趙金峰，黃筱云，陳 理

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410131）

引 言

電力消耗水平是衡量社會(huì)和諧發(fā)展的重要指標(biāo)。到2040年，發(fā)電量將占到全球能源消耗的40%。傳統(tǒng)能源終究有限，屆時(shí)新能源將扮演重要角色。過(guò)去的三十年，新能源的大規(guī)模開發(fā)主要集中在太陽(yáng)能和風(fēng)能領(lǐng)域，而波浪能發(fā)電技術(shù)的社會(huì)資本投入相對(duì)較少，還未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。波浪能利用本身并不是新鮮事物，13世紀(jì)的中國(guó)就利用波浪用于推動(dòng)磨盤，法國(guó)人Girard于1799年申請(qǐng)了波浪能轉(zhuǎn)換的首份專利，法國(guó)人Praceique-Bochaux于1910年制造首套波浪能發(fā)電裝置，日本人增田吉夫于1940年開發(fā)出首套振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置[1]。較太陽(yáng)能和風(fēng)能而言，波浪能能量密度更大，且更可靠。波浪能轉(zhuǎn)化裝置的利用率也遠(yuǎn)高于風(fēng)能和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化裝置[2]。

波浪能發(fā)電裝置形式多樣，但大致原理基本一致，即先通過(guò)波浪能捕捉裝置將波浪能吸收，再通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將波浪能轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定輸出的機(jī)械能，然后利用發(fā)電裝置將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能[3]?，F(xiàn)有波浪能捕捉裝置包括振蕩水柱式、擺式、越浪式、鴨式、筏式、點(diǎn)吸式等[4]。依據(jù)其作用原理，可分為壓力差式、越浪式、浮體式和擺式四類，見圖1。在傳動(dòng)方式上，振蕩水柱式裝置采用氣壓傳動(dòng)，越浪式裝置通過(guò)水輪機(jī)傳動(dòng)，其它裝置則利用液壓傳動(dòng)[3]。根據(jù)修建位置，波浪能發(fā)電裝置分為海岸、近岸、離岸三類。根據(jù)捕捉裝置相對(duì)大小以及相對(duì)于波浪的擺放方式，分為消浪式、點(diǎn)吸式和終端式，見圖2。其中，消浪式裝置的長(zhǎng)軸與波浪傳播方向一致，終端式的長(zhǎng)軸則與波峰平行。

圖1 目前波浪能捕捉常見形式

圖2 波浪能捕捉裝置布置形式

1 波浪能捕捉裝置

1.1 壓力差式

壓力差式波浪能捕捉裝置是利用波峰與波谷之間的壓力差，并通過(guò)氣壓傳遞能量。這類裝置可分為阿基米德式和振蕩水柱式（OWC）兩類。前者一般安放在海底，當(dāng)波峰經(jīng)過(guò)該裝置時(shí)，該裝置被壓縮，而當(dāng)波谷通過(guò)時(shí)，該裝置則回彈，如圖1（a）所示；后者為半浸沒(méi)于水中的氣室，如圖1（b）所示，當(dāng)波浪傳遞到氣室前時(shí)，氣室內(nèi)水面出現(xiàn)上下振蕩。當(dāng)水面上升壓縮空氣時(shí)，空氣被噴出，反之，外界空氣被吸入，這樣，氣流將推動(dòng)透平轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。圖3為壓力差式波浪能捕捉裝置案例。

圖3 壓力差式波浪能捕捉裝置案例

1.2 越浪式

越浪式波浪能轉(zhuǎn)換裝置（OWEC）是將越過(guò)該裝置的水體截留下來(lái)，并利用該部分水體回流帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1（c）所示。該裝置同樣根據(jù)安放位置分為固定式（陸域）和漂浮式（海上）。OWEC裝置具有波浪能轉(zhuǎn)換率較高、整體穩(wěn)定性較好，可與其它近岸設(shè)施相結(jié)合以減少投資等優(yōu)點(diǎn)。圖4為越浪式波浪能捕捉裝置案例。

圖4 越浪式波浪能捕捉裝置案例

1.3 浮體式

該裝置利用漂浮在水面的浮體隨波浪而產(chǎn)生的相對(duì)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。該類裝置包含鴨式、筏式、振蕩浮子式等。鴨式海洋波浪能發(fā)電裝置由英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)于1975年提出，它形如鴨蛋，如圖1（d）所示，在波浪作用下呈繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，遇到短波時(shí)轉(zhuǎn)換效率接近100%。圖5為浮體式波浪能捕捉裝置案例。

圖5 浮體式波浪能捕捉裝置案例

1.4擺 式

該裝置利用隨波浪運(yùn)動(dòng)的擺體捕捉波浪能。擺式裝置按照固定方式分為懸掛擺和浮力擺。懸掛擺擺體鉸接于海面上，如圖1（h）所示，浮力擺擺體則鉸接在海底，如圖1（i）所示。懸掛擺式波浪能發(fā)電裝置又可分為沿岸固定式和海上浮體式兩種。圖6為擺式波浪能捕捉裝置案例。

圖6 擺式波浪能捕捉裝置案例

2 傳動(dòng)裝置

2.1 空氣傳動(dòng)

振蕩水柱波浪能發(fā)電常采用空氣透平，將氣流轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。由于氣流會(huì)改變方向，空氣透平實(shí)際上是自整流的空氣渦輪機(jī)。目前，空氣透平主要有威爾斯透平、丹尼斯透平和軸流沖擊式透平三類（圖7）[1,8]。威爾斯透平屬于自整流軸流渦輪機(jī)，其扭矩對(duì)氣流方向不敏感，是目前最常用的空氣渦輪機(jī)；丹尼斯透平是一種可變螺距自整流渦輪機(jī)，其葉片位于轉(zhuǎn)子輪轂的外圍，平行于流動(dòng)的軸向方向，而不是與旋轉(zhuǎn)方向相切；軸流沖擊式透平的旋轉(zhuǎn)軸線則與氣流方向?qū)R。

圖7 常見的空氣輪機(jī)形式

2.2 水力傳動(dòng)

在波浪能發(fā)電裝置內(nèi)采用的水輪機(jī)分為軸流式和沖擊式兩類[1]，見圖8。沖擊式水輪機(jī)由高速水射流驅(qū)動(dòng)。水射流沖擊葉片時(shí)，帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。佩爾頓水輪機(jī)就屬于沖擊式水輪機(jī)。與沖擊式水輪機(jī)不同，軸流式水輪機(jī)將噴嘴連接到轉(zhuǎn)子上，水流在管道上產(chǎn)生反作用力，使轉(zhuǎn)子沿與水流方向相反的方向旋轉(zhuǎn)，這種水輪機(jī)必須被包裹起來(lái)以容納水壓，或者完全浸沒(méi)在水流中。兩種最常見的軸流式水輪機(jī)是卡普蘭和弗朗西斯水輪機(jī)。越浪式發(fā)電裝置常采用軸流式水輪機(jī)，其中，低水頭裝置使用卡普蘭水輪機(jī)，高水頭裝置則安裝弗朗西斯水輪機(jī)。

圖8 常見的水輪機(jī)形式

2.3 液壓傳動(dòng)

浮體式和擺式發(fā)電裝置常采用液壓傳動(dòng)。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓活塞缸、蓄能器、閥組和液壓馬達(dá)組成，如圖9所示。浮體運(yùn)動(dòng)通過(guò)液壓缸轉(zhuǎn)化成液壓能，而液壓能通過(guò)連接液壓馬達(dá)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，蓄能器的作用則是將低頻波浪轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定輸出的機(jī)械能。

圖9 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)

2.4 直驅(qū)式

浮體式波浪能裝置也可以采取直驅(qū)方式發(fā)電，即利用浮體的運(yùn)動(dòng)直接推動(dòng)線性發(fā)電機(jī)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)發(fā)電，如圖10所示。其優(yōu)點(diǎn)是減少中間環(huán)節(jié)，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和維護(hù)成本。

圖10 直驅(qū)系統(tǒng)

3 國(guó)內(nèi)波浪能捕捉裝置研究

國(guó)內(nèi)最早開展波浪能發(fā)電技術(shù)研究的單位是中科院廣州能源所和國(guó)家海洋局海洋技術(shù)中心。早在20世紀(jì)80年代，中科院廣州能源研究所便研發(fā)了振蕩水柱式發(fā)電裝置用于航標(biāo)燈供電，并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)[9]。1989年，該所在珠海大萬(wàn)山島修建了我國(guó)第一座岸式振蕩水柱電站?！熬盼濉逼陂g，該所在廣東汕尾市研發(fā)建設(shè)了100 kW振蕩式波浪電站。2009年，該所研制了國(guó)內(nèi)第1臺(tái)10 kW鴨式波浪能發(fā)電裝置，并進(jìn)行了測(cè)試[10]。2012年，該所在鴨式裝置基礎(chǔ)上，研制出鷹式發(fā)電裝置[11]。2015年，100 kW鷹式裝置在萬(wàn)山島進(jìn)行了測(cè)試，見圖11。

圖11 浮式波浪能捕捉裝置（中科院廣州能源研究所）

同樣在20世紀(jì)80年代，國(guó)家海洋局海洋技術(shù)中心研發(fā)建設(shè)了8 kW岸式懸掛擺發(fā)電裝置，見圖6（a）。在1996年，該中心在山東大管島建造了30 kW岸式懸掛擺發(fā)電裝置，至今狀況良好[9]。2012年，該中心研發(fā)的100 kW浮力擺發(fā)電裝置在大管島海域投放運(yùn)行（圖12）。

圖12 擺式波浪能捕捉裝置（國(guó)家海洋局海洋技術(shù)中心）

此外，國(guó)內(nèi)不同高校和研究院所也研制了不同類型的波浪能發(fā)電裝置，見圖13。如中船重工701所研制的筏式液壓波浪能發(fā)電裝置“海龍1號(hào)”（2011年）、集美大學(xué)研制的浮擺式波浪能發(fā)電裝置“集美1號(hào)”（2011）、廣東海洋與漁業(yè)服務(wù)中心和華南理工大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的擺式振蕩浮子波浪能發(fā)電裝置（2012）、山東大學(xué)研制的漂浮式發(fā)電裝置“山大1號(hào)”（2012）、浙江海洋學(xué)院研制的自保護(hù)浮子式波浪發(fā)電裝置（2014）、中國(guó)海洋大學(xué)研制的振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置“海靈號(hào)”（2014）。

圖13 國(guó)內(nèi)其它單位開發(fā)的波浪能捕捉裝置

近十年來(lái)，我國(guó)在海洋波浪能發(fā)電領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量超過(guò)3 000件，其中，浙江海洋大學(xué)、河海大學(xué)、上海海洋大學(xué)位居申請(qǐng)數(shù)量排行的第1、2、4位，國(guó)家電網(wǎng)公司則位于第7位。中科院廣州能源所盛松偉等人發(fā)明的“浮體下掛液壓缸式波浪能發(fā)電裝置”位居全球波浪能發(fā)電技術(shù)高被引專利榜的27位[12]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各院校將重點(diǎn)放在高效波浪能捕捉技術(shù)方面。肖曉龍等研究了串聯(lián)直驅(qū)浮子式波浪能發(fā)電裝置[13]，張步恩等研究了新型浮筒式波浪能發(fā)電裝置[14]，曹飛飛等提出了一種液壓式振蕩浮子波浪發(fā)電裝置[15]，劉延俊等研究了浮體形狀對(duì)俘能性能的影響[16]，于通順等則對(duì)可變翼波浪能發(fā)電裝置導(dǎo)葉進(jìn)行了研究[17]，王登帥等研究了微型陣列波浪發(fā)電裝置的捕能特性[18]，薛剛等則提出了一種內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置[19]。

4 波浪能發(fā)電技術(shù)研究重點(diǎn)

波浪能發(fā)電技術(shù)的研究重點(diǎn)包括：復(fù)雜流體水動(dòng)力特性分析技術(shù)、穩(wěn)定和高效發(fā)電設(shè)計(jì)、陣列化發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)、組合式海洋能開發(fā)技術(shù)等[11]?，F(xiàn)有波浪能捕捉理論主要基于線性波理論，未考慮波浪的非線性特征，不能精確計(jì)算波浪動(dòng)力特征。波浪不穩(wěn)定特點(diǎn)以及能流密度低、轉(zhuǎn)化率低是制約波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主要障礙，需要增加捕能頻寬，提高發(fā)電穩(wěn)定性和效率。由于單個(gè)波浪能捕捉裝置較小，陣列式有助于充分捕捉單位面積內(nèi)的波浪能量，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)成本的最優(yōu)化，但多個(gè)裝置會(huì)反作用于波浪，造成單個(gè)裝置俘能效果發(fā)生變化。海洋除了波浪能，還蘊(yùn)含海流能、潮汐能、溫差能和鹽差能等多種形式的能源，加上太陽(yáng)能和風(fēng)能，將多種能源捕捉技術(shù)集合起來(lái)，共享基礎(chǔ)平臺(tái)，會(huì)大幅提高海洋能的利用率。

另外，與陸基結(jié)構(gòu)相比，海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝與維護(hù)會(huì)面臨更大挑戰(zhàn)。極端波況、生物污染和海水腐蝕會(huì)降低波浪能捕捉裝置的可靠性，增加其生命周期成本。因此，波浪能發(fā)電技術(shù)需要更好的涂層材料、密封和電絕緣材料，以降低波浪能發(fā)電成本。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)波浪能捕捉原理，波浪能捕捉裝置分為壓力差式、越浪式、浮體式和擺式四類；根據(jù)布置方式，又分為點(diǎn)吸式、消浪式和終端式三種。在波浪能發(fā)電裝置中，傳動(dòng)裝置是將波浪能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的關(guān)鍵，分為空氣傳動(dòng)、水力傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和直驅(qū)四種形式。我國(guó)研制了不同形式的波浪能發(fā)電工程樣機(jī)，部分裝置實(shí)現(xiàn)商品化。在過(guò)去的十年，我國(guó)波浪能發(fā)電技術(shù)方面專利申請(qǐng)量居世界首位。當(dāng)前的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)是提升裝置的成熟度、延長(zhǎng)裝置的服務(wù)壽命。