2024國外波浪能開發(fā)利用技術(shù)進展

目錄TOC\o"1-3"\h\u20923 37849表 波浪能發(fā)電裝置的分 3324481 458951.1 4156141.2 5300481.3 5105851.4 687721.5 7134191.6 853592 9177692.1澳大利亞IVEC 9146202.2英國WaveTreader波浪能風(fēng)能綜合發(fā) 974392.3 922392.4 10166472.5 1082792.6 10152063 1227951） 1259402） 12110053） 12海洋波浪能是由風(fēng)能轉(zhuǎn)換而來的一種能量。水，形成波浪，將能量儲存為勢能（水團偏離海浪能具有總儲量大、波能密度低、資源分布廣泛但分布明顯不均、能量具有多樣性并隨時間和地波浪能發(fā)電是利用物體在波浪作用下的縱向和橫向運動、波浪壓力的變化及波浪在海岸的爬升等所具有的機械能進行發(fā)電，其結(jié)構(gòu)形式、工根據(jù)波浪能發(fā)電裝置的特征、構(gòu)造和使用情況等各方面的不同，可將波浪能發(fā)電裝置按不同的方式進行分類（表1。[2]161

表 波浪能發(fā)電裝置的分分類方 種固定形 固定式、漂浮 能量轉(zhuǎn)換方 直接轉(zhuǎn)換式、間接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形 點頭鴨式、振動水柱式、推擺式波浪能發(fā)電系統(tǒng)一般包括三級能量轉(zhuǎn)換。一級轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與波浪直接接觸，捕獲波浪能，能量轉(zhuǎn)換過程主要表現(xiàn)為流體（海浪）動能轉(zhuǎn)化為機械能，或?qū)⒑Ｋ簧咿D(zhuǎn)換為水的勢能；二級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過空氣透平或水輪機等設(shè)備傳動或短期儲存機械能，使之轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的動能，更適合用于驅(qū)動發(fā)電機運行；三級轉(zhuǎn)換過程主要是通過發(fā)電機進行機電轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)最終完成從波浪能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電過程。各種波浪能裝置轉(zhuǎn)換效率如表2表 幾種波浪能裝置轉(zhuǎn)換效波浪能→→波浪→筏體→泵、馬達→波浪動能水勢能→波浪→浮子→系統(tǒng)→波浪能→→波浪能→→液壓能→波浪能發(fā)電技術(shù)已非常接近應(yīng)用化水平，下面介紹國外這幾種典型波浪能利用技術(shù)的進展及1974年第一次石油危機促進了波浪能技術(shù)的發(fā)展，英國、日本和挪威等波浪能資源豐富的國家，把波浪能發(fā)電作為解決未來能源問題的重要一環(huán)。雖然波浪能發(fā)電技術(shù)已有數(shù)十年的發(fā)展歷史，但直到近年，隨著英國、美國、挪威、澳大利亞、愛爾蘭和丹麥等國相繼投入大量資金進行波浪能發(fā)電裝置的研究，才使波浪能發(fā)電及傳輸技術(shù)得到迅速發(fā)展?？傮w上來說，除個別技術(shù)外，波浪能技術(shù)目前尚未實現(xiàn)普遍商業(yè)化。目前最成熟的發(fā)電設(shè)備是英國的Pelami（海蛇波浪能發(fā)電裝置，該裝置目前已基本實現(xiàn)商業(yè)運行。其他接近商業(yè)化應(yīng)用的波浪能發(fā)電技術(shù)包括美國電力技術(shù)公司的PowerBuoy、英國AquamarinePower公司的Oyster（牡蠣）發(fā)電設(shè)備。下面著重介紹幾種最主要的波浪能技術(shù)。[3]振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置（圖1）是以空氣作為轉(zhuǎn)換介質(zhì)。在波浪力的沖擊下，裝置內(nèi)的振蕩水柱不停沖擊致使氣室上半部的空氣做強迫運

動，空氣往復(fù)穿過氣室右上方的出氣孔，從而將高速空氣動壓縮氣室的空氣往復(fù)穿過噴嘴，將波浪能轉(zhuǎn)換成空氣的壓能和動能。在噴嘴處安裝一個空氣渦輪，并將渦輪轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機相連，則可圖 振蕩水柱式波浪能轉(zhuǎn)換裝置簡振蕩水柱波浪能發(fā)電裝置的最大優(yōu)點是，渦輪機組及電機轉(zhuǎn)軸等相對薄弱的部分只與空氣接觸，而不直接接觸波浪，因此防腐性能好，故障率低，維修簡便，但其轉(zhuǎn)換效率較低，且受建造條件的限制，風(fēng)險較大，成本較高。其應(yīng)用代表為澳大利亞Oceanlinx公司研制的振蕩水柱式波浪能裝置（圖2。澳大利亞Oceanlinx公司研制的振蕩水柱式波浪能裝置，運行時可采取漂浮方式也可固定安裝在近海海底或岸邊，系統(tǒng)利用Denniss-Auld水圖 Oceanlinx公司振蕩水柱式波浪能裝2005裝置之一，裝機容量為450kW0.95的MK1獲取具體技術(shù)數(shù)據(jù)；2010年2月，MK3在澳大利亞Kembla進行最后試驗，實現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電，并為擺式波浪能發(fā)電裝置（圖3）發(fā)電的原理是波浪力的沖擊擺板圍繞擺軸發(fā)生前后擺動，將波浪能轉(zhuǎn)換為擺軸的機械動能，與擺軸相連的大多為液壓集成裝置，它將擺板的動能轉(zhuǎn)換成液壓能，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。擺式波浪能發(fā)電裝置是一種固定式、直接與波浪接觸的發(fā)電裝置，擺體的運動很符合波浪低頻率、大推力的特點。因此，擺式波浪能裝置的轉(zhuǎn)換效率較高，但機械和液壓機構(gòu)的維護不太方便。其主要代表性應(yīng)用為英國的Oyster擺式波浪能裝置（圖3。[4]20圖 擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置簡2003年模型試驗，2005年商品化，2009年研制的Oyster1-315kW有兩臺Oyster800-800kW型全比例樣機在英國歐洲海洋能源中心（EuropeanMarineEnergyCentre，Oyster浮力擺由一組垂直排列的漂浮管組

成，與底部基座由鉸接連接，可最大限度地減少擺的重量。浮力擺與液壓缸相連，波浪因浮力擺的擺動將驅(qū)動液壓缸，并通過水下管道泵送高壓海水到岸上驅(qū)動水輪機進行發(fā)電，多個Oyster裝置可以通過多路管道將高壓水泵入同一岸基發(fā)電Oyster波浪能發(fā)電裝置的特點可以概括為：結(jié)構(gòu)簡單、生存性高、岸基發(fā)電。圖45分別為Oyster1和Oyster800波浪能裝置。[5]圖 Oyster1波浪能裝圖 Oyster800波浪能裝筏式波浪能發(fā)電裝置是波面筏通過鉸鏈相互鉸接在一起，能量轉(zhuǎn)換裝置置于每一鉸鏈處，波浪的運動使波面筏沿著鉸鏈處彎曲，從而反復(fù)壓縮液力活塞并輸出機械能（圖6。當(dāng)裝置的固有頻率與波浪的頻率相一致或接近時，裝置的輸出Pelamis筏式圖 筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置簡英國蘇格蘭的Pelamis波浪能電力公司研制的“海蛇”波浪能發(fā)電裝置于2004年8月成功實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，是世界上第一個商用波浪能電站。該裝置采用半潛式設(shè)計，由通過鉸接接頭連接在一起，由縱搖和橫搖的數(shù)個筒狀構(gòu)件組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4缸、蓄能器和液壓電機，最大輸出功率為250（在有效波高5.5m情況下。裝置迎著波浪方向布放，當(dāng)海浪沖擊裝置時，各浮筒會發(fā)生彎曲，驅(qū)動接頭處的液壓缸，從而實現(xiàn)裝置發(fā)電。圖78分別為裝置結(jié)構(gòu)內(nèi)部示意圖和第二代Pelamis圖 Pelamis裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 第二代Pelamis裝

裝置運行狀態(tài)。鴨式波浪能裝置由鴨體、水下浮體、系泊系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和發(fā)配電系統(tǒng)組成，通過鴨體與水下浮體之間的相對運動俘獲波浪能（圖9。水下浮體具有水平板結(jié)構(gòu)和鉛垂板結(jié)構(gòu)，在運動時能夠帶動周邊的海水一起運動，形成附加質(zhì)量，達到抑制水下浮體運動的目的。其主要代表是加拿大的WETEnGen鴨式波浪能裝置。圖 鴨式波浪能裝置結(jié)構(gòu)簡加拿大的WETEnGen（圖10）是一個底座錨固于海底的定向吸收浮子裝置。一個長的傾斜的桅桿從底座延伸至水面，吸收浮子可隨著波浪沿著桅桿向上和向下運動。桅桿可以旋轉(zhuǎn)，使浮子圖 WETEnGen工作原WETEnGen在大西洋海上試驗場進行海上試驗（圖11）的檢測結(jié)果表明：WETEnGen其他波浪能發(fā)電裝置相比具有更高的能量轉(zhuǎn)換效WETEnGen發(fā)電成本僅約0.08~0.15美元/kWh，具備與風(fēng)能發(fā)電成本競爭的優(yōu)勢；同時能夠生產(chǎn)淡化水，成本約2~4美元/t澆水成本更是能分別下降到0.05美元/kWh和1.5美元/t。圖 WETEnGen海上試振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置由浮體、能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)、發(fā)電機和保護殼幾部分組成（圖12。其中浮體作為受波體，其收集到的能量傳給能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的液壓能，液壓馬達將液壓能轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)機械能，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置的優(yōu)點很多，不僅轉(zhuǎn)換效率比較高，而且減少了水下施工，建造難度小，成本較低廉，但是液壓傳動機構(gòu)保養(yǎng)和維修困難，整個裝置密封精度較高，易受海水腐蝕。其主要代表裝置是美國的PowerBuoy（波浪發(fā)電浮標(biāo)）點吸收式波浪能裝置（圖13。[8]圖 振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置簡

圖 PowerBuoy浮標(biāo)結(jié)PowerBuoy由美國海洋電力技術(shù)公司（OceanPowerTechnology，OPT）研制，已成功研發(fā)單機功率40kW和150kW型裝置，目前正在研發(fā)500kW型裝置。如圖13PowerBuoy是一個漂浮式點吸浮標(biāo)內(nèi)層為長圓柱體結(jié)構(gòu)，外層為水平環(huán)形，其形狀和浮力可使其保持在水面附近隨波浪振蕩，與內(nèi)層附體產(chǎn)生相對運動，壓縮其中的氣囊，從而驅(qū)動傳動裝置實現(xiàn)發(fā)電，通過水下電纜將電力傳送至岸上。該浮標(biāo)體可以為任何離岸的測量傳感器（搭載在浮標(biāo)上部、水面以下及浮標(biāo)周圍海域）提供35m，波高大于0.3m就可以發(fā)電。采用錨泊方式固定，安裝在PowerBuoy上的傳感器可持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)的整體性能和周圍海洋環(huán)境情況，并將數(shù)據(jù)實時傳輸至岸上。若有巨浪襲來，系統(tǒng)將自動上鎖并停止發(fā)電。當(dāng)波高恢復(fù)至正常值時，系統(tǒng)解鎖并重新開始發(fā)電。同時由于安裝位置離岸較遠(yuǎn)，通常為5~6km，因此對海區(qū)景觀影響非常小。2011年1月，PowerBuoy150型（PB150）通過勞氏船級社認(rèn)證；同年，第一臺PB150型裝目前OPT正在開發(fā)500kW型PowerTower（PB500）裝置。聚波水庫式裝置又稱之為收縮波道式，是利用喇叭型的收縮波道收集大范圍的波浪能，通過增加能量密度的方式提高發(fā)電效率。波道與海相通的一面開口寬，然后逐漸收縮并通至蓄水庫。收縮波道既可以聚能又可以轉(zhuǎn)能，利用水頭的勢能沖擊水輪發(fā)電機組進行發(fā)電（圖14。聚波水庫裝置沒有活動部件，可靠性較好，成本低廉，裝置工作穩(wěn)定，但是電站建造對地形有嚴(yán)格的要圖 聚波水庫式波浪能發(fā)電裝其主要代表應(yīng)用為丹麥浪龍公司（WaveDragon）研制的越浪式波浪能發(fā)電裝置——浪龍（WaveDragon（15。[9]該裝置具有兩個導(dǎo)浪墻，呈扇形布置，引導(dǎo)海浪進入裝置中心，并通過低水頭水輪機發(fā)電。2003年20kW型樣機（由7臺轉(zhuǎn)漿式水輪機組成，蓄水池容量為55m3）圖 WaveDragon試驗裝

現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電，累計運行20000多小時。201年170m1.5MW型aveDragon，主要采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，2012年開始制造。aveDragon通過調(diào)整開放式氣室的氣壓，不斷調(diào)整自體的漂浮高度，從而適應(yīng)不同波高的波浪，以實現(xiàn)最大的波浪能俘獲能力。其他主要的波浪能發(fā)電裝置包括日本的“巨鯨”(Mightywhale)波浪能發(fā)電裝置和葡萄牙的Agucadoura波浪能發(fā)電站。日本“巨鯨號”波浪（圖16）的最大總發(fā)電效率可達12%，具有獨立提供能源的功能，不僅能吸收波浪能發(fā)電，還能起到平穩(wěn)波浪的作用。葡萄牙的Agucadoura波浪能發(fā)電站（圖17）是世界首座商900萬美元，產(chǎn)生2.2MW1500個家庭的用電需求。Agucadoura波浪能發(fā)電站的最終目標(biāo)是產(chǎn)生21MW的電能。[10]圖 日本“巨鯨號”波浪能發(fā)電裝圖 葡萄牙Agucadoura波浪能發(fā)電在優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，各國開始研發(fā)基于新原理的或改進的波浪能發(fā)電技術(shù)，考慮與其他能源發(fā)電技術(shù)集成與綜合利用，同時兼顧近岸應(yīng)用向深海應(yīng)用發(fā)展，產(chǎn)生一些新原理的波浪能澳大利亞IVEC澳大利亞IVECPtyLtd公司設(shè)計建造的IVEC浮式波浪能電站基于振蕩水柱式工作原理，采用多氣室、單發(fā)電機結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)OWC式單氣室結(jié)構(gòu)相比，可以在整個波周期內(nèi)進行能量轉(zhuǎn)（圖18圖 IVEC浮式波浪能電站工作原理及裝2008年，IVEC公司建造全比例樣機，并開展裝置轉(zhuǎn)換效率測試，結(jié)果波浪能至空氣壓力的轉(zhuǎn)化效率可達42%150m50水面以上高度為2.5m，裝機容量為200kW電成本約合0.3元/kWh。英國WaveTreader波浪能風(fēng)能綜合發(fā)（GreenOceanEnergyLtd，GOE）OceanTreader

19圖 WaveTreader波浪能風(fēng)能綜合發(fā)電裝WaveTreader波浪能風(fēng)能綜合發(fā)電裝置在海2011年，建成全比例WaveTreader樣機并完成相關(guān)測試，裝置長50m、寬20m鋼制成，裝機容量為500~700kW，設(shè)計壽命為年，維修周期為5年。該公司預(yù)計2015至20237500~8300個WaveTreader波浪丹麥WaveStarEnergy公司研制的多點吸收10~20km近海區(qū)域而設(shè)計，固定于海底的平臺兩側(cè)各有數(shù)個浮子從杠桿臂垂下，通過每個浮子的垂直振蕩驅(qū)動液壓2006年，1/10比例樣機（5.5kW）實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電；2010年1月，建成1/2比例WaveStar示范電站（110kW）并實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。目前該公司正在研制C6-600kW型Wavestar（圖20，該裝圖20 WavestarC6-600kW工作示意圖（左圖）

置由20個直徑6m2.75m、波周期4.5s的條件下，輸出功率可達600kWC6-600kW型Wavestar具備風(fēng)暴保護模式，其所有液壓和發(fā)電設(shè)備被安裝在水線以上，在風(fēng)暴期間浮體能夠抬升，使其遠(yuǎn)離海面以避免澳大利亞CETO波浪能綜合利用裝置利用波浪能把高壓海水泵到岸上，可同時用于發(fā)電及淡化海水（圖21。圖 CETO波浪能發(fā)電及海水淡化技2003—2006年，CETO1階段樣機對波浪能2006—2008年，完成1/3比例的CETO22009—2011年，完成CETO3示范電站運行，最大發(fā)電功率可達203kW，并可輸送達77Pa的高壓海水（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過反滲透法海水淡化技術(shù)的要求。圖22CETO的商業(yè)化階段的樣機示意圖。美國FloatIncorporated公司研發(fā)的氣動式海上平臺（PneumaticSeaPlatform，PSP（圖23）OWC氣室，管路之間通過空氣管互通，空氣管內(nèi)有空氣透平，在波浪經(jīng)過時，水柱內(nèi)的水位會變化，

由于平臺氣室具有良好的波能吸收作用，當(dāng)波浪經(jīng)過平臺時會迅速減弱，從而使PSP平臺具有良好的穩(wěn)定性?？稍谄脚_頂端安裝風(fēng)機以及其磁流體波浪能發(fā)電技術(shù)采用高效的液態(tài)金屬磁流體，將波浪的起伏運動轉(zhuǎn)換為液態(tài)金屬的往復(fù)運動，進而實現(xiàn)發(fā)電。該技術(shù)可有效減少中間磁流體發(fā)電裝置具有能量轉(zhuǎn)換效率高、功率密度大、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、移動性好且易于圖 CETO商業(yè)化階段樣圖 PSP振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝浪發(fā)電裝置生存能力差等問題，可為水下無人潛水器（unmannedunderwatervehicle，UUV、深美國科學(xué)應(yīng)用及研究聯(lián)合會（Scientific點吸收式波浪能發(fā)電裝置采用其專利技術(shù)——磁流體發(fā)電機（MHD）

置。裝置運動部分帶動磁流體發(fā)電機活塞運動，使其上下油艙內(nèi)液體流動，裝置內(nèi)磁場發(fā)生變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。2007年3月，對100kW型MWEC樣機進行了測試（圖24MHD波浪能發(fā)電裝置主要由表面浮體、磁流體發(fā)電機、阻尼盤、壓載物和系泊系統(tǒng)組成，其中磁流體發(fā)電機包括上、下油室和16個串聯(lián)的磁流體發(fā)電單元，每個發(fā)電單元均由上下波紋管、絕緣通道、永磁體、銅電極及單元內(nèi)部的導(dǎo)電流體組成，導(dǎo)電流體選用了低密度、低粘性、高電導(dǎo)率的液態(tài)金屬。磁流體發(fā)電機完全浸沒在海水中，利用阻尼板和系泊系統(tǒng)使其保持靜止?fàn)顟B(tài)。表面浮體與磁流體發(fā)電機之間由活塞桿連接，當(dāng)表面浮體在波浪作用下做升沉運動時，通過活塞的上下運動將浮體俘獲的波浪能轉(zhuǎn)換為磁流體發(fā)電機油室內(nèi)的液壓能，液壓油交替地擠壓發(fā)電單元的上、下波紋管，使導(dǎo)電流體往復(fù)通過由永磁體和銅電極構(gòu)成的發(fā)電通道，利用導(dǎo)電流體切割磁感線時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢輸出電力。[16]578圖 MWEC-100kW樣總體來說，國外已經(jīng)設(shè)計和試驗了多種類型時其轉(zhuǎn)換效率很低，同時其岸式應(yīng)用通常涉及較高的工程造價等問題；擺式技術(shù)適合波浪大推力和低頻的特點，頻率響應(yīng)范圍寬，能量轉(zhuǎn)換效率較高，但其機械和液壓系統(tǒng)的維護較為困難，為適應(yīng)臺風(fēng)等惡劣的海洋環(huán)境，重點保證了較高的總體結(jié)構(gòu)可靠性和發(fā)電穩(wěn)定性，但裝置迎浪面積較小，捕獲波浪能的能力較弱，造成其單位功率的成本較高；鴨式技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換效率高，但抗浪能力弱，可靠性較差，極易遭到破壞；點吸收式技術(shù)捕獲波浪能的效率和能量轉(zhuǎn)換效率較高，裝置建造相對簡單，但同樣存在裝置抗浪能力不強的缺點；越浪式技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換效率較高，整體穩(wěn)定性較高，所使用的水輪機技術(shù)在水電行業(yè)已較為普遍，裝置的生存性較高，但其工程造價同時這些技術(shù)大多是近岸式應(yīng)用，而波浪能資源在遠(yuǎn)海區(qū)域比近海海域更為豐富。在遠(yuǎn)海區(qū)域進行波浪能發(fā)電需要克服許多技術(shù)難點和惡劣的環(huán)境問題，如波浪能裝置的發(fā)電效率問題以及雖然波浪能發(fā)電裝置研究已經(jīng)取得一定的成海洋的波浪是時刻變化的，波浪能量分散不集中，因此造成波浪能發(fā)電裝置的總的能量轉(zhuǎn)換效率偏低。同時，目前波浪能發(fā)電裝置的電機多采用通用的小型三相交流電機，這種電機并