2013-2018年波浪能发电产业发展现状与前景研究分析.docx

2013-2018年波浪能发电产业发展现状与前景研究分析第一章 绪论1.1背景介绍随着世界经济的发展、人口的增加、社会生活水平的不断提高，各国对能源的需求迅速增长。近年，受化石能源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，作为主要可再生能源之一的海洋能事业取得很大发展，海洋能应用技术日趋成熟，为人类在21世纪充分利用海洋能展示了美好前景。海洋能指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要有潮汐能、波浪能、海水盐差能和海水温差能。其中，波浪能以机械能形式出现，是品位最高的海洋能，其能流密度最大，分布最为广泛。据世界能源委员会的调查显示，全球可利用的波浪能达到20亿kW，相当于目前世界发电能量的2倍。因此，世界各海洋大国均十分重视波浪能研究利用。1.2 国内外波浪能发电研究现状世界上波浪能转换设备开发最早的国家是法国，后来英国、挪威、印度、日本、美国、葡萄牙等国相继开发。各国都在积极开发研究各种各样的波浪能发电的高新技术，其中以日本和英国两国技术居于世界的领先水平。日本一直非常重视波浪能发电技术的研究与应用，在波浪能发电技术方面走在世界的前列。目前日本已建造1500多座波浪能发电装置。从 20世纪80年代中期至今已建成4 座岸基固定式和防波堤式波浪能电站，单机容量为40125kW，其中20世纪80年代初建造的“海明”号波浪能发电船最为著名，总装机容量可达1250kW。英国具有世界上最好的波浪能资源。从20 世纪70年代开始，英国将波浪能发电研究放在新能源开发的重要位置。20世纪80年代，英国已成为世界浪能研究的中心。20世纪90年代初在苏格兰伊斯莱岛和奥斯普雷建成75kW 和20MW 振荡水柱式和岸基固定式波浪能发电站。2000年11月，世界上第一个波浪能发电厂在苏格兰伊斯莱岛附近建成并开始商业化运行，英国波浪能发电的开发目标是总容量为2GW 的波浪能发电设备。我国近代的波浪能研究始于1968 年,研究波浪能发电最早兴起于上海，为了开发海洋资源、促进经济发展，我国将波浪能发电研究列入了国家重点科技攻关项目，目前从事波浪能发电研究与开发的单位共有十几家，因此波浪能发电技术获得了较快的发展，其中以中国科学院广州能源研究所拥有的水平与成果最为先进。1984年研制成功航标灯小型波浪能发电装置，在我国沿海海域大面积推广与运用。1997年在珠海大万山岛建成国内首座3kW的岸式波浪能试验电站。“九五” 期间完成重点科技项目攻关-汕尾100kW岸式波浪能发电电站。“十五”期间，2002年在海洋波浪能发电关键技术上取得了重大突破，研制的装置可以将随机的波浪能转换成用户能够直接使用的稳定电源，从而为大规模地利用波浪能开辟了新的途径和思考方法。2008 年，中国科学院研制成功了液态金属磁流体波浪能直接发电的原理性演示装置，提出了一种工作原理与常规波浪能发电系统完全不同的新型波浪能发电技术，其实质是系统采用了磁流体发电机，提供了一个与波浪吻合很好的机械阻抗，因此，系统转换效率高，功率密度大，结构紧凑，成本低廉，而且移动性好。第二章 波浪能发电技术类型按国内外波浪能现有装置技术对波浪能能流影响的结果可大致划分为振荡水柱式、点吸收式、消耗式(该类波浪能装置则仅吸收一部分入射波的能量，背浪一侧仍有绕射的波浪)和截止式(该类波浪能装置能巧妙利用自身几何形状避免波浪向后辐射，具有较高的转换效率)四大类，这些以直接从流体介质(海水、空气)中捕获动能为特征的能源机械及其发电系统已成为规模开发波浪能的主流方式。下面分别对这四类波浪能技术的国内外发展现状进行简述分析。2.1振荡水柱式波浪能技术振荡水柱技术是利用一个水下开口的气室吸收波能的技术。波浪驱动气室内水柱往复运动,再通过水柱驱动气室内的空气,进而由空气驱动叶轮,得到旋转机械能,或进一步驱动发电装置,得到电能(见图1)。 图1振荡水柱式波能装置示意图 图2澳大利亚Uisce Beatha波能装置目前已建成的振荡水柱装置有挪威的500 kW岸式装置、英国的500 kW岸式装置LIMPET、澳大利亚的500 kW离岸装置Uisce Beatha(见图2)、中国的100 kW岸式装置、日本和中国的航标灯用10W发电装置等。其中日本和中国的航标灯用10W发电装置处于商业运行阶段,其余处于示范阶段。振荡水柱技术其优点是转换装置不与海水接触,可靠性较高;工作于水面,便于研究,容易实施;缺点是效率低。2.2点吸收式波浪能技术点吸收式(也称振荡浮子式)波浪能技术近年来发展很快，其工作原理是通过浮子的上下浮动从而捕获波浪能量，作为能量传递系统的液压传动或机械装置将波浪能转换成液压能或旋转的机械能，再通过相连的发电机转换成电能或通过其他设备制造淡水或冰。振荡浮子式波浪能发电装置作为点吸收式波浪能技术的一种成功应用，近年来得到了较快的发展，并成功在商业上应用了此类波能转换系统，为导航设备(如浮标灯)提供电力。英国AWS ocean Energy有限公司研制的阿基米德波浪摆装置（图3)由2个相嵌套的圆筒组成，上部圆筒为漂浮的，在波浪作用下上下运动，而下部圆筒固定不动。美国OPT(Ocean Power Technologies)公司研制的PowerBuoy波力装置(图 4)通过控制浮力，控制能量的吸收。2006年2月，OPT公司在英国北部Cornwall对该装置进行第六次试验。2007年2月获得联邦能量结构委员会(FERC)批准，建立 50MW示范装置场。2007年10月OPT公司获得美国海军190万美元的资助，在夏威夷安装PowerBuoy装置系统。 图3 AWS振荡浮子式波能装置 图4 PowerBuoy点吸收式波力装置振荡浮子式的主要优点是其建造方便，投放点机动灵活，缺点是其水动力学性能不佳，装置前面的反射波很大，装置背后的波浪能仍然很大，未能达到较高的转换效率，抗冲击性也较差。2.3消耗式波浪能技术消耗式波浪能技术通过漂浮在水面的、端部铰接的若干筏浮体俘获波浪能，再通过液压系统驱动发电机发电。通过铰链将筏体首尾铰接在一起从而形成长度方向顺浪布置的整体，液压传动系统安装于两两筏体之间的铰接处，沿着长度方向布置的筏体会随着顺浪的波动而发生相对运动，从而带动铰接处的液压传动系统做功并输出能量。大量的海试试验结果分析表明，该类波浪能发电装置具有较好的可靠性，且在设计波况下具有较高的系统效率。最近建成的McCabe Wave Pump(MWP)波力装置(图5)由三个成直角的钢质浮筒构成，通过横梁铰链在一起，总长度40米，具有自动朝向来波的功能。该装置可驱动海水淡化系统获得可饮用的纯净水，或驱动发电机发电。英国OPD公司 (Ocean Power De11very Ltd)研究的Pelamis实际为改良的筏式装置(图6)。传统的消耗型筏式装置只允许一个方向的角位移，在斜浪作用下其铰受到弯曲力矩，容易遭到破坏;而Pelamis允许两个方向的角位移，抗浪能力大大提高。Pelamis的能量采集系统为三个端部相铰接、直径3.5米的浮筒，利用相邻浮筒的角位移驱动活塞，将波浪能转换成液压能，装机容量为750kw，总长为15。米，放置在水深50米60米深的海面上。它是世界上第一座进行商业示范运行的漂浮式波力电站，目前正在加拿大建造总功率可达2Mw的试商业运行示范电站。 图5 MWP消耗式波力筏装置 图6 Pelamis消耗式波力装置消耗型筏式波能装置的优点是具有较好的整体性，抗波浪冲击能力较强，具有较好的能量传递效率，发电稳定性好，但其长度方向顺浪布置，迎波面较小，与垂直于浪向的同等尺度的波能装置比，筏式装置吸收波浪能的能力较为逊色，单位价值材料所获取的能量较小，导致实体尺寸过大。2.4截止式波浪能技术截止式波浪能技术巧妙利用自身的几何形状避免了波浪能向后辐射，降低了兴波阻力，出现了许多构思设计精妙的波能发电装置，如点头鸭、聚波围堰装置和摆式装置等，下面分别予以介绍。2.4.1“点头鸭”型截止式波浪能转换装装置上世纪七十年代，英国爱丁堡大学的Sa1ter教授发明了一种构想巧妙的“点头鸭”式波浪能发电装置(见图 7)，点头鸭式波浪能发电装置的得名是由于该装置的形状和运行特性酷似鸭的运动，波浪入射波的运动使得动压力推动转动部分绕轴线旋转，流体静压力的改变使浮体部分作上升和下沉运动，动能和位能同时通过液压装置转化，再通过液力或电力系统把动能转换为电能。该装置转动轴心垂直于顺浪方向安装，故在波浪的作用下，“点头鸭”装置会绕动转动轴心往复纵摇做功囚。同时由于“点头鸭”装置横截面轮廓类似鸭蛋型圆弧，不会产生向后的行进波，能有效避免波浪向后辐射，具有较高的一次能量捕获效率。中国科学院广州能源研究所研制了一座300W波能转换装置(见图 8)，目前正在研制世界上第一个漂浮式鸭式装置，采用振荡浮子装置的动力摄取技术，以求降低漂浮式鸭式装置的成本。 图7 “点头鸭”型截止式波浪能转换装装置 图8 300W鸭式波能转换装置“点头鸭”装置的缺点在于在其结构复杂导致抗浪能力较弱，诸如液压缸等关键部件错综布置，易发生干涉卡死等现象，其固定支架的海上安装涉及复杂的海下施工技术，可靠性不高;同时，其前端较小后端较大的鸭蛋型几何形状导致其抗浪性较差，在恶劣海况下无法抵抗波浪的侵袭破坏。2.4.2聚波围堰型截止式波浪能转换装置聚波围堰型截止式波浪能技术依靠逐渐收缩的波道俘获波浪能，使波高在逐渐收缩的波道中放大，直到波浪越过波道顶进入高于海面的水库。进入水库的水的势能通过水轮发电机转换成电能。这种转换方法的优点在于其整体可靠性较点头鸭波能装置有了极大的提高可长期稳定运行。1986年，挪威建造了世界上第一座聚波围堰型波力电站，其围堰波道开口约60m宽，呈喇叭形逐渐变窄的锲形导槽，逐渐收缩通至高位水库。高位水库与外海间的水头落差达3.5m其装机容量可达35OkW。电站自建成以来一直工作正常。不足之处是，电站对地形要求严格，不易推广。丹麦的Wave Dragon公司研建了漂浮式的聚波围堰型装置(图9）。该装置由钢结构组成，漂浮于海面上，通过锚链锚泊于海底，两侧具有导浪浮体，采用低水头的Kaplan水轮机组发电。该装置不受潮位影响，在大浪时可以稳定发电，导浪浮体具有较好的聚波能力，可根据波高调解状装置的吃水高度，具有较好的水动力学性能。图9 Wave Dragon波浪能装置2.4.3摆式截止型波浪能转换装置摆式波浪能发电技术的概念最早是由日本的度部富治教授提出的，其原理是利用根据波况设计的水槽人为造成立波。由波浪理论可知，水质点在立波驻点处会做往复运动，宏观上表现为人们常见的波浪团簇往复运动。摆式波浪能发电装置就是利用这种现象，在波浪力的作用下，利用摆板的往复摆动从而捕获波浪能量，通过与摆板摆轴相连的液压传动系统转换为液压能，进而转换为电能发电。1983年，日本室兰工业大学建造了世界上第一座悬挂摆式波浪能发电装置，其摆宽为2米，装机功率为5kw。该悬挂摆式波浪能发电装置利用水室中的立波推动悬挂摆的摇摆运动捕获波浪能。摆板的运行很适合波浪大推力和低频特性，它的阻尼是液压装置。利用两台单向作用的液力泵驱动发电机便可吸取全周期的波浪能。该悬挂摆式波艰能发电装置在周期为4s，波高为1.5m时的设计波况下，其额定输出功率约为5kw，系统总效率可达40%左右。同期日本室兰工业大学又在烧究岛的西浦港建造了一座悬挂摆式波浪能发电装置，其装机功率为20kw，用于向岛上居民独立供电。“八五”、“九五”期间，我国国家海洋局海洋技术中心分别研建了8KW和30KW岸式悬挂摆式波能发电装置，为岛上居民供电。1996年国家海洋局海洋技术研究所在山东省即墨市大管岛建造的岸式悬挂摆波浪能发电装置，其设计额定功率可达30kw。该悬挂摆式波浪能发电装置适用于入射波高为16米的设计波况，发电状况良好，据文献报道目前该装置仍能维持正常运行。摆式波能装置也可分为悬挂摆式和浮力摆式两种。摆体的运动很适合波浪大推力和低频的特性。因此，摆式波能装置的转换效率较高，但机械和液压机构的维护较为困难。虽然悬挂摆式波浪能发电装置具有较高的能量捕获效率，但是受限于适用波况，对设计要求较高，在设计波况下具有较高的一次能量捕获效率;而在非设计波况下，悬挂摆式波浪能发电装置的一次能量捕获效率较低。浮力摆式波浪能发电装置由于结构本身造成整体可靠性较差，一旦遭遇诸如台风等恶劣的海洋状况，就易造成损坏影响系统稳定运行。第三章 波浪能发电产业化前景分析3.1 我国波浪能发电产业化意义我国目前正处于实现工业化和信息化的经济高速发展期,特别是沿海地区,能源需求的急剧增加以成为社会和经济发展的瓶颈.众多海岛 ,在海洋开发和国防建设方面占有重要地位,特别是远离大陆的岛屿 ,依靠大陆供应能源 ,供应线过长 ,且受风浪影响.能源和淡水是海洋资源开发和海防建设活动的基本需求,能源和淡水供应的成本关系到海洋资源开发的成本,因而也就直接影响到海洋资源开发的能力。解决能源和淡水供应问题成为远海资源开发的关键,相对于其它形式的可再生能源 ,波浪能等形式的海洋能易于规划 ,具有较大优势 ,因此建立利用波浪能的独立发电和海水淡化系统大有发展潜力。据估计 ,从现在起到未来的 30 年中,平均每 10年我国能源需求总量应增加5亿吨标准煤 ,再过30年或稍长一点时间 ,中国有可能超过美国成为世界第一能源消费大国.我国的化石燃料资源有限,而更多化石燃料的消耗必将造成更加严重的环境污染 ,清除这些污染 ,代价则更为巨大 ,因此不能单纯依靠增加化石燃料的生产来解决.尽管目前在技术成熟程度、规模和价格等方面海洋能与常规能源还难以相提并论 ,但从我国能源长期发展战略和技术储备 ,以及为常规能源难以到达的特殊场合提供能源和综合利用的角度来看 ,加大和加快开海洋波浪能源的开发研究具有重要的现实和战略意义。3.2我国波浪能开发适合地域根据调查和利用波浪观测资料计算统计，我国沿岸波浪能资源理论平均功率为1285.22万千瓦，这些资源在沿岸的分布很不均匀。以台湾省沿岸为最多，为429万千瓦，占全国总量的1/3。其次是浙江、广东、福建和山东沿岸也较多，在160205万千瓦之间，约为706万千瓦，约占全国总量的55，其他省市沿岸则很少，仅在14356万千瓦之间。广西沿岸最少，仅8.1万千瓦。 全国沿岸波浪能源密度（波浪在单位时间通过单位波峰的能量，单位千瓦米）分布，以浙江中部，台湾，福建省海坛岛以北，渤海海峡为最高，达 5.117.73千瓦米。这些海区平均波高大于1米，周期多大于5秒，是我国沿岸波浪能能流密度较高，资源蕴藏量最丰富的海域。其次是西沙、浙江的北部和南部。福建南部和山东半岛南岸等能源密度也较高，资源也较丰富。其他地区波浪能能流密度较低，资源蕴藏也较少。根据波浪能能流密度及其变化和开发利用的自然环境条件，应首选浙江、福建沿岸作为重点开发利用地区，其次是广东东部、长江口和山东半岛南岸中段。也可以选择条件较好的地区，如峡山岛、南鹿岛、大骰山、云澳、表角、遮浪等处。这些地区具有能量密度高、季节变化小、平均潮差小、近岸水较深、均为基岩海岸；岸滩较窄，坡度较大等优越条件，是波浪能源开发利用的理想地点，应作为优先开发的地区。 3.3 波浪能发电产业化亟需解决的问题今天的波浪能发电装置，无论从零件的设计水平，还是从其工艺制造水平来讲，都是远远优于早期的;材料科学的日益更新也为波浪能装置的新材料设计、耐腐蚀及密封等提供了可靠的保证。对于波浪能发电装置而言，波浪能发电技术是一门集海洋环境科学、流体力学、机电工程、材料学科等多学科于一体的交叉技术，其中仍然包括很多关键技术问题尚待解决，尚未形成自己的理论体系，相关的模型分析及试验研究工作仍需继续进行。其中的问题总体而言主要体现为以下几点：（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。（2）总效率我们研究波浪能装置时通