2024国外波浪能开发利用技术进展

目录TOC\o"1-3"\h\u20923 37849表 波浪能发电装置的分 3324481 458951.1 4156141.2 5300481.3 5105851.4 687721.5 7134191.6 853592 9177692.1澳大利亚IVEC 9146202.2英国WaveTreader波浪能风能综合发 974392.3 922392.4 10166472.5 1082792.6 10152063 1227951） 1259402） 12110053） 12海洋波浪能是由风能转换而来的一种能量。水，形成波浪，将能量储存为势能（水团偏离海浪能具有总储量大、波能密度低、资源分布广泛但分布明显不均、能量具有多样性并随时间和地波浪能发电是利用物体在波浪作用下的纵向和横向运动、波浪压力的变化及波浪在海岸的爬升等所具有的机械能进行发电，其结构形式、工根据波浪能发电装置的特征、构造和使用情况等各方面的不同，可将波浪能发电装置按不同的方式进行分类（表1。[2]161

表 波浪能发电装置的分分类方 种固定形 固定式、漂浮 能量转换方 直接转换式、间接转换结构形 点头鸭式、振动水柱式、推摆式波浪能发电系统一般包括三级能量转换。一级转换系统与波浪直接接触，捕获波浪能，能量转换过程主要表现为流体（海浪）动能转化为机械能，或将海水水位升高转换为水的势能；二级能量转换系统通过空气透平或水轮机等设备传动或短期储存机械能，使之转换为旋转的动能，更适合用于驱动发电机运行；三级转换过程主要是通过发电机进行机电转换，系统最终完成从波浪能转换为电能的发电过程。各种波浪能装置转换效率如表2表 几种波浪能装置转换效波浪能→→波浪→筏体→泵、马达→波浪动能水势能→波浪→浮子→系统→波浪能→→波浪能→→液压能→波浪能发电技术已非常接近应用化水平，下面介绍国外这几种典型波浪能利用技术的进展及1974年第一次石油危机促进了波浪能技术的发展，英国、日本和挪威等波浪能资源丰富的国家，把波浪能发电作为解决未来能源问题的重要一环。虽然波浪能发电技术已有数十年的发展历史，但直到近年，随着英国、美国、挪威、澳大利亚、爱尔兰和丹麦等国相继投入大量资金进行波浪能发电装置的研究，才使波浪能发电及传输技术得到迅速发展。总体上来说，除个别技术外，波浪能技术目前尚未实现普遍商业化。目前最成熟的发电设备是英国的Pelami（海蛇波浪能发电装置，该装置目前已基本实现商业运行。其他接近商业化应用的波浪能发电技术包括美国电力技术公司的PowerBuoy、英国AquamarinePower公司的Oyster（牡蛎）发电设备。下面着重介绍几种最主要的波浪能技术。[3]振荡水柱式波浪能发电装置（图1）是以空气作为转换介质。在波浪力的冲击下，装置内的振荡水柱不停冲击致使气室上半部的空气做强迫运

动，空气往复穿过气室右上方的出气孔，从而将高速空气动压缩气室的空气往复穿过喷嘴，将波浪能转换成空气的压能和动能。在喷嘴处安装一个空气涡轮，并将涡轮转轴与发电机相连，则可图 振荡水柱式波浪能转换装置简振荡水柱波浪能发电装置的最大优点是，涡轮机组及电机转轴等相对薄弱的部分只与空气接触，而不直接接触波浪，因此防腐性能好，故障率低，维修简便，但其转换效率较低，且受建造条件的限制，风险较大，成本较高。其应用代表为澳大利亚Oceanlinx公司研制的振荡水柱式波浪能装置（图2。澳大利亚Oceanlinx公司研制的振荡水柱式波浪能装置，运行时可采取漂浮方式也可固定安装在近海海底或岸边，系统利用Denniss-Auld水图 Oceanlinx公司振荡水柱式波浪能装2005装置之一，装机容量为450kW0.95的MK1获取具体技术数据；2010年2月，MK3在澳大利亚Kembla进行最后试验，实现了并网发电，并为摆式波浪能发电装置（图3）发电的原理是波浪力的冲击摆板围绕摆轴发生前后摆动，将波浪能转换为摆轴的机械动能，与摆轴相连的大多为液压集成装置，它将摆板的动能转换成液压能，进而带动发电机发电。摆式波浪能发电装置是一种固定式、直接与波浪接触的发电装置，摆体的运动很符合波浪低频率、大推力的特点。因此，摆式波浪能装置的转换效率较高，但机械和液压机构的维护不太方便。其主要代表性应用为英国的Oyster摆式波浪能装置（图3。[4]20图 摆式波浪能转换装置简2003年模型试验，2005年商品化，2009年研制的Oyster1-315kW有两台Oyster800-800kW型全比例样机在英国欧洲海洋能源中心（EuropeanMarineEnergyCentre，Oyster浮力摆由一组垂直排列的漂浮管组

成，与底部基座由铰接连接，可最大限度地减少摆的重量。浮力摆与液压缸相连，波浪因浮力摆的摆动将驱动液压缸，并通过水下管道泵送高压海水到岸上驱动水轮机进行发电，多个Oyster装置可以通过多路管道将高压水泵入同一岸基发电Oyster波浪能发电装置的特点可以概括为：结构简单、生存性高、岸基发电。图45分别为Oyster1和Oyster800波浪能装置。[5]图 Oyster1波浪能装图 Oyster800波浪能装筏式波浪能发电装置是波面筏通过铰链相互铰接在一起，能量转换装置置于每一铰链处，波浪的运动使波面筏沿着铰链处弯曲，从而反复压缩液力活塞并输出机械能（图6。当装置的固有频率与波浪的频率相一致或接近时，装置的输出Pelamis筏式图 筏式波浪能转换装置简英国苏格兰的Pelamis波浪能电力公司研制的“海蛇”波浪能发电装置于2004年8月成功实现并网发电，是世界上第一个商用波浪能电站。该装置采用半潜式设计，由通过铰接接头连接在一起，由纵摇和横摇的数个筒状构件组成。其内部结构如图4缸、蓄能器和液压电机，最大输出功率为250（在有效波高5.5m情况下。装置迎着波浪方向布放，当海浪冲击装置时，各浮筒会发生弯曲，驱动接头处的液压缸，从而实现装置发电。图78分别为装置结构内部示意图和第二代Pelamis图 Pelamis装置内部结构示意图 第二代Pelamis装

装置运行状态。鸭式波浪能装置由鸭体、水下浮体、系泊系统、液压转换系统和发配电系统组成，通过鸭体与水下浮体之间的相对运动俘获波浪能（图9。水下浮体具有水平板结构和铅垂板结构，在运动时能够带动周边的海水一起运动，形成附加质量，达到抑制水下浮体运动的目的。其主要代表是加拿大的WETEnGen鸭式波浪能装置。图 鸭式波浪能装置结构简加拿大的WETEnGen（图10）是一个底座锚固于海底的定向吸收浮子装置。一个长的倾斜的桅杆从底座延伸至水面，吸收浮子可随着波浪沿着桅杆向上和向下运动。桅杆可以旋转，使浮子图 WETEnGen工作原WETEnGen在大西洋海上试验场进行海上试验（图11）的检测结果表明：WETEnGen其他波浪能发电装置相比具有更高的能量转换效WETEnGen发电成本仅约0.08~0.15美元/kWh，具备与风能发电成本竞争的优势；同时能够生产淡化水，成本约2~4美元/t浇水成本更是能分别下降到0.05美元/kWh和1.5美元/t。图 WETEnGen海上试振荡浮子式波浪能发电装置由浮体、能量转换机构、发电机和保护壳几部分组成（图12。其中浮体作为受波体，其收集到的能量传给能量转换机构，转换成稳定的液压能，液压马达将液压能转换成稳定的旋转机械能，进而带动发电机发电。振荡浮子式波浪能发电装置的优点很多，不仅转换效率比较高，而且减少了水下施工，建造难度小，成本较低廉，但是液压传动机构保养和维修困难，整个装置密封精度较高，易受海水腐蚀。其主要代表装置是美国的PowerBuoy（波浪发电浮标）点吸收式波浪能装置（图13。[8]图 振荡浮子式波浪能发电装置简

图 PowerBuoy浮标结PowerBuoy由美国海洋电力技术公司（OceanPowerTechnology，OPT）研制，已成功研发单机功率40kW和150kW型装置，目前正在研发500kW型装置。如图13PowerBuoy是一个漂浮式点吸浮标内层为长圆柱体结构，外层为水平环形，其形状和浮力可使其保持在水面附近随波浪振荡，与内层附体产生相对运动，压缩其中的气囊，从而驱动传动装置实现发电，通过水下电缆将电力传送至岸上。该浮标体可以为任何离岸的测量传感器（搭载在浮标上部、水面以下及浮标周围海域）提供35m，波高大于0.3m就可以发电。采用锚泊方式固定，安装在PowerBuoy上的传感器可持续监视系统的整体性能和周围海洋环境情况，并将数据实时传输至岸上。若有巨浪袭来，系统将自动上锁并停止发电。当波高恢复至正常值时，系统解锁并重新开始发电。同时由于安装位置离岸较远，通常为5~6km，因此对海区景观影响非常小。2011年1月，PowerBuoy150型（PB150）通过劳氏船级社认证；同年，第一台PB150型装目前OPT正在开发500kW型PowerTower（PB500）装置。聚波水库式装置又称之为收缩波道式，是利用喇叭型的收缩波道收集大范围的波浪能，通过增加能量密度的方式提高发电效率。波道与海相通的一面开口宽，然后逐渐收缩并通至蓄水库。收缩波道既可以聚能又可以转能，利用水头的势能冲击水轮发电机组进行发电（图14。聚波水库装置没有活动部件，可靠性较好，成本低廉，装置工作稳定，但是电站建造对地形有严格的要图 聚波水库式波浪能发电装其主要代表应用为丹麦浪龙公司（WaveDragon）研制的越浪式波浪能发电装置——浪龙（WaveDragon（15。[9]该装置具有两个导浪墙，呈扇形布置，引导海浪进入装置中心，并通过低水头水轮机发电。2003年20kW型样机（由7台转浆式水轮机组成，蓄水池容量为55m3）图 WaveDragon试验装

现了并网发电，累计运行20000多小时。201年170m1.5MW型aveDragon，主要采用钢筋混凝土结构，2012年开始制造。aveDragon通过调整开放式气室的气压，不断调整自体的漂浮高度，从而适应不同波高的波浪，以实现最大的波浪能俘获能力。其他主要的波浪能发电装置包括日本的“巨鲸”(Mightywhale)波浪能发电装置和葡萄牙的Agucadoura波浪能发电站。日本“巨鲸号”波浪（图16）的最大总发电效率可达12%，具有独立提供能源的功能，不仅能吸收波浪能发电，还能起到平稳波浪的作用。葡萄牙的Agucadoura波浪能发电站（图17）是世界首座商900万美元，产生2.2MW1500个家庭的用电需求。Agucadoura波浪能发电站的最终目标是产生21MW的电能。[10]图 日本“巨鲸号”波浪能发电装图 葡萄牙Agucadoura波浪能发电在优化现有技术的基础上，各国开始研发基于新原理的或改进的波浪能发电技术，考虑与其他能源发电技术集成与综合利用，同时兼顾近岸应用向深海应用发展，产生一些新原理的波浪能澳大利亚IVEC澳大利亚IVECPtyLtd公司设计建造的IVEC浮式波浪能电站基于振荡水柱式工作原理，采用多气室、单发电机结构，与传统OWC式单气室结构相比，可以在整个波周期内进行能量转（图18图 IVEC浮式波浪能电站工作原理及装2008年，IVEC公司建造全比例样机，并开展装置转换效率测试，结果波浪能至空气压力的转化效率可达42%150m50水面以上高度为2.5m，装机容量为200kW电成本约合0.3元/kWh。英国WaveTreader波浪能风能综合发（GreenOceanEnergyLtd，GOE）OceanTreader

19图 WaveTreader波浪能风能综合发电装WaveTreader波浪能风能综合发电装置在海2011年，建成全比例WaveTreader样机并完成相关测试，装置长50m、宽20m钢制成，装机容量为500~700kW，设计寿命为年，维修周期为5年。该公司预计2015至20237500~8300个WaveTreader波浪丹麦WaveStarEnergy公司研制的多点吸收10~20km近海区域而设计，固定于海底的平台两侧各有数个浮子从杠杆臂垂下，通过每个浮子的垂直振荡驱动液压2006年，1/10比例样机（5.5kW）实现并网发电；2010年1月，建成1/2比例WaveStar示范电站（110kW）并实现并网发电。目前该公司正在研制C6-600kW型Wavestar（图20，该装图20 WavestarC6-600kW工作示意图（左图）

置由20个直径6m2.75m、波周期4.5s的条件下，输出功率可达600kWC6-600kW型Wavestar具备风暴保护模式，其所有液压和发电设备被安装在水线以上，在风暴期间浮体能够抬升，使其远离海面以避免澳大利亚CETO波浪能综合利用装置利用波浪能把高压海水泵到岸上，可同时用于发电及淡化海水（图21。图 CETO波浪能发电及海水淡化技2003—2006年，CETO1阶段样机对波浪能2006—2008年，完成1/3比例的CETO22009—2011年，完成CETO3示范电站运行，最大发电功率可达203kW，并可输送达77Pa的高压海水（远远超过反渗透法海水淡化技术的要求。图22CETO的商业化阶段的样机示意图。美国FloatIncorporated公司研发的气动式海上平台（PneumaticSeaPlatform，PSP（图23）OWC气室，管路之间通过空气管互通，空气管内有空气透平，在波浪经过时，水柱内的水位会变化，

由于平台气室具有良好的波能吸收作用，当波浪经过平台时会迅速减弱，从而使PSP平台具有良好的稳定性。可在平台顶端安装风机以及其磁流体波浪能发电技术采用高效的液态金属磁流体，将波浪的起伏运动转换为液态金属的往复运动，进而实现发电。该技术可有效减少中间磁流体发电装置具有能量转换效率高、功率密度大、结构紧凑、成本低廉、移动性好且易于图 CETO商业化阶段样图 PSP振荡水柱式波浪能发电装浪发电装置生存能力差等问题，可为水下无人潜水器（unmannedunderwatervehicle，UUV、深美国科学应用及研究联合会（Scientific点吸收式波浪能发电装置采用其专利技术——磁流体发电机（MHD）

置。装置运动部分带动磁流体发电机活塞运动，使其上下油舱内液体流动，装置内磁场发生变化，从而产生感应电流。2007年3月，对100kW型MWEC样机进行了测试（图24MHD波浪能发电装置主要由表面浮体、磁流体发电机、阻尼盘、压载物和系泊系统组成，其中磁流体发电机包括上、下油室和16个串联的磁流体发电单元，每个发电单元均由上下波纹管、绝缘通道、永磁体、铜电极及单元内部的导电流体组成，导电流体选用了低密度、低粘性、高电导率的液态金属。磁流体发电机完全浸没在海水中，利用阻尼板和系泊系统使其保持静止状态。表面浮体与磁流体发电机之间由活塞杆连接，当表面浮体在波浪作用下做升沉运动时，通过活塞的上下运动将浮体俘获的波浪能转换为磁流体发电机油室内的液压能，液压油交替地挤压发电单元的上、下波纹管，使导电流体往复通过由永磁体和铜电极构成的发电通道，利用导电流体切割磁感线时产生的感应电动势输出电力。[16]578图 MWEC-100kW样总体来说，国外已经设计和试验了多种类型时其转换效率很低，同时其岸式应用通常涉及较高的工程造价等问题；摆式技术适合波浪大推力和低频的特点，频率响应范围宽，能量转换效率较高，但其机械和液压系统的维护较为困难，为适应台风等恶劣的海洋环境，重点保证了较高的总体结构可靠性和发电稳定性，但装置迎浪面积较小，捕获波浪能的能力较弱，造成其单位功率的成本较高；鸭式技术的能量转换效率高，但抗浪能力弱，可靠性较差，极易遭到破坏；点吸收式技术捕获波浪能的效率和能量转换效率较高，装置建造相对简单，但同样存在装置抗浪能力不强的缺点；越浪式技术的能量转换效率较高，整体稳定性较高，所使用的水轮机技术在水电行业已较为普遍，装置的生存性较高，但其工程造价同时这些技术大多是近岸式应用，而波浪能资源在远海区域比近海海域更为丰富。在远海区域进行波浪能发电需要克服许多技术难点和恶劣的环境问题，如波浪能装置的发电效率问题以及虽然波浪能发电装置研究已经取得一定的成海洋的波浪是时刻变化的，波浪能量分散不集中，因此造成波浪能发电装置的总的能量转换效率偏低。同时，目前波浪能发电装置的电机多采用通用的小型三相交流电机，这种电机并