波浪能发电技术研究浅谈

波浪能发电技术研究浅谈摘要：随着世界能源日趋紧张，波浪发电作为一种新能源的来源，受到世界各国的重视。介绍了海洋波浪能发电装置的原理，对海洋波浪能发电装置进行了分类，总结了几种典型海洋波浪能发电装置的优缺点，并针对现阶段国内外研究现状指出目前存在的问题和今后海洋波浪能发电装置的发展前景。Abstract:Asasourceofanewenergy,wavepowergenerationispaidmuchattentionbymorecountrieswhilethedecreaseoftheamountoftheenergydaybyday.Inthispaper，theprincipleandclassificationofoceanwavepowergenerationdevicewasintroduced；andtheadvantagesanddisadvantagesofseveraltypicaloceanwavepowergenerationdevicesweresummarized.Moreover，theproblemsofthecurrentresearchstatusanddevelopingprospectofoceanwavepowergenerationdevicewasindicated．关键词：海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生能源，主要为潮汐能、波浪能、潮流能、海水温差能海水盐差能。更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。究其原因，潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化，其他基本上源于太阳辐射。为保证人类所需的能源稳定持久的发展，世界各国均在努力使能源结构从单一的常规能源向多种新能源过渡，近20年来，作为主要可再生能源之一的清洁的海洋能事业取得了很大的发展。波浪能是海洋能利用研究中近期研究最多、政府投资项目最多和最重视的一种能源。目前，波浪能开发利用技术趋于成熟，已进入商业发展阶段，将向规模利用和独立稳定发电方向发展。波浪发电是波浪能利用的主要方式，可以为边远海和海上设施提供清洁能源。自20世纪70年代世界石油危机以来，各国不断投入大量资金人力开展波浪能开发利用的研究，并取得了较大的进展。日、英、美、澳等国家都研制出应用波浪发电的装置，并应用于波浪发电中。我国对波浪能的研究、利用起步较晚，目前我国东南沿海福建、广东等地区已在试验一些波浪发电装置。一、波浪能发电装置的分类是波浪能利用的主要方式，波浪能利用装置的种类繁多，关于波能转换装置的发明专利超过千项。这些装置主要基于以下几种基本机理，即利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动;利用波浪压力的变化;利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。经过20世纪70年代对多种波能装置进行的实验室研究和80年代进行的海况试验及应用示范研究，波浪发电技术己逐步接近实用化水平，研究的重点也集中于4种被认为是有商品化价值的装置，包括振荡水柱式装置、摆式装置、振荡浮子式波能转换装置和收缩波道式波能转换装置。根据波浪能发电装置的内在联系、外部特征、结构和用途等方面的不同，可将波浪能发电装置按不同的方式进行分类，如表1所示。波浪受波体中间转换装置发电装置图1波浪能发电原理图分类方式种类按固定式分固定式、漂浮式按能量传递方式分气动式、液压式、机械式按能量转换方式分直接转换式、间接转换式按结构形式分点头鸭式、振荡水柱式、推摆式、聚波蓄能式、振荡浮子式、阀式二、典型国家的波浪能开发矿物燃料日趋枯竭，环境污染日趋严重，环保、可持续发展等观念使世界上一些主要的海洋国家纷纷把目光转向海洋，其中对波浪发电的研究日趋深入。由于在地球纬度为40°~60°的西海岸区域主要盛行能量很大的西风，所以这一区域的海洋波浪具有高能量，其峰值大约有100kW/m。所以，位于这一区域的国家对海浪发电的研究一直处于世界的前沿，如北美的美国和加拿大、欧洲的大部分国家以及亚洲的日本等国。1.日本日本是个能源匮乏的岛国。但据测算,日本每1m宽海岸的波浪，却蕴藏着9kW的能量。自20世纪60年代以来，日本就投运12台波力发电设备，除了用于验证试验外，还有4台作商业运营至今。目前，这种电站在日本已建造1000多座。其中1996年9月投运的固定式防波堤型130kW波电设备是日本最大的波能转换设备，它的能量转换箱体长20m、宽24m、高24m，共2个，带有8个空气室，1个异步型空气透平发电机，与6kV电力系统并网。最近，日本又投运另一种被称为“巨鲸（MightyWhale）”（见图2的新式波电设备，即可动式浮体型，长50m、宽30m、高13m，像个大鲸鱼浮在水面上，其容量120kW。已于1998年7月投入商业运营。20世纪80年代，日本还在酒井港建造一座200MW的波电站，经海底电缆送电。图2日本“巨鲸(MightyWhale)”波电设备2.英国英国具有全世界最好的波浪能资源，尤其在苏格兰北部地区有着尤其多的波浪能资源，2001年英国科学技术委员会在一份报告中就指出，仅仅在英国的海域每年通过海浪发电装置可收集的海浪能资源及达50TWh。自20世纪70年代开始，英国就制定了能源多样化政策，鼓励发展包括海洋能在内的各种可再生能源，并把波浪发电的研究放在新能源研究的首位。而早在20世纪80年代初英国就已成为世界波浪能研究的中心。英国分别于1990年和1994年，分别在苏格兰伊斯莱岛和奥斯普雷建成了75kW和20MW振荡水柱式和岸基固定式波浪电站。而2000年11月，英国在苏格兰Islay岛建成了具有500kW岸式波能装置LIMPET（Land-Installed-Marine-PoweredEnergyTransformer）的波浪发电站，站址处波能功率密度为25kW/m。而2004年的一台名为帕拉米斯的波浪发电机已在英国西南地区投入使用，其发电功率为750kW，供500户居民使用。由英国Checkmate海洋能源公司设计的“巨蟒”波浪发动机（见图3）宽度将达到7m，长200m，二十五分之一大小的原型机已于最近完成测试，并将于2014年左右投入使用，届时可满足1000个普通家庭用电需求。同时，英国计划在西南部地区建造1座占地面积约1km2、由40台波浪发电机组成的波浪发电站,并通过一条海底电缆为2万户居民提供电力。图3英国Checkmate海洋能源公司设计的“巨蟒”波浪发动机3.挪威挪威的波浪发电研究起始于20世纪70年代，虽然起步晚但是发展十分迅速。挪威主要对波浪发电装置的理论设计做出了较大贡献，提出了相位控制原理和喇叭口收缩波道式波能装置等。挪威当时在波浪发电理论研究和实验方面投入一亿克朗，并于1985年在Toftestallen岛建立了装机容量分别为500kW和350kW的振荡水柱式和聚波水库式波浪发电。而目前，挪威正与印度尼西亚合作，在Java岛兴建一座收缩波道电站。4.其他国家世界上波力发电设备开发最早的国家是法国(1990年)，但是发展较慢，已远远落后于英、日、挪威等大多国家。作为高能源消耗的发达国家，美国近年来也将目光投向波浪能资源的开发利用，政府和很多科研机构投入了大量资金用于波浪发电装置的研发。美国的西海岸的西北部处于全球高海浪能区域，而美国则于近日宣布将于2011年在加利福尼亚的洪堡湾运行五个商业化的波浪发电装置，单机发电可达1000kW。还有澳大利亚、荷兰、丹麦、以色列、加拿大、印度尼西亚等国家对波浪发电进行了一系列研究开发，但主要仍是停留在波浪发电装置、原理等方面，商业实际应用较少。三、中国波浪能应用现状中国波浪发电虽然起步较晚，但发展势头良好。微型波力发电技术已经成熟，小型岸式波力发电技术已进入世界先进行列。我国波力发电技术研究始于70年代，80年代以来获得较快发展，航标灯浮用微型潮汐发电装置已趋商品化，现已生产数百台，在沿海海域航标和大型灯船上推广应用。中国首座波力独立发电系统汕尾100千瓦岸式波力电站于1996年12月开工，2001年进入试发电和实海况试验阶段，2005年第一次实海况试验获得成功。该电站建于广东省汕尾市遮浪镇最东部，为并网运行的岸式振荡水柱型波能装置，设有过压自动卸载保护、过流自动调控、水位限制、断电保护、超速保护等功能。2009年，世界首座海岛可再生独立能源电站广东珠江口的珠海担杆岛初步建成投产。“九五”期间，在科技部科技攻关计划支持下，广州能源研究所正在广东汕尾市遮浪研建100kW波力电站，这是一座与电网并网运行的岸式振荡水柱型波能装置，波能转换效率较高，达到了设计要求。同时，由天津国家海洋局海洋技术所研建的100kW摆式波力电站，已在1999年9月在青岛即墨大官岛试运行成功。我国计划至2020年，在山东、海南、广东各建1座1000kW级的岸式波力电站。四、目前波浪能发电装置研究中仍存在的问题虽然波浪能发电装置的研究与开发已取得了一定的成果，但是相比较而言，波浪能发电装置与太阳能、风能等清洁能源利用装置相比，并没有普及到人民生活中，其中的问题总体而言主要体现为以下几点。4.1发电成本据有关专家的计算，现阶段海洋波浪能的发电成本比常规的热发电高出10倍左右，因此成本问题已经成为普及和大规模利用波浪能发电的最大障碍。只有改进波浪能发电的技术，减小发电成本，才能使波浪能发电真正达到实用化水平，为人们所用。4.2总效率我们研究波浪能装置时通常只是在规则的、平稳的造波池中做试验，得出的结论往往并不具有实际操作性和可行性，因为正常情况下海洋的波浪是时刻变化的，波浪能的能量分散不易集中，因此造成装置的发电总效率并不高。此外，目前波浪能发电装置上使用的发电机一般都采用的是通用的小型三相交流发电机，这种发电机并不完全适用在波浪发电装置上使用，这也是造成发电总效率低的原因之一。4.3工程性波浪能装置大多是直接放置在海水中的，海洋环境下台风天气时常发生，台风具有巨大的破坏能力，会损坏波浪能装置，造成装置失效。并且海水具有腐蚀性，装置容易被腐蚀。所以从工程观点来看，理想的、工程性较好的波浪能发电装置的方案应该包括以下三个方面：①没有水中活动部件；②总体结构上应有利于抗风浪；③尽量少的现场施工。但目前似乎还难以找出一个各全其美的方案，这也是波浪能研究中的一个难点。五、波浪能发电装置的发展前景从上述几种波浪能发电装置的优缺点以及目前存在的问题来看，振荡浮子式波浪能发电装置相比较而言具有很明显的优势。因为其效率高、成本低、可靠性好，因此是今后波浪能发电装置的重要发展方向。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。振荡浮子式波浪能发电装置主要研究的内容是设计出合理的浮子形状、二级转换系统等，通过合理的试验得出一套完善的理论数据。运用机械可靠性设计理论开展研制和试验工作，并且运用Matlab、Adams等分析软件进行模拟仿真，从而进行机械优化设计。目前我国已有一些学者在进行此方面的研究，并且已取得科学有效的参考数据。因此振荡浮子式波浪能发电装置是今后海洋波浪能利用的重点突破口和发展方向。海洋波浪能发电是一种无污染的、清洁的、可再生的新能源，具有得天独厚的优势，但是要进行大规模地开发利用，还存在一些难点，相信经过我们的努力与奋斗，利用波浪能发电这一新型的方式会普及到人们的生活中去，真正做到为人们的生活、工作谋福利。参考文献：[1]张丽珍，羊晓晟，王世明，梁拥成.洋波浪能发电装置的研究现状与发展前景[2]王忠，王传崑．我国海洋能开发利用情况分析[3]李成魁，廖文俊，王宇鑫.世界海洋波浪能发电技术研究进展[4]任建莉，徐璋，钟英杰，张雪梅.波浪能发电的开发与展望[5]余志．我国海洋波浪能的应用与发展