浅析波浪能发电的现状与发展

李学民

浙江浙能镇海联合发电有限公司

0 引言

海洋是孕育人类的摇篮，也蕴藏着巨大的能量，海洋覆盖了地球70%的表面，全球约44%的人口都居住在距海岸线150 km的范围内，人类向大海索取资源或将成为必然的趋势。理论上，海洋完全可以满足地球上所有的能源需求，并且不会对大气造成污染，由于波浪能是海洋能中品位最高、分布最广的可再生清洁能源（其分布情况如图1所示）,如何高效利用广阔的波浪能，一直是各国科技工作者梦寐以求的目标。

近年来，世界许多国家都在积极开展波浪能发电技术的研究和探索，有的处在研发期，有的已生产出了各种类型的波浪能发电装置，进入了海洋试验阶段，还有的已成功发电，并向特定的用户进行供电。然而，波浪能发电普遍存在发电功率小、发电不稳定、转换效率不高、制造和运维成本高等问题，进行产业化运作，还需社会各方的共同努力。

本文就国内外近年来在波浪能发电方面的研究情况进行一个初步的分析，提出未来发展建议，为助推波浪能发电向商业化发展提供动力。

1 国内外波浪能研发现状

1.1 国外研究现状

全球范围内，目前仅有英国(Aquamarine、Ecotricity、REH、AWS Ocean、PWP 公 司)、爱 尔 兰（Ocean Energy公司）、丹麦（Wave Star、Waveplane、Wavedragon公司）、美国（OPT公司）、澳大利亚（Energetch公司）和挪威（LWP公司）等国家研发了一些波力发电装置[1-20]（见图2）。

图1 全球波浪能能流密度分布（图中数字的单位为kW/m）

图2 国外波力发电部分产品样机

当前，能够持续在海洋中运行的离岸波浪能装置已经逐渐呈现，如英国的改良筏式装置即第二代海蛇（Pelamis），以及浮力摆装置牡蛎（Oyster），美国的点吸收装置PowerBuoy，爱尔兰的漂浮振荡水柱式装置OE Buoy等，有的作为示范或特殊军用，进行了独立发电和并网测试。

国际上现有的波力发电装置主要有点吸收式、摆式、振荡水柱式、越浪式、筏式和点头鸭式6种类型[2]。

点吸收式的代表性装置有爱尔兰的Wavebob、美国的Powerbuoy等，其结构简单，易于模块化制造，单位体积功率比较高，但容易“随波逐流”，对波频敏感，俘获波能有限。

摆式装置有英国的Oyster、葡萄牙的Waveroller等，其结构简单，装置可靠性较好，但岸式结构受潮汐涨落影响，漂浮式转动轴固定需刚性系泊，俘获波能有限。

振荡水柱式的代表性装置有澳大利亚的Oceanlinx和爱尔兰的OE-Buoy。振荡水柱式由空气作为能量传递介质，能量传递过程无活动部件，大浪条件下不易损坏，可靠性高，装置排水量相对较小，目前空气透平转换效率低（15%），其水动力特性不够理想。

越浪式装置有丹麦的Wave Dragon、挪威的TAPCHAN等，水体本身为能量传递介质，能量传递过程无活动部件，但结构体积大，波浪越浪量和转换效率受有效波高影响，如果有非常好的波浪条件，建造成本可控制在较合理水平。

筏式的代表性装置有英国的Pelamis[3,9,12]，该装置吸收能量多，发电功率大，对波频变化敏感度不高，使得装置能在设计工况下高效俘能，而在极端海况下低效俘能，从而具有高的生存能力。这种筏式波浪能转换装置的优点是发电效率高，如第二代Pelamis装置（由五节长36 m、直径为4 m的圆筒所组成）在海上试验中所测得的俘获宽度比（效率）达86%，该装置自由悬浮在水中可应对恶劣海况，其安全性较高且结构简单，但成本相对较高。

点头鸭式装置[6]需要在海域内固定，能截获大部分的波浪能，效率较高，但其吸收功率源方式单一、频响宽度较小，制造成本较高，可靠性和生存能力一般。

1.2 国内研究现状

据初步统计，我国目前在引进和消化国外技术的基础上，研发了单机功率大小不等的各类波浪发电装置，一些装置也已开展了海上测试多年，并实现了成功发电。

国家海洋技术中心于2012年7月在大管岛海域对100 kW浮力摆式装置进行了海试，经受了台风考验。山东大学于2012年11月在山东成山头海域开展了120 kW振荡浮子式波浪能装置的海上试验。浙江海洋学院研制了“恶劣海况下自保护式波浪能发电装置”，于2013年5月在舟山海域进行试验。集美大学于2014年6月在厦门小嶝岛海域对10 kW浮摆式波浪能装置进行了海试。中船重工710所研制的筏式波浪能装置于2014年7月开始海试，8月中旬因海况恶劣而中止试验。中国海洋大学对点吸收式装置、越浪式装置进行了研究。中科院电工所于2017年对10 kW磁流体波浪能发电装置开展了海试研究。

我国一些大型企业制造了与海蛇二代波浪能发电装置相似结构（即采用二节铰接的圆筒浮体和多节铰接的圆筒浮体，油压驱动发电机发电）的发电装置，并开展了海试，但没有达到预期效果。

中科院广州能源所于2013年制造了100 kW漂浮点鸭式发电装置[21,22]，装置重350 t，长宽高尺寸为23×12×14 m，有效波高0．7～4 m，在大万山岛进行了海试。2015年11月20日，中科院广州能源所开始在万山岛海域测试100 kW鹰式装置的性能，该装置长宽高为36×24×16 m、吃水深12 m，为半潜驳船与波浪能转换设备的结合体，在波高0．6～2．5 m（对应波周期 4．0～6．5 s）时装置发电效率约20%。

清华国际研发团队通过几年的探索，研发了适应各类波高和不同能量密度的筏式波龙I型发电装置[13]（见图3），该装置基于波浪能利用技术的研究现状，在Pelamis装置技术基础上作了一些重大的技术改进和创新，具有生存能力强、能量转换效率高、频响宽度宽的优势。主要体现在：

1）采用流线型、低排水量的体型技术，使装置在较小波浪力作用下能高效工作；

2）采用单向转动自由度，使水平布置的液压缸只受轴向力，更好地确保其正常工作，且液压缸布置在水面以上，有利于防腐蚀和维护；

3）采用大小机组组合及控制技术，使得装置在各种大小海况下都能高效运行；

4）采用前点浮球系泊和后点控制转向范围系泊的双点系泊技术，有利于减弱锚链对于多结构体相对转动的约束作用，也有利于装置与来波方向一致，使装置最大程度俘获能量；

5)采用储能技术及压强、流量控制技术，从而提高电力输出稳定性和增大发电量。

目前该装置已完成了理论研究和实验室试验，准备适时打造样机，开展海试。

2 当前存在的问题

虽然各国波浪能发电示范研究都有了一些进展，取得了具有较高科学价值的相关数据，但从目前技术发展来看，波浪能发电装置的研发仍处在技术攻关和产业化前夕阶段，还有诸多问题需要解决，主要有以下4个方面的表现。

1）波浪能利用的理论和开发技术目前仍在发散，说明国内外研究人员对波浪能利用技术的看法并不统一。而实际上，这种技术的统一是相当困难的，原因在于世界各地的波浪能资源不尽相同。我国海域主要靠季风产生波浪，波浪能流密度约2～10 kW/m，而西风带的英国、挪威、西班牙、澳大利亚、美国等大洋东岸海域内波浪能流密度高达50～90 kW/m，波浪能资源较为丰富。此外，波浪的形态也极不稳定，通常表现为风浪、涌浪和近岸浪三种，因此，对波浪能转换技术利用的侧重点也不同，难以达成统一的技术。

2）现今波浪能的利用形式是将大面积的波浪能加以吸收，并集中转换成机械能，再带动电磁发电机运转发电。由于波向、波高、周期等波浪要素的随机性较大，如何最大限度地获取波浪能，提高转换效率是一个需要不断试验总结改进的过程，进而造成研发周期长、运维和试验费用高等问题。

3）我国是一个季风特点的波浪形态，能量密度较小，能量俘获难度更大，外加东海和南海台风较多，极端气候时有出现，如何提高波浪能装置的可靠性也需要在实践中找到答案。

4）就筏式等波浪能装置，其液压缸泄漏问题至今未能得到有效解决，而浮式振荡水柱波浪能发电装置，如何解决高效冲动式空气透平效率问题，有待于技术上的进一步突破。

图3 波龙Ⅰ型发电装置外形图

3 波浪能装置发展建议

3.1 加大政策导向和扶持力度

国家应出台有关波浪能研发和利用的鼓励政策，明确有关地方政府为波浪能海洋试验提供必要的场所和支持。成立有权威性、代表性的国家层面波浪能研发团队，集各家所长，总结经验，不断改进。此外，还应给予国家电网对可并网的波浪发电装置接入系统的政策支持，明确波浪能优惠的上网电价，尽可能地提高波浪能发电的经济效益。

3.2 加强产、学、研合作

形成国家支持，学院、科研单位和企业共同投入的开发体系，有效发挥各自所长，破解目前因研发经费不足和技术上的瓶颈所带来的困境。此外拓展思路，积极探索诸如摩擦纳米发电技术的波浪能发电装置。

3.3 探索波浪能发电与海上风电共同开发的示范项目研究

充分利用海上风电附近海域，借助其电网接入、运维平台等便利条件，最大限度地降低波浪能发电研发成本，同时结合太阳能、储能，实现多能互补的开发模式。此外，还可考虑与海洋养殖、旅游观光相结合，开发多功能一体的商业运营模式。

4 结语

进入二十一世纪以来，我国正在着力开发海洋资源、发展海洋经济，特别是一些远离大陆的海岛、海上工作平台的电力短缺问题亟待解决。如果能研发出一种高效可靠的波浪能发电装置，将是一种可持续提供清洁能源的途径，为海洋强国提供可靠的能源保障。