淺析波浪能發電的現狀與發展

李學民

浙江浙能鎮海聯合發電有限公司

0 引言

海洋是孕育人類的搖籃，也蘊藏著巨大的能量，海洋覆蓋了地球70%的表面，全球約44%的人口都居住在距海岸線150 km的范圍內，人類向大海索取資源或將成為必然的趨勢。理論上，海洋完全可以滿足地球上所有的能源需求，并且不會對大氣造成污染，由于波浪能是海洋能中品位最高、分布最廣的可再生清潔能源（其分布情況如圖1所示）,如何高效利用廣闊的波浪能，一直是各國科技工作者夢寐以求的目標。

近年來，世界許多國家都在積極開展波浪能發電技術的研究和探索，有的處在研發期，有的已生產出了各種類型的波浪能發電裝置，進入了海洋試驗階段，還有的已成功發電，并向特定的用戶進行供電。然而，波浪能發電普遍存在發電功率小、發電不穩定、轉換效率不高、制造和運維成本高等問題，進行產業化運作，還需社會各方的共同努力。

本文就國內外近年來在波浪能發電方面的研究情況進行一個初步的分析，提出未來發展建議，為助推波浪能發電向商業化發展提供動力。

1 國內外波浪能研發現狀

1.1 國外研究現狀

全球范圍內，目前僅有英國(Aquamarine、Ecotricity、REH、AWS Ocean、PWP 公 司)、愛 爾 蘭（Ocean Energy公司）、丹麥（Wave Star、Waveplane、Wavedragon公司）、美國（OPT公司）、澳大利亞（Energetch公司）和挪威（LWP公司）等國家研發了一些波力發電裝置[1-20]（見圖2）。

圖1 全球波浪能能流密度分布（圖中數字的單位為kW/m）

圖2 國外波力發電部分產品樣機

當前，能夠持續在海洋中運行的離岸波浪能裝置已經逐漸呈現，如英國的改良筏式裝置即第二代海蛇（Pelamis），以及浮力擺裝置牡蠣（Oyster），美國的點吸收裝置PowerBuoy，愛爾蘭的漂浮振蕩水柱式裝置OE Buoy等，有的作為示范或特殊軍用，進行了獨立發電和并網測試。

國際上現有的波力發電裝置主要有點吸收式、擺式、振蕩水柱式、越浪式、筏式和點頭鴨式6種類型[2]。

點吸收式的代表性裝置有愛爾蘭的Wavebob、美國的Powerbuoy等，其結構簡單，易于模塊化制造，單位體積功率比較高，但容易“隨波逐流”，對波頻敏感，俘獲波能有限。

擺式裝置有英國的Oyster、葡萄牙的Waveroller等，其結構簡單，裝置可靠性較好，但岸式結構受潮汐漲落影響，漂浮式轉動軸固定需剛性系泊，俘獲波能有限。

振蕩水柱式的代表性裝置有澳大利亞的Oceanlinx和愛爾蘭的OE-Buoy。振蕩水柱式由空氣作為能量傳遞介質，能量傳遞過程無活動部件，大浪條件下不易損壞，可靠性高，裝置排水量相對較小，目前空氣透平轉換效率低（15%），其水動力特性不夠理想。

越浪式裝置有丹麥的Wave Dragon、挪威的TAPCHAN等，水體本身為能量傳遞介質，能量傳遞過程無活動部件，但結構體積大，波浪越浪量和轉換效率受有效波高影響，如果有非常好的波浪條件，建造成本可控制在較合理水平。

筏式的代表性裝置有英國的Pelamis[3,9,12]，該裝置吸收能量多，發電功率大，對波頻變化敏感度不高，使得裝置能在設計工況下高效俘能，而在極端海況下低效俘能，從而具有高的生存能力。這種筏式波浪能轉換裝置的優點是發電效率高，如第二代Pelamis裝置（由五節長36 m、直徑為4 m的圓筒所組成）在海上試驗中所測得的俘獲寬度比（效率）達86%，該裝置自由懸浮在水中可應對惡劣海況，其安全性較高且結構簡單，但成本相對較高。

點頭鴨式裝置[6]需要在海域內固定，能截獲大部分的波浪能，效率較高，但其吸收功率源方式單一、頻響寬度較小，制造成本較高，可靠性和生存能力一般。

1.2 國內研究現狀

據初步統計，我國目前在引進和消化國外技術的基礎上，研發了單機功率大小不等的各類波浪發電裝置，一些裝置也已開展了海上測試多年，并實現了成功發電。

國家海洋技術中心于2012年7月在大管島海域對100 kW浮力擺式裝置進行了海試，經受了臺風考驗。山東大學于2012年11月在山東成山頭海域開展了120 kW振蕩浮子式波浪能裝置的海上試驗。浙江海洋學院研制了“惡劣海況下自保護式波浪能發電裝置”，于2013年5月在舟山海域進行試驗。集美大學于2014年6月在廈門小嶝島海域對10 kW浮擺式波浪能裝置進行了海試。中船重工710所研制的筏式波浪能裝置于2014年7月開始海試，8月中旬因海況惡劣而中止試驗。中國海洋大學對點吸收式裝置、越浪式裝置進行了研究。中科院電工所于2017年對10 kW磁流體波浪能發電裝置開展了海試研究。

我國一些大型企業制造了與海蛇二代波浪能發電裝置相似結構（即采用二節鉸接的圓筒浮體和多節鉸接的圓筒浮體，油壓驅動發電機發電）的發電裝置，并開展了海試，但沒有達到預期效果。

中科院廣州能源所于2013年制造了100 kW漂浮點鴨式發電裝置[21,22]，裝置重350 t，長寬高尺寸為23×12×14 m，有效波高0．7～4 m，在大萬山島進行了海試。2015年11月20日，中科院廣州能源所開始在萬山島海域測試100 kW鷹式裝置的性能，該裝置長寬高為36×24×16 m、吃水深12 m，為半潛駁船與波浪能轉換設備的結合體，在波高0．6～2．5 m（對應波周期 4．0～6．5 s）時裝置發電效率約20%。

清華國際研發團隊通過幾年的探索，研發了適應各類波高和不同能量密度的筏式波龍I型發電裝置[13]（見圖3），該裝置基于波浪能利用技術的研究現狀，在Pelamis裝置技術基礎上作了一些重大的技術改進和創新，具有生存能力強、能量轉換效率高、頻響寬度寬的優勢。主要體現在：

1）采用流線型、低排水量的體型技術，使裝置在較小波浪力作用下能高效工作；

2）采用單向轉動自由度，使水平布置的液壓缸只受軸向力，更好地確保其正常工作，且液壓缸布置在水面以上，有利于防腐蝕和維護；

3）采用大小機組組合及控制技術，使得裝置在各種大小海況下都能高效運行；

4）采用前點浮球系泊和后點控制轉向范圍系泊的雙點系泊技術，有利于減弱錨鏈對于多結構體相對轉動的約束作用，也有利于裝置與來波方向一致，使裝置最大程度俘獲能量；

5)采用儲能技術及壓強、流量控制技術，從而提高電力輸出穩定性和增大發電量。

目前該裝置已完成了理論研究和實驗室試驗，準備適時打造樣機，開展海試。

2 當前存在的問題

雖然各國波浪能發電示范研究都有了一些進展，取得了具有較高科學價值的相關數據，但從目前技術發展來看，波浪能發電裝置的研發仍處在技術攻關和產業化前夕階段，還有諸多問題需要解決，主要有以下4個方面的表現。

1）波浪能利用的理論和開發技術目前仍在發散，說明國內外研究人員對波浪能利用技術的看法并不統一。而實際上，這種技術的統一是相當困難的，原因在于世界各地的波浪能資源不盡相同。我國海域主要靠季風產生波浪，波浪能流密度約2～10 kW/m，而西風帶的英國、挪威、西班牙、澳大利亞、美國等大洋東岸海域內波浪能流密度高達50～90 kW/m，波浪能資源較為豐富。此外，波浪的形態也極不穩定，通常表現為風浪、涌浪和近岸浪三種，因此，對波浪能轉換技術利用的側重點也不同，難以達成統一的技術。

2）現今波浪能的利用形式是將大面積的波浪能加以吸收，并集中轉換成機械能，再帶動電磁發電機運轉發電。由于波向、波高、周期等波浪要素的隨機性較大，如何最大限度地獲取波浪能，提高轉換效率是一個需要不斷試驗總結改進的過程，進而造成研發周期長、運維和試驗費用高等問題。

3）我國是一個季風特點的波浪形態，能量密度較小，能量俘獲難度更大，外加東海和南海臺風較多，極端氣候時有出現，如何提高波浪能裝置的可靠性也需要在實踐中找到答案。

4）就筏式等波浪能裝置，其液壓缸泄漏問題至今未能得到有效解決，而浮式振蕩水柱波浪能發電裝置，如何解決高效沖動式空氣透平效率問題，有待于技術上的進一步突破。

圖3 波龍Ⅰ型發電裝置外形圖

3 波浪能裝置發展建議

3.1 加大政策導向和扶持力度

國家應出臺有關波浪能研發和利用的鼓勵政策，明確有關地方政府為波浪能海洋試驗提供必要的場所和支持。成立有權威性、代表性的國家層面波浪能研發團隊，集各家所長，總結經驗，不斷改進。此外，還應給予國家電網對可并網的波浪發電裝置接入系統的政策支持，明確波浪能優惠的上網電價，盡可能地提高波浪能發電的經濟效益。

3.2 加強產、學、研合作

形成國家支持，學院、科研單位和企業共同投入的開發體系，有效發揮各自所長，破解目前因研發經費不足和技術上的瓶頸所帶來的困境。此外拓展思路，積極探索諸如摩擦納米發電技術的波浪能發電裝置。

3.3 探索波浪能發電與海上風電共同開發的示范項目研究

充分利用海上風電附近海域，借助其電網接入、運維平臺等便利條件，最大限度地降低波浪能發電研發成本，同時結合太陽能、儲能，實現多能互補的開發模式。此外，還可考慮與海洋養殖、旅游觀光相結合，開發多功能一體的商業運營模式。

4 結語

進入二十一世紀以來，我國正在著力開發海洋資源、發展海洋經濟，特別是一些遠離大陸的海島、海上工作平臺的電力短缺問題亟待解決。如果能研發出一種高效可靠的波浪能發電裝置，將是一種可持續提供清潔能源的途徑，為海洋強國提供可靠的能源保障。