浪能利用裝置在船舶上應(yīng)用的研發(fā)在20世紀(jì)70年代正式開(kāi)始，起步雖晚，但成果非常可觀。1975年，上海機(jī)電局成功制造出一種功率可達(dá)1 kW的波浪能發(fā)電浮標(biāo)并在浙江嵊泗列島試用成功。1990年，我國(guó)成功制造出一種利用振蕩水柱波浪能發(fā)電的導(dǎo)航船“中水道1號(hào)”，并完成了1年的海上試驗(yàn)。2020年6月，中科院設(shè)計(jì)制造出超過(guò)500 kW發(fā)電功率的鷹式發(fā)電裝置“舟山號(hào)”，見(jiàn)圖3。

圖3 500KW鷹式波浪能發(fā)電裝置“舟山號(hào)”

由此可見(jiàn)，關(guān)于將波浪能發(fā)電裝置應(yīng)用在船舶上，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖給出了一些設(shè)計(jì)方案和應(yīng)用方式，并研究出一些有益的成果，但這些應(yīng)用裝置大多是用于無(wú)動(dòng)力的躉船或海洋平臺(tái)，無(wú)法實(shí)際應(yīng)用于航行中的船舶，即使將發(fā)電裝置應(yīng)用在航行中的船舶上，也會(huì)給船舶航行造成額外阻力，無(wú)法真正在船舶航行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)波浪能的利用。

2.2 航行船舶對(duì)波浪能的應(yīng)用分析

通常情況下，若是在船舶航行時(shí)對(duì)波浪能進(jìn)行利用，波浪能利用裝置需要與水面進(jìn)行直接接觸，這無(wú)疑是增大了船舶與水面的接觸面積，給船舶航行帶來(lái)額外阻力，同時(shí)也有可能因?yàn)檠b置重量給船舶穩(wěn)定性帶來(lái)影響。因此，在航行的船舶上應(yīng)用波浪能裝置要考慮以下問(wèn)題：首先，要保證發(fā)電裝置產(chǎn)生的能量高于船舶因阻力所損耗的能量。其次，要降低裝置安裝后對(duì)船舶穩(wěn)性造成的影響。

針對(duì)上述問(wèn)題，有學(xué)者利用船舶航行時(shí)橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大量機(jī)械能，提出了一種波浪能發(fā)電裝置[4]，見(jiàn)圖 4。該裝置主要包含橫搖導(dǎo)軌、縱搖導(dǎo)軌、橫搖發(fā)電機(jī)和縱搖發(fā)電機(jī)等。當(dāng)船舶航行發(fā)生縱搖運(yùn)動(dòng)時(shí)，縱搖發(fā)電機(jī)在自身重力的作用下沿著縱搖導(dǎo)軌滑動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)縱搖發(fā)電機(jī)發(fā)電。同理，當(dāng)船舶發(fā)生橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)，橫搖發(fā)電機(jī)也會(huì)產(chǎn)生電量。該裝置在船舶上成對(duì)安裝，對(duì)稱布置在船舶的左右舷上。

圖4 在利用航行船舶縱搖和橫搖的波浪能發(fā)電裝置

該裝置實(shí)現(xiàn)了航行的船舶在橫搖或縱搖過(guò)程中對(duì)機(jī)械能的利用，解決了船舶航行過(guò)程中難以利用波浪能的難題，為船舶航行提供了部分動(dòng)力，或者用于船舶照明等，降低船舶能源損耗，有利于實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能減排。除此之外，將該裝置對(duì)稱安裝在船舶左右舷或者船艙內(nèi)，有效減小了裝置對(duì)船舶穩(wěn)定性的影響。這為波浪能裝置在航行船舶中的應(yīng)用，提供了依據(jù)。

船舶航行過(guò)程中，船體存在六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，對(duì)于船舶所蘊(yùn)含機(jī)械能的利用，該裝置僅僅利用船舶橫搖和縱搖兩種自由度的機(jī)械能。另外，還可以同時(shí)利用船舶其它自由度的機(jī)械能或多種自由度的機(jī)械能，也可利用波浪對(duì)船體的沖擊能，或是甲板上浪后，甲板上海水所蘊(yùn)含的勢(shì)能等多種能量形式。所以針對(duì)不同形式波浪能的回收，可在船舶不同位置處安裝不同類型發(fā)電裝置，以達(dá)到波浪能利用的最優(yōu)化。

中國(guó)是航運(yùn)大國(guó)，船舶數(shù)量眾多。若能將波浪能利用裝置在這些船舶中應(yīng)用，將有效的把航行過(guò)程中船舶產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換使用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋波浪能的間接利用，有利于船舶的節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)綠色航運(yùn)[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜合概述了波浪能利用技術(shù)的發(fā)展概況，介紹了國(guó)內(nèi)外波浪能利用裝置在船舶上應(yīng)用的實(shí)例，分析了波浪能裝置應(yīng)用在航行船舶上的難題并提出解決方案。

隨著波浪能發(fā)電技術(shù)研究的深入發(fā)展，波浪能發(fā)電裝置在船舶上的應(yīng)用已經(jīng)歷了理論設(shè)計(jì)、裝置發(fā)明、仿真模擬、海上試驗(yàn)等階段。受環(huán)境條件影響以及技術(shù)手段制約，該技術(shù)在航行船舶上尚未廣泛應(yīng)用。隨著國(guó)家“海洋強(qiáng)國(guó)”計(jì)劃的實(shí)施，在國(guó)家相關(guān)政策的支持下，波浪能發(fā)電技術(shù)將得到迅速發(fā)展，技術(shù)手段也會(huì)愈發(fā)成熟，未來(lái)將會(huì)大規(guī)模應(yīng)用在航行船舶上，實(shí)現(xiàn)船舶的節(jié)能減排。