科技前沿速递——波浪能发电：海洋资源的珍宝 - 海洋电力发电技术

近日，国家自然科学基金委员会公布了2022年度区域创新发展联合基金重点支持项目资助结果，我校物流工程学院吴卫民教授主持的“一种输入功率‘可调’、能量转换‘可变结构切换’的振荡浮子式波浪发电系统”课题获得立项资助。该课题针对波浪发电如何增加有效发电时长、提高发电能效以大幅降低成本的研究难点，提出新型“可控浮子”及能量转换“变结构”自然切换新方案，同时研究新型单机系统及阵列控制技术。该课题的研究将为我国波浪能规模化开发提供新的理论依据和有效支撑方案。本期推文聚焦国内外波浪能发电的最新研发态势。

1    波浪能发电技术简介

海洋能源除了有能量巨大、可以再生和无环境污染等优点之外，还有不占陆地空间等优势，是一种极具潜力的再生能源。根据国际能源总署（International Energy Agency，IEA）的评估，理论上海洋能源每年的发电量，分别为：海洋温差发电10 000兆瓦小时（TWH）、波浪发电8 000～80 000兆瓦小时、海流（包括潮流和洋流）发电超过800兆瓦小时、潮汐发电超过300兆瓦小时、盐差发电2 000兆瓦小时。

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波浪能从捕获到发电一般经过三级能量转换，一级转换为波浪蕴含的能量通过捕能机构在波浪下的运动转换为传动系统所需能量；二级转换为将捕能机构捕获的能量通过传动系统转换成发电机所需的能量形式；三级转换为通过发电机等设备将能量以电能形式输出。

图片来源：路晴,史宏达.中国波浪能技术进展与未来趋势[J].海岸工程,2022,41(01):1-12.

图1 波浪能发电装置基本原理示意图

不同形式的波浪能发电装置其技术原理有所不同，欧洲海洋能源中心（European Marine Energy Centre）针对不同的捕能机构装置，将波浪能量转换装置（Wave Energy Converter）分成8种形式，下面针对这8种形式作简单的介绍：

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（1）衰减式（Attenuator）

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“衰减式”为漂浮在海面随波浪起伏运动的设备，当波浪通过时，相连的两浮体之间产生相对运动而撷取波浪能；代表装置是苏格兰研发的“海蛇（Pelamis）”，“海蛇”是全世界第一个利用离岸波浪能发电并输送到国家电网的装置，目前设置在葡萄牙的Agucadoura Wave Park。

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图2 Pelamis Wave Power公司所研发的“海蛇”波浪能装置

（2）点吸收式（Point Absorber）

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“点吸收式”是漂浮在海面随波浪运动，但能吸收来自各个方向波浪能的设备，它能将顶部浮标与基座的相对运动转换成电能；代表装置是由美国研发的“动力浮标（PowerBuoy）”，以及澳洲开发的“海神（CETO）”。

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图3 澳洲Carnegie Wave Energy公司开发的“海神”波浪能发电装置 

（3）波浪振荡冲击式（Oscillating Wave Surge Converter）

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“波浪振荡冲击式”是从波浪往前推动的力量中撷取波浪能，固定在轴上的推拉板因波浪通过而得以前后摇摆运动，进而带动发电机产生电力；代表装置是苏格兰研发的“牡蛎（Oyster）”。

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图4 英格兰Aquamarine Power公司开发的“牡蛎”波浪能发电装置

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（4）振荡水柱式（Oscillating Water Column）

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“振荡水柱式”是一半浸在海水里的中空设备，设备罩住一部分的海面，被罩住的海面随波浪上下振荡，波浪产生时，在发电系统内被罩住的海水会作上下垂直运动，进而推挤密闭舱内的空气然后带动涡轮机发电；代表装置是苏格兰研发建设的“Islay LIMPET”，Islay LIMPET是世界上第一台商用波浪发电设备，并已连接到英国国家电网。

图5 Wavegen公司和贝尔法斯特女王大学联合研发的“LIMPET”波浪能发电装置

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（5）越顶式（Overtopping/Terminator Device）

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“越顶式”是可让海水越过堤防进入蓄水池中，蓄积的海水跟传统水力发电一样，在回流入海中时可带动水轮机发电。一般的做法是在近岸地区建立一条河道，海浪推动海水进入河道后，海浪增高因此跨入蓄水池，然后以位能形式推动涡轮机发电。代表装置是丹麦研发的“海龙（Wave Dragon）”。

图6 Wave Dragon波浪能发电装置

（6）水下压差式（Submerged Pressure Differential）

“水下压差式”通常是固定在海床上的近岸波浪能设备，机组上方的海水因波浪而上下起伏，借着水压差带动帮浦产生液压到发电机组来发电；代表装置是苏格兰研发的“波浪摇摆（Archimedes Wave Swing）”。

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图7 Archimedes Wave Swing波浪能发电装置

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（7）涨波式（Bulge Wave）

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“涨波式”是将一条可充满海水的橡皮管朝向海浪的来向，并放置在海床上；当海水灌入橡皮管时，会因波浪推移而使管内产生水压差，因而在管子上形成“涨波”，当涨波沿着管子前进时，会逐渐蓄积能量最后推动涡轮机发电。代表装置是英国开发的“海蟒（Anaconda）”。

图8 Anaconda波浪能发电装置

（8）旋转质量式（Rotating Mass）：

“旋转质量式”会随着波浪起伏而摇摆，系利用两种旋转方式来撷取波浪能，主要的装置运动时可以带动偏心重量（Eccentric Weight）或是陀螺仪转动，进而驱动发电机。代表装置有法国研发的“SEAREV机器”。

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图9 SEAREV波浪能发电装置

2  波浪能技术未来趋势

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波浪能发电技术发展至今，由于技术成熟度不一致，距离实现波浪能发电商业化仍有很长一段路要走。针对以往装置发电效率低、适应性差、生存时间短等不足之处，研究者们一直致力于装置技术与开发手段的创新研究。未来波浪能发电技术发展趋势不再仅限于单一的装置发电研究，而是逐步转向多自由度、阵列化发电、多能互补耦合发电、多功能综合平台利用等方面。

2.1 多自由度、阵列化发电

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（1）多自由度

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以往开发的大部分波浪能转换装置一般只在单一自由度进行波能捕获运动，经过模拟和试验研究表明，多自由度装置捕能效率较单自由度装置高，释放装置自由度可有效提高装置的捕能效率。目前我国多自由度波浪能发电装置的研究大多处于理论研究和物理模型试验阶段，但实际海浪具有高度随机性和不可重复性，简化模拟试验会降低结果的准确性，增加装置在实海况中的运行风险。若要更好地实现波浪能发电装置的多自由度获能，还需要在获能体形式、获能体耦合方式、能量提取系统等关键技术难点方面进行突破。多自由度波浪能转换装置可适应我国海域能源密度低的环境，有效增强系统的波能捕获能力，具有巨大的开发潜力和应用前景。未来波浪能转换装置将不再局限于单一自由度吸能，而是将装置多个自由度耦合，可以在不同海况条件下实现波浪能的最大化获取。

（2）阵列化

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单个波浪能发电装置单机容量小，发电成本高，无法满足大规模商业化发电要求。而阵列化布置可使装置全方位、连续均匀吸收各种海况下的波浪能，实现大规模连续稳定的电能输出和高效的能量转换，在提高电能转换效率的同时极大降低发电成本。波浪能转换装置模块化设计，有利于扩展成兆瓦级发电装置阵列。根据投放海域选择释放装置自由度以达到最优输出功率，根据波浪场条件合理设计阵列布局形式以得到最优型式的阵列布局。阵列浮子式波浪能发电平台和以阵列浮子式波浪能发电平台为单元的阵列式波浪能发电场可有效扩展波浪能发电的规模，显著增大波浪能发电装置的单机容量。多自由度和阵列化是波浪能发电技术在未来的研究趋势，也是波浪能发电装置在未来的开发趋势。

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2.2 多能互补耦合发电

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波浪能开发利用目前的主要问题在于开发成本高、单一能源开发效率低、无法规模化商业使用等。海上风能发电技术比波浪能发电技术更为成熟，但是由于波浪能和风能都有各自的技术局限性和技术难点。如何将两者结合，降低技术开发难度，促进理论研究成熟化和耦合装置实用化是亟需研究的重点。

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海上风能和波浪能作为具有伴生关系的海洋能源，进行波浪能和海上风能联合开发、协同利用，可有效增加海洋空间利用率，减少海缆等基础设施的建设与维护费用，降低单位发电成本，是解决海上能源利用的高效途径。波浪能发电装置依托漂浮式风机平台或风机依托漂浮式波浪能发电装置，实现风能和波浪能一体化联合发电。风机和波浪能发电装置布置在临近区域协同定位，实现海上风能和波浪能协同化组合发电。风能和波浪能耦合发电是当前海洋能领域研究的热点，在此方向上的技术突破会使我国海洋可再生能源利用率达到新高度，是实现“双碳”目标的重要途径。

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3 波浪发电专利摘编

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资料来源

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[6] EMEC .WAVE DEVICES [EB/OL]. （）[2022-11-08]. https://www.emec.org.uk/marine-energy/wave-devices/

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[7] 国家新材料产业发展战略咨询委员会 . 前沿波浪能技术调研及全球发展现状深度研究[EB/OL]. （2021-09-15）[2022-11-08]. http://nacmids.org/home/headway/info/id/631/catId/51.html

图文编辑：上海海事大学TISC工作组

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