我国海洋波浪能的发展进展
来源：广州能源研究所作者：广州能源研究所发布时间：2022-12-30 人气：0
波浪能具有以下优点：1.波浪能以机械能形式出现，是海洋能中品位最高的能量；2.波浪能的能流密度最大，在太平洋、大西洋东海岸纬度40～60°区域，波浪能可达到30～70kW/m，某些地方达到100kW/m；3.波浪能是海洋中分布最广的可再生能源——大海里很难找到没有波浪的地方。这意味着：（1）波浪能可通过较小的装置实现其利用；（2）波浪能不仅可以提供可观的廉价能量；（3）波浪能可以为边远海域的国防、海洋开发等活动提供能量。因此，世界各海洋大国均十分重视波浪能利用研究。
一、波浪能利用技术
关于波浪能转换的各种专利已超过1500项。波浪能装置千变万化，但通常具有两个部分：第一部分为采集系统，作用是俘获波浪能；第二部分为转换系统，即把俘获的波浪能转换为某种特定形式的机械能或电能。采集系统的形式有振荡水柱式（OWC）、振荡浮子式（Buoy）、摆式(Pendulum)、鸭式(Duck)、筏式(Raft)、收缩坡道式(Tapchan)、蚌式(Clam)等，提高波浪能俘获量的技术有通过波浪绕射或折射的聚波技术，以及通过系统与波浪共振的惯性聚波技术。转换系统有空气叶轮、低水头水轮机、液压系统、机械系统以及发电机等，提高转换效率的方法有可控叶片、变阻尼、整流、定压等，提高能量质量的方法有能量缓冲和调励磁等。
目前最常见的是振荡水柱 空气叶轮的波浪能装置，装机容量1kW以下的大约有1000多个，用于为导航浮标供电，已经走向商业化（图1）；装机容量数十到数百kW的波浪能装置大约有10座左右。最大的一座是欧盟建造的2MW装置Osprey，可惜在下水时破损。成功建成的有英国和挪威的500kW装置各一座（图2），葡萄牙400kW装置一座，日本120kW装置一座、40kW装置一座、1kW以下装置600余个，我国100kW装置一座、20kW装置一座、1kW以下装置700余个。该装置的优点在于采用空气传递能量，避免波浪对脆弱的发电系统的直接打击；其缺点是空气叶轮转换效率不高，特别是在小浪时；而且发电不稳定，对于10kW以上的波浪能装置须与柴油机或电网并联才能正常工作。
除了振荡水柱 空气叶轮之外，目前较为成功的波浪能装置还有振荡浮子式、摆式、筏式与液压系统的组合。
英国的Pelamis装置（图3）采用筏式 液压系统，装机容量达到700kW，是目前世界上装机容量最大的波浪能装置。该装置的优点在于采用了蓄能器，输出稳定，抗风浪冲击能力强。缺点为俘获波浪能效率不高。
振荡浮子 液压系统是目前发展势头最猛的波浪能装置。该技术采用浮子俘获波浪能，通过与浮子连接的液压装置将波浪能转换成液压能，再通过发电机转换成电能，或通过其它设备制造淡水或冰。
振荡浮子技术发展迅速的原因是：1.俘获波浪能效率以及转换效率均高；2.振荡浮子制造相对最为简单；3.采用液压系统，能量容易汇集，形成大规模发电系统；4.可以提供电力，也可以提供非电力的动力，实现一机多用。
英国、美国、荷兰、瑞典、丹麦、中国均开展了振荡浮子式波浪能装置的研究。其中，英国Wavebob公司研制的装置有望在2005年实现小比例的实海况实验，2006年开始正式发电，预计把电送上岸的电价为3～5欧分（eurocents）/kWh。荷兰的TeamworkTechnologyBV公司正在研制的AWS振荡浮子式波能装置（图4）装机容量为2MW。英国Cork大学和女王大学研究的McCabeWavePump（MWP）波力装置可以为制淡提供能量，当然也可用来发电。该装置有望每年提供纯净水27.5万立方米，运行成本为0.25美元/m3。美国的OceanPowerTechnolog（OPT）公司研制的PowerBuoy点吸收式波力装置，单个装置的装机容量为20～50kW，多个装置构成的群可满足兆瓦级用户的需求，预计该装置发电运转成本对于100MW规模的电站为3～4美分/kWh，1MW规模的电站为7～10美分/kWh。
二、国内波浪能研究存在问题及解决办法
全球波浪能能流密度相差悬殊：最丰富的地区，其能流密度达100kW/m以上；而最不丰富的地区，其能流密度接近于0。中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为2～7kW/m。英国、葡萄牙等国家的波浪能能流密度达到40～60kW/m，波浪能发电成本有可能降到目前风能发电的水平。因此，这些国家可以大规模开发波浪能。其关键问题是提高波浪能发电效率、装置的建造技术、降低成本，以求获得最佳经济利益。采用技术为在大浪下具有较高可靠性的波能转换技术以及并网技术，如振荡水柱技术、变励磁、变速恒频发电系统等。
中国的波浪能发电成本要昂贵得多。从目前技术水平看，其发电成本要降到目前风能发电的水平是不可能的。因此现在应着重于在波浪能是最便宜的能源的边远海岛、钻井平台、深海采矿等常规能源难以供应的场所发展。关键是在降低发电成本的同时，提高发电的稳定性，发展波浪能独立发电系统，使用户直接使用波浪能。
（一）波浪能装置的稳定输出问题
要实现波浪能独立发电系统，首先要解决的是波浪能装置的稳定输出问题。对于装机容量小的波浪能装置，如我们研制的10W波力发电航标灯，可以采取向蓄电池充电，再从蓄电池中输出稳定的电能到用户。如果需要交流电，则需要配备逆变系统。但这一方法不适用于平均功率较大的波浪能装置。解决这一问题的关键是发明一种技术使得波浪能变成稳定的，直接被用户使用，多余的存入蓄电池，不足的从蓄电池补充，就可以大大减小蓄电池的容量（及发电成本）。这就是波浪能独立发电系统的概念。
这种可以将波浪能转换成稳定的电能的技术是波浪能独立发电系统的关键技术。“十五”期间，我们在“863”项目和中科院创新方向性项目支持下开展了这方面的研究，取得了突破性进展，率先提出并研制成蓄能稳压系统。有了蓄能稳压系统，就可以按照平均功率而不是峰值功率来设计蓄电池组，蓄电池组的容量便可以大大下降。
（二）波浪能装置的效率问题
从2000年起，我们开始研究振荡浮子式 液压系统的波能装置。振荡浮子式 液压系统的波能装置的工作原理是，通过振荡浮子将波浪能转换成驱动液压泵的往复（不稳定）机械能，再通过蓄能稳压系统将不稳定的液压能转换成稳定的液压能，通过液压马达驱动电机发电。在任何波况下的整个转换效率为50左右，明显比振荡水柱式波能装置的转换效率高；从建造成本和难度上看，上述转换系统也低于同等容量的振荡水柱波能系统。
（三）波浪能制淡问题
解决海岛缺水问题的一个有效方法是利用海洋里的波浪能进行海水淡化，制造淡水。海水淡化需要能量，正好成为波浪能独立发电系统能量调节的手段之一。从季节看，冬季波浪能较大，雨水较少，用波浪能制淡刚好可以补充雨水的不足；在夏季偶然出现大浪时，也可以将多余的波浪能用于海水淡化，解决能量过剩问题。
反渗透海水淡化是一个效率最高的制淡方法，制造每吨淡水大约需要10MJ机械能。将波浪能转换成所需的机械能便可以供给反渗透海水淡化设备，得到淡水。
为了实现这一目的，我们研制了波浪能驱动的海水淡化装置。该装置可日产2吨淡水，可以为班排一级的守岛部队提供充足的淡水。
（四）尚未解决的问题
对于波浪能研究来说，目前存在以下主要技术问题：
1.材料问题——波浪能装置的材料应该具有（1）抗海水腐蚀的特性；（2）廉价；（3）较好的耐久性和可靠性。不锈钢满足第1、3两条，不满足第2条；工程塑料在强度上已有了显著提高，但其耐久性和可靠性还未能满足要求。因此，现有的波浪能装置只是采用普通钢材，靠表面涂层提高抗腐蚀能力，耐久性差强人意。
2.工业产品系列太少——目前并不存在专门为波浪能利用而发展的工业产品，只能逐渐发展。但我国目前许多产品的系列太少，迫使在波浪能研究上改变设计，牺牲效率、合理性，用现有产品拼凑成波浪能。例如小型电机，明显缺乏低转速、功率100W以下的发电机，或低转速、100kW以上的大功率发电机。齿轮等机械，液压泵、液压马达等也存在类似的问题。
3.投入研发经费不足——我国从“七五”开始研究波浪能。从“八五”到“十五”，国家科技部、中国科学院等对波浪能研究开展了持续的支持，3个五年计划共支持了约1000万，用于研制20kW、100kW岸式振荡水柱波能装置各一座，8kW、30kW摆式波能装置各一座，5kW漂浮式波能发电船一座，50kW波浪能独立发电与制淡系统一座。这些研究使我国的波浪能研究水平逐渐发展起来，特别是“十五”期间，我国在波浪能转换效率、波浪能稳定输出和波浪能装置建造技术上有了显著的提高，处于世界先进水平。
但相对国外的波浪能研究，我国的研发经费太少了。3个五年计划共支持了约1000万，研建了6个波浪能装置，全部加起来仅相当于英国近5年投入研究费用的1/60。上述项目均有较大缺口，需要部门、省、地方匹配才能完成。研究费用的欠缺，对我国波浪能研究进展有负面影响。
总的来说，我国的波浪能转换研究进步是明显的，在世界上也有一定影响，目前可以进入示范阶段，但尚未进入商业开发阶段。波浪能利用在技术上并未完全成熟，还需要国家进一步的支持。