波浪能的研究现状与开发利用

波浪能的研究现状与开发利用随着世界经济的发展，人口的激增，社会的进步，人们对能源的需求日益增长。占地球表面70%的广阔海洋，集中了97%的水量，蕴藏着大量的能源，即海洋能。近20多年来，受化石燃料能源危机和环境变化压力的驱动，作为主要可再生能源之一的海洋能事业取得了很大发展，在相关高技术后援的支持下，海洋能应用技术日趋成熟，为人类在下个世纪充分利用海洋能展示了美好的前景。海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水温差能和海水盐差能。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。究其成因，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。海洋能源按储存形式又可分为机械能、热能和化学能。其中，潮汐能、海流能和波浪能为机械能，海水温差能为热能，海水盐差能为化学能。其中波浪由于开发过程中对环境影响最小且以机械能的形式存在，是品位最高的海洋能。据估算，全世界波浪能的理论值约为109Kw量级。是现在世界发电量的数百倍，有着广阔的商用前景，因而也是各国海洋研究的重点。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，并取得较大的成果。日，英，美，澳的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波浪能简介：波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的，它实质上是吸收了风能而形成的。能量传递速率和风速有关，也和风与水相互作用的距离有关。波浪可以用波高、波长和波周期等特征来描述目前波浪能的主要的主要利用方式是波浪能发电，此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。利用波浪能发电就是利用能量守恒定理，水的动能和势能转换为机械能，带动发电机发电。波浪能的优势：波浪所蕴涵的能量主要是是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。台风导致的巨浪，其功率密度可达每米迎波面数千kW，而波浪能丰富的欧洲北海地区，其年平均波浪功率也仅为2040kW/m2中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为27kW/m2。全世界波浪能的理论估算值也为109kW量级。利用中国沿海海洋观测台站资料估算得到，中国沿海理论波浪年平均功率约为1.3X107kW。但由于不少海洋台站的观测地点处于内湾或风浪较小位置，故实际的沿海波浪功率要大于此值。其中浙江、福建、广东和台湾沿海为波能丰富的地区。波浪能具有能量密度高、分布面广等优点。它是一种取之不竭的可再生清洁能源。尤其是在能源消耗较大的冬季，可以利用的波浪能能量也最大。小功率的波浪能发电，已在导航浮标、灯塔等获得推广应用。我国有广阔的海洋资源，波浪能的理论存储量为7000万千瓦左右，沿海波浪能能流密度大约为每米2千瓦7千瓦。在能流密度高的地方，每1米海岸线外波浪的能流就足以为20个家庭提供照明。虽然大洋中的波浪能是难以提取的，因此可供利用的波浪能资源仅局限于靠近海岸线的地方。但即使是这样，在条件比较好的沿海区的波浪能资源贮量大概也超过2TW。据估计全世界可开发利用的波浪能达2.5TW。我国沿海有效波高约为23m、周期为9s的波列，波浪功率可达1739kw/m，渤海湾更高达42kw/m。波浪能的劣势：波浪能的利用并不容易。波浪能是可再生能源中最不稳定的能源，波浪不能定期产生，各地区波高也不一样，由此造成波浪能利用上的困难。波浪能的分布：南半球和北半球4060纬度间的风力最强。信风区（赤道两侧30之内）的低速风也会产生很有吸引力的波候，因为这里的低速风比较有规律。在盛风区和长风区的沿海，波浪能的密度一般都很高。波浪能的利用：波浪发电是波浪能利用的主要方式，此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。波浪能利用的关键是波浪能转换装置。通常波浪能要经过三级转换：第一级为受波体，它将大海的波浪能吸收进来；第二级为中间转换装置，它优化第一级转换，产生出足够稳定的能量；第三级为发电装置，与其它发电装置类似。（1） 波浪能的开发历程： 世界上波力发电设备开发最早的国家是法国(1910年)。后来英国、挪威、印度、日本等相继开发。最早的波浪能利用机械发明专利是1799年法国人吉拉德父子获得的。18541973年的119年间，英国登记了波浪能发明专利340项，美国为61项。在法国，则可查到有关波浪能利用技术的600种说明书。早期海洋波浪能发电付诸实用的是气动式波力装置。道理很简单，就是利用波浪上下起伏的力量，通过压缩空气，推动汲筒中的活塞往复运动而做功。1910年，法国人布索白拉塞克在其海滨住宅附近建了一座气动式波浪发电站，供应其住宅l 000瓦的电力。这个电站装置的原理是：与海水相通的密闭竖并中的空气因波浪起伏而被压缩或抽空稀薄，驱动活塞做往复运动，再转换成发电机的旋转运动而发出电力。60年代，日本研制成功用于航标灯浮体上的气动式波力发电装置。此种装置已经投入批量生产，产品额定功率从60瓦到500瓦不等。产品除日本自用外，还出口，成为仅有的少数商品化波能装备之一。该产品发电的原理就像一个倒置的打气筒，靠波浪上下往复运动的力量吸、压空气，推动涡轮机发电。中国波力发电研究成绩也很显著。70年代以来，上海、青岛、广州和北京的五六家研究单位开展了此项研究。用于航标灯的波力发电装置也已投入批量生产。向海岛供电的岸式波力电站也在试验之中。（2）波浪能的商业化开发：1、日本海洋波能的开发利用已有百年历史。法国是世界最早的（1910年），虽然日本开发较晚，但后来居上，且实现商业化较多。自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，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，日本又投运另一种型式波电设备，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。80年代年，日本还在酒井港建造一座200MW的波电站，经海底电缆送电。2、英国与日本同属岛国的英国也十分重视波能研究开发，80年代就已成为世界波能研究中心，90年代初在苏格兰的2个岛上分别建造了振荡水柱式和岸基固定式波电站。英国发明的专利韦尔斯气动涡轮机可在2种相反方向海流作用下做单方向旋转，现已各国推应用。1999年，英国海洋电力传输机构与苏格兰再生能源公司签订15年的电力购买合同，定于2002年8月完成并交付使用。该电站建在苏格兰西岸，发电设备采用半浸水式全交接结构，外形很像许多圆筒（直径3.5m）轴向串联一起，总长约130m，筒与筒之间设有液压活塞，在海浪作用下，通过存贮器将高压油压入油压发动机，并驱动发电机发电。输出功率为750kW，这是目前世界上最大的波电设备。存贮器能保证持续平滑的功率输出，其平衡性可与柴油发电机比美。而设备的运行则与现代的风力发电机很相似。现在英国已完成功率高达2GW的波电设备研究项目。75kW的这种设备自1992年以来商业运营至今。90年代还在毛里求斯建造一座20MW的大型波电站。3、挪威挪威也是开发利用波能较早的国家，与1985年在托夫特斯塔林建造的500kW波电站是上个世纪容量最大的。后来又在该地增设350kW电站。90年代初建造了用于印尼和澳大利亚的1400kW这种电站2座。挪威发明了多谐振振荡水柱和减速槽道新技术，已被广泛应用，其为塔普昌建造的波电站350kW，采用了少见的水位能转换式，堤后贮水池水面高出海面3m8m，水轮机设计水头3m，流量1416m3/S。从1988年起挪威帮助印尼在巴厘岛建造1500kW波电站，并拟建数百座以便实现联站并网。4、中国中国海域辽阔，总面积470万km2，海岸线曲折漫长，大陆岸线1.8万km，海岛岸线1.4万km，海浪能源丰富，年均波力功率在3kJ/m以上。我国波电开发较晚，1975年制成1kW波电浮标，在浙江省嵊山岛试验。自1985年起，我国研制了多种小型产品，其中有600多台作为航标灯用，并出口到日本等国。后来开发了20kW岸基固定式、5kW漂浮式、8kW摆板式等波电站。90年代，中科院广州能源所在广东汕尾建造100kW岸基固定式波电站，于2000年建成发电。后来，广州能源所又在山东、海南、广东建造了座1000kW级这种电站。近年来，中国经济发展迅速，因此能源紧缺，电力不足。由于水电周期太长，还存在淹汲、移民等问题；而火电燃料有限，且存在温室效应问题；另外核电成本太高，存在安全问题。所以国家非常重视清洁的可再生能源的开发利用，如风力发电、海洋发电等。针对国情，加大力度和投入，发展波电更为有利，可以联站并网，发挥密集型特点，实现群体化，可操作性很强。5、美国大约在1997年，美国俄勒冈州就着手开发利用波浪能，但由于当时技术限制，波浪能发展计划未能顺利进行；然而据纽约时报报道，随着技术进步，美国首个获得商业许可的并网波浪能发电装置日前已经进入了最后的测试阶段，计划于2012年10月在俄勒冈州正式下水。该装置由海洋电力技术公司设计，上个月获得了美国联邦政府的批准，并网之后足以为1000户家庭提供电力。此外，还有印度、印尼、西班牙、葡萄牙、瑞典、丹麦等30多个国家、地区也在大力开发波电，从几百kW到几十MW，且容量不断增大，正以10%以上的年增长率迅速发展。（3）波浪能未来利用开发的发展趋势：当前波力发电设备主要分为二种：振动型(波浪上下振动)和移动型(波浪平移)。振动型包括水柱型、浮体型、固定型、可动型等4种；移动型基本上就是一种低水头发电站，此时利用大坝和转桨式水轮机。当前的发展趋势是水柱型，因为开发应用了先进的水阀室作为逆止阀，而以前常用风门作为逆止阀，经常受到反复冲击，容易损坏；另一趋势是开发固定式防波堤型，既便于建造，又能与防波堤结合，可以综合利用；第三个趋势是进一步降低造价。当今世界波力发电成本基本上接近于普通电价，出于竞争，还应继续努力进一步降低，主要是改进设备，对于日本，波能存贮量高达50GW，而波力发电比普通电价高出数倍，在降价方面，任重道远。波浪能未来的研究方向：在波浪发电的百年发展中都伴随着试验、研究和探索。波力发电已由航标灯用小型化发展到与电力系统并网的中、大型化，由试验验证时代发展到商品化、商业化和国际贸易化。全世界已经确认波电是海洋能源开发利用的重要项目，是清洁无污染的可再生新能源的主要组成部分。今后的发展面临的主要科研课题如下：1、耐久性它比效率的提高还重要。波浪随季节和时间而变，甚至每月、每天、每小时都在变，短时间变化尚能适应，长期变化仍有困难，设备的疲劳破坏承受能力、耐久性和使用寿命，是第一位的难题。2、蓄能性波电的能量存贮要求方便、价廉、用汽车电池存贮虽然价廉，然而容量有限；最好是压缩空气蓄能，不仅价廉，而且适应于大容量化。3、高效率虽然比不过耐久性重要，但提高效率仍是永恒的课题，特别是波能转换效率，潜力仍然很大。4、低成本波电设备虽很简单，但其造价仍然较高。日本最新型130kW设备，沉箱6亿、发电设备5亿，共11亿日元。造价较高。计算表明，10MW波电成本约为17.333.1日元/kWh，成本也高。但是形成规模，实现群体化，增大容量，10MW时成本就会降低。5、安全性波电设备应能在与风暴有关的大浪中自动解列，以免过载或遭受破坏。最好设有阻尼装置以免设备移动、损坏。我国波浪能的开发现状：我国自70年代起开始波浪能的研究及开发，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，仍有许多问题亟待解决。还需要国家进一步的支持。成就我国沿岸波浪能资源理论平均功率约1285万千瓦，具有良好的开发应用价值，建立波浪能发电系统发展潜力巨大。中国波浪发电虽然起步较晚，但发展势头良好。微型波浪发电技术已经成熟，小型岸式波力发电技术已进入世界先进行列。中国科学院广州能源研究所于1989年在广东珠海建成了第一座示范实验波力电站，1996年又建成了一座新的波力实验电站，专家们通过试验积累了宝贵经验。我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。近年来，我国积极推进新能源开发利用。随着一大批清洁能源发电项目建成投产，我国的发电装机结构进一步得到优化，新能源发电呈加速发展态势。我国波浪能资源蕴藏量丰富，清洁无污染，再生能力强，波浪发电产业得到国家政策的鼓励和扶持，投资前景良好。根据规划，到2020年，我国将在山东、海南、广东各建1座1000千瓦级的岸式波浪发电站。不足波浪能的利用并不容易。波浪能是可再生能源中最不稳定的能源，波浪不能定期产生，各地区波高也不一样，由此造成波浪能利用上的困难。利用波浪能发电要依靠波浪发电装置，但是由于海浪具有力量强、速度慢和周期性变化的特点，100多年来，世界各国科学家提出300多种设想，发明了各种各样的波浪能发电装置，但是普遍发电功率很小，而且效果差。想要充分地利用波浪能发电，有几项难题需要解决。一是独立发电问题。最早的波浪能发电装置需要与柴油机并联工作，这样会造成污染。后来则需要依靠电网，先把波浪能转化的电能供应到电网上，然后才可以利用，这样又会受到电网覆盖范围的限制，造成发电成本高昂、发电功率小、质量差等问题。二是稳定性问题。由于受技术限制，波浪能发电装置只能将吸收来的波浪能转化为不稳定的液压能，这样再转化的电能也是不稳定的。英国、葡萄牙等欧洲国家采用昂贵的发电设施，仍无法得到稳定的电能。三是控制问题。由于波浪的运动没有规律性和周期性，浪大时能量有剩余，浪小时能量供应不足。这就需要有一种设备在浪大时将多余的波浪能储存、再利用。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