海浪发电设备的开发应用

■ 哈尔滨电机厂有限责任公司 刘斌

太阳注入地球表面的能量换算为电功率约为1013kW，其中大约2/3为海洋能量。由于地球和月球太阳之间相对的天体运动和相互作用而引起了海洋的潮流、潮汐以及气流等。其中气流的运动又形成风力，并引起了波浪、波流等。它们都可以用来发电。全球海洋能量约为500亿kW，其中潮汐约为27亿kW，波浪约为25亿kW，海流约为50亿kW。发展较快的是潮汐和波浪发电。虽然潮汐发电容量较大，但是必须满足电站选址条件：需要海湾作为水库并建造长坝，潮差在8m以上。而波浪发电则随处可设，可在海上，也可在堤岸，甚至可在无风区域，无风三尺浪。早在1992年，联合国就把波浪发电 列为开发海洋能源的首位。

1 波能发电机理

波浪由风引起，但地震、火山爆发也可引起（海啸）。地球与月球的引力引起的大波浪，被列入潮汐的范畴。在数千公里外由风暴引起并传递过来的波浪称为涌浪；在风力直接作用下产生的波浪称为风浪。波浪的特点是力量大、速度低，做无规则的往复运动。波力----- 巨大惊人，大波浪可把重达130t的岩石抛到高达20m的岸上。波流能量密度虽然很低，但其横向作用能量密度很高，沿海岸线分布，有利于开发大功率波力发电站。全球的波能每年可达23650亿kWh。当波高为2m、波浪起伏周期为2.5s，发电功率为24kW，波高3m、周期11时为130kW。由于波浪运动的不规则性，只能采用统计学来处理数据。波能E可用下式表达（波浪横向长度为1m时的波能平均值）：

E=0.5×(H1/3)2×T1/3, kW/m

式中H1/3和 T1/3分别为波高H和波浪周期T的算数平均值。计算结果表明，日本近海波能平均值为7kW/m，海岸线总长约为5200km，波能共约3600万kW ;而我国的大陆岸线就长达1.8万kW ，还有岛屿岸线长1.4万kW，波能功率在、总共约为22400万kW。

2 波能转换类型

全球波能发电专利多达千项以上，但被采用较多的是下列3种波能转换类型。

2.1 空气能

波能是一种冲击动能，它与利用势能发电的潮汐发电不同，无法直接带动旋转的发电机发电，必须进行能量 转换。首先转换为空气能是最为广泛应用的一种。让波浪冲击并挤压空气室内的空气，利用这种压缩空气来驱动气轮机和透平发电机发电。

2.2机械能

通过油压可将波能转换为机械能，使波力冲击振子，振子便泵油并形成压力油，该油压驱动马达旋转，并带动发电机发电。

2.3 水位能

将盛满海水的水斗通过连杆机构固定到堤岸岸基上，而水斗浮在水面上，波浪冲击并推举上升到一定高度后，便被连杆机构折翻，并将水斗内部的海水越过堤坝倒入水库，周尔复始 ，反复作用，使升高的水库水面与海面之间形成水位差，利用这个水头便可使低水头水轮机/水轮发电机发电。

3 开发利用

3.1 日本

海洋波浪发电的开发利用已有百年历史。最早的是法国，而日本较晚，但是实现商业化较多。上个世纪末建造的120 kW 和130 kW 波能电站已投运，它采用空气室原理，属于固定式防波堤型；本世纪初又建造一座200kW的这种电站，采用可移动的浮体型，需经海底电缆输电。

3.2英国

20世纪80年代英国已经成为世界波能研究中心。建造过振荡水柱式和岸基固定式波浪电站，采用英国专利发明的维尔斯空气透平机，可在2种相反方向海流作用下，保持单一方向旋转。建造了采用高压油原理的750 kW 波浪发电设备是当时世界上最大的。在毛里求斯建造了20 MW 的这种电站。在完成研究项目以后，正在建造功率高达2 GW 这种设备。

3.3 挪威

发明了多谐振振荡水柱和减速槽道新技术。在印尼和澳大利亚建造了2座1400 kW 的波能电站以后，又在印尼建造1500 kW 的这种电站，并拟建数百座以便联网。

3.3 中国

我国海域辽阔，岸线漫长，海浪能源丰富。然而开发较晚，投入力度太小。1975年造成1 kW 波浪发电浮标；80年代建造5 kW 漂浮式、8 kW 摆板式和20 kW 岸基固定式；90年代建成100 kW的波电站，2000年运行。最近在山东、广东、海南各建1座1000 kW 的岸基固定式。

4 新技术

4.1 对称翼型叶片

20世纪70年代由英国发明。空气推动的透平机叶片截面呈对称型，当波浪起伏往返运动而使空气室内气流来回流动时，这种具有对称翼型的叶片可在相反方向气流作用下仍然保持旋转方向不变。具有这种叶片的透平机已被广泛应用。

4.2 水柱与波浪谐振

挪威发明。在空气室前加上“引浪”口，使波浪对空气室内水柱的冲击与波浪起伏冲击之间产生谐振，使装置吸收的波能增多，即用较窄的“迎波”口便可吸收较宽范围的波能，从而提高发电效率和降低成本。这种新技术首先在500的大型波浪电站上应用。

4.3水柱相位控制

也是挪威提出。通过控制能量转换机构（如水柱、浮体、“摆板”等）的运动相位，使其与波浪作用力的相位相适应，以便更有效地吸收波能，从而达到减小设备尺寸、提高效率的目的。

4.4正负水阀整流

日本提出。在气流回路中设置正、负2个水阀来取代过去常用、但受水流反复冲击容易损坏的风门式逆止阀。新型水阀可靠性高、效率高，便于维护。空气透平发电机轴的两端分别置有正压和负压转轮。波峰时，压缩气流通过正压水阀驱动转轮带动发电机发电；波谷时，因负压作用而从大气吸入空气，并推动另一端的转轮旋转、带动发电机发电。发电机旋转方向不变。正压、负压水阀都相当于逆止阀，两条回路互不干涉。

4.5弹簧发条蓄能

这是我国云南师范大学能源处发明的，非常简单适用。波浪冲击活塞并通过其连杆和“拐臂”拧紧蓄能器的弹簧发条，而发条则持续地带动大齿轮并传动与其啮合的、固定在发电机“轴伸”端上的小齿轮来发电。其传动原理类似钟表。活塞连杆上套有压缩弹簧，波峰时活塞压缩弹簧；波谷时弹簧将活塞推回原位。整套设备装在漂浮箱体内，固定在堤坝上，可上下浮动，但活塞始终迎向波浪，充分吸收波能。

5 今后课题

在波浪发电的百年发展史上，始终伴随著试验、研究、探索。现在它已经由航标灯塔用的微小型发展到与电力系统并网的中大型，由实验验证时代发展到商品化、商业化和国际贸易化。全世界已经确认海浪发电是海洋能源开发利用的重要项目，是清洁无污染的可再生新能源的主要组成部分。今后的发展面临的主要科研 课题如下：

5.1 耐久性

它比效率的提高还重要。波浪随着季节、时间而变，甚至每月、每天、每小时都在变。短时间的变化尚能适应，长期变化仍有困难。在造价容许限度内，设备的疲劳破坏承受能力、耐久性、使用寿命，仍然是第一位的难题。

5.2 蓄能性

如果容量不大，又不能联网、并网，波能发电的能量储存要求方便、价格低廉。蓄电池虽然价格低廉，然而容量有限。最好采用压缩空气蓄能发电方式，适于大容量化，而且造价低廉，只需就地挖洞即可。

5.3高效性

虽然比不上耐久性主要，但是提高效率仍是永恒的课题，特别是波能转换效率，潜力仍然很大。

5.4 经济型

波能发电设备虽然简单，但是造价不低。计算结果表明，容量为130kW时，造价约为11亿日元；容量为10MW时，发电成本约为33日元/kWh。如果形成规模，实现群体化，增大容量，超过10MW时，成本就会降低。

5.5 安全性

波浪发电设备应能在与风暴有关的大浪中自动解列，以免过载或遭受破坏。最好设有阻尼装置，以免设备移动、损坏。

6 结论

我国海域辽阔，岸线漫长，海浪能源丰富。然而开发较晚，投入力度太小。应像风力发电那样，积极开发、应用波浪发电，也会后来居上。海洋能量是清洁的可再生的新能源，而且取之不尽，用之不竭。