清洁能源的准确定义应是

1、清洁能源的准确定义应是：对能源清洁、高效、系统化 应用 的技术体系。含义有三点：第一清洁能源不是对能源的简单分类，而是指能源利用的技术体系；第二清洁能源不但强调清洁性同时也强调 经济 性；第三清洁能源的清洁性指的是符合一定的排放标准。传统意义上，清洁能源指的是对环境友好的能源，意思为环保，排放少，污染程度小。但是这个概念不够准   清洁能源1 核能虽然属于清洁能源，但消耗铀燃料，不是可再生能源，投资较高，而且几乎所有 的国家，包括技术和管理最先进的国家，都不能保证核电站的绝对安全确，容易让人们误以为是对能源的分类，认为能源有清洁与不清洁之分，从而误解清洁第34卷第1期200

2、6年2月浙江工业大学学报JOURNAL OF ZHEJIANGUNIVERSITYOF TECHNOLOGYVol. 34No.1Feb. 2006收稿日期: 2005-04-01作者简介: 任建莉(1975 ), 女, 山西介休人, 讲师, 博士, 主要从事低污染燃烧和新能源开发利用的研究.海洋波能发电的现状与前景任建莉, 钟英杰, 张雪梅, 徐 璋(浙江工业大学机械制造及自动化省部共建教育部重点实验室, 浙江杭州310032)摘要: 波浪能是海洋能源中蕴藏最为丰富的能源之一, 也是海洋能利用研究中近期研究最多的海洋能源, 其开发利用技术已趋于成熟, 正在进入或接近于商业化发展阶段. 针对海

3、洋波浪能发电技术的基本原理、能量转换系统等作了全面综述, 介绍了国内外海洋波能发电技术的进展和主要波能装置, 而其中一些计划的成功实施, 有力地推动了波能转换的技术进步及其在世界范围内的竞争力.同时也分析了波浪能研究和利用的发展目标和方向, 指出我国波浪能利用对于沿海地区海洋资源的开发和远离大陆海岛的发展有着十分重要的意义.关键词: 海洋波浪能; 波能转换; 发电; 新能源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 1. 究其成因, 潮汐能和潮流能

4、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得到稳定而持久的发展, 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, 20多年来, 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, 已进入商业化发展阶段, 将向大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, 可以为边远海岛和海上设施等提供清洁能源. 此外, 还可以利用波浪能提供的动力进行海水淡化、从深海提取低温海水进行空调制冷以及制氢等. 随着波能利用技术在

5、实用化方面的日渐成熟, 相信波浪能利用会有新的发展, 并在新能源利用领域占据一席之地.1 波能发电基本原理波浪主要是指风致波, 空气和海水的交界面就是海面, 从流体力学的角度来看海面是一个两相问题. 起风时, 平静的水面在摩擦力作用下便会出现水波. 风速逐渐增大, 波峰随之加大, 相邻两波峰之间的距离也逐渐增大. 当风速继续增大到一定程度时,波顶会发生破碎, 这时就形成了波浪. 波浪是与风同向的行波, 流体动能随波浪逐层向前传播 2. 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, 实际上波浪功率的大小还与风速、风向、连续吹风的时间、

6、流速等诸多因素有关. 波浪能利用系统首先使用变换装置把波浪能转换成有实用价值的机械能, 再把机械能转换为电能, 发出的电可直接用电缆输送到陆地上, 汇入供电系统中, 也可经平滑化处理后可靠地输送给用户 3.1. 1 波能的一次转换水粒子的运动有多种多样, 它们之间是相互变换的, 因而波能的变换方式也有许多种, 其共同特点是: 利用和转换波的基本形态- 水粒子的旋转动能和位能, 使利用装置能与10-3 103kW/ m宽范围的波能和各种波峰不规则的波浪相匹配, 同时还要求所用系统在海洋这一特殊环境下能够正常工作.迄今为止, 各国学者提出了如点头鸭式、等高筏式、摆式、海蚌式、空气式( OWC) 振

7、荡水柱式以及波浪聚集式等多种波能转换装置, 其中较早提出的某些影响很大的装置, 如鸭式、海蚌式和筏式装置, 结构复杂且有不少活动部件暴露在海水中, 根本无法抵抗狂风恶浪, 因此由于工程实践性困难几乎已停止研究, 而空气式波能系统是目前国内外公认的最有前途的波能装置, 也是目前的主攻方向, 另外波浪聚集的研究也相当活跃 4.1. 1. 1 空气透平方式( 振荡水柱式)世界上第一个成功的波力发电装置是1910年安装在法国海岸边的容量为1kW的私家发电站,它采用的就是空气式. 20世纪80年代以来, 挪威、日本、英国和中国等国家建造了数种波力电站, 其中大多数波力电站是振荡水柱型的, 它们具有良好的

8、波能转换性能及防腐性能, 对地形的依赖性小, 且其设计方法和建造技术也发展得最为成熟.振荡水柱式波浪发电的原理主要是将波力转换为压缩空气来驱动空气透平发电机发电. 图1, 2为水阀集合式波力发电机组的发电原理图. 机组根据波浪的 峰 谷分两个步骤进行, 图1, 当装置在波峰时, 海水进入空气室, 使空气室内的水位上升, , 室内体积变小, 气压增大, 大于外界气压. 因此, 空气被压入A, B水阀室. 在A水阀室产生的空气气泡集合后, 从 集合喷管喷出, 气流通过导向叶片, 带动涡轮旋转作功. 作功后的气体从通风口通出. B水阀室则隔断从A室来的空气. 使 集合喷管处产生负压. 图2, 当装置

9、在波谷时, 空气室内的气体体积增大, 压力降低, 使室内的气压小于外界气压, 外界空气冲开空气活门, 进入涡轮, 通过导向叶片推动涡轮机作功, 作功后的气体经 集合喷管, 及水阀室B至空气室, 而水阀室A则隔断空气.图1 波峰时发电原理示意图空气式波能转换系统结构简单, 没有任何水下活动部件, 而且将空气作为能量载体, 传递方便, 能通过气室将低速运动的波浪的能量转换成高速运动的气流, 造价低, 可靠性好. 由于用空气做能量转换的中间介质, 透平发电机组不与海水接触, 避免了一些海水腐蚀和机组密封等问题, 提高了装置在海洋环境下的生存能力 5. 空气式波力发电装置可分为 70 浙江工业大学学报

10、 第34卷图2 波谷时发电原理示意图二类: 漂浮式与固定式. 漂浮式的主要优点在于建造方便, 投放点机动, 以及对潮位变化的适应性. 由于波浪的表面性, 吸收波能的物体越接近水面越好, 而漂浮式能在任何潮位下实现这一要求. 相比之下, 固定的空气式吸收波能的开口无法适应潮位的改变,意味着至少有一半时间处于不理想的工作状态, 大大影响了总体效率. 然而从工程观点出发, 漂浮式的主要缺点是系泊与输电, 这是难点之所在 6. 我国大万山波力实验电站即采用岸式振荡水柱方式, 但岸式装置也有其弱点: 岸式装置需要经受大风浪的考验, 波浪拍岸时出现了高度非线性现象, 它的作用力难以用现有方法正确估计; 波

11、浪发电装置都建在位于海岛迎浪一侧, 该侧一般为悬岸峭壁, 再加上台风侵袭, 施工难度很大.1. 1. 2 聚波蓄能式波能转换装置聚波蓄能式波能转换装置利用狭道把广范围的波能聚集在很小的范围内, 这是一种提高能量密度的方式. 挪威波能公司( Norwave A. S. ) 于1986年挪威MOWC电站附近建造了一座装机容量为350kW的聚波水库电站. 电站的技术关键是它的开口约60m的喇叭形聚波器和长约30m的逐渐变窄的楔形导槽. 当波浪进入导槽宽阔的一端向里传播时, 波高不断地被放大, 直至波峰溢过边墙, 将波浪能转换成势能. 楔形槽具有聚波器和转换器的作用.与导槽相通的是面积约8500m2,

12、 与海平面落差约38m的水库. 发电采用的是常规水轮机组 7.先将波浪能集中, 然后保留其位能部分, 任其消耗其动能部分, 整个过程并不依赖于第二介质, 这种方法的优点在于波能的转换没有活动部件, 可靠性好, 维护费用低且出力稳定. 建造者称其转换效率在65%75%之间, 几乎不受波高和周期的影响. 电站自建成以来一直工作正常. 不足之处是, 建造这种电站对地形要求严格, 不易推广.1. 2 波能的二次转换通过波能的一次转换将波能转换为另一种形式的机械能一有质量物体( 能量载体) 的能, 但要将它变为电能, 还需进行二次转换. 二次转换是透平一发电机组( 这里的透平是广义的, 可以是空气透平、

13、水轮机、液压马达等动力机械) . 但用作波浪发电的发电机, 必须适应变化幅度较大的工况, 一般小功率的波浪发电采用整流输入蓄电池的方式, 较大功率的波力发电与陆地电网并联调负 7. 两次转换间一般还有些中间转换装置来优化第一级转换, 目的是将能量作传递. 由于一次转换所得的能量, 其载体具有压力大而速度低的特点, 用它驱动二次转换机组不合适, 因此, 中间环节促使波力机械能经特殊装置处理达到稳向、稳速和加速能量传输, 以推动发电机组. 中间转换的种类有机械式、水动式和气动式三种.2 波能发电的应用受风能分布的影响, 波浪能资源最丰富的区域为太平洋、大西洋东岸南和北纬30 60一带. 因此位于太

14、平洋东岸的加拿大、美国和智利以及位于大西洋东岸的爱尔兰、英国、法国、西班牙和澳大利亚等国的波能能流密度较大, 这些国家比较注重降低成本、提高效率以实现波浪能的大规模利用, 中国、日本等位于太平洋西岸的国家, 波浪密度相对较小, 因此比较注重将海洋能作为特殊能源使用, 注重与远离大陆的海岛用户或海上需求相结合. 目前已发明了多种波能转换装置, 并建成了数十座波浪能示范电站, 其中以英国、挪威、日本等国开发利用的水平较高.2. 1 国外波能发电的发展概况英国具有世界上最好的波浪能资源. 从70年代以来, 就把波浪发电研究放在新能源开发的首位, 投资1700多万英镑研究波浪能装置, 使英国在波浪能发

15、电技术方面处于世界领先地位, 在80年代初就已成为世界波浪能研究中心. 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2万kW振荡水柱式和固定式岸基波力电站 8.由英国国家工程实验室( NEL) 研制的蜗形中空风箱泵式海浪发电机, 近期在苏格兰的奥特希布莱外海上安装发电, 装机容量达11万kW 9. 目前英国正在致力于威尔斯气动透平的利用、原型波力发电机组、导航浮标的波力透平发电组及小型波能转换器等的研究, 世界上第一台商用波浪发电机已于1995年8月在英国克莱德河口海湾开始发电, 装机容量2000kW, 英国500kW岸式波能装置LIM- 71 第1期 任建莉,等:

16、海洋波能发电的现状与前景PET ( Land-Installed-Marine-PoweredEnergy Trans-former) 2000年11月在苏格兰Islay岛建成, 站址处波能功率密度为25kW/ m, 目前已经发电上网.挪威于1985至1986年, 在Bergen市附近的Toftestallen岛分别建成了一座装机容量为500kW的带前港振荡水柱岸式波力电站和一座装机容量为350kW的喇叭口收缩波道式聚波水库波力电站( 其中500kW电站在350kW电站以北约100m处) . 这两座电站是挪威在80年代中、后期成为国际波能领域领头国家的标志. 500kW电站在1988年12月的

17、一次强风暴中被破坏, 钢结构部分全部被打入海中, 后来也没有修复 10. 在90年代初又建造了一座容量为1万kW的波力电站, 均已达到商业应用程度, 另外还先后与印尼和澳大利亚签订协议为这两个国家各建一座容量为1400kW的波力电站 8.日本的波浪能研究与开发也十分活跃. 它的10多家研究与开发机构既有明确分工又有效协调, 并重视技术向生产应用的转化研究, 使日本在波浪能转换技术实用化方面走在世界前列. 它从80年代中期至今已建成4座岸基固定式和防波堤式波力电站, 单机容量为40125kW 11, 其中最有名的是80年代初建造的 海明号波能发电船, 研究在长80m, 宽12m, 由13个振荡水

18、柱气室组成的船型漂浮式结构上进行. 安装10台单机功率为125kW的发电机, 总装机容量达1250kW, 特别适合于 离岛的自给电源. 为克服 海明号的缺陷, 日本海洋科学技术中心( JAMSTEC) 于1987年组织了一项耗资10亿日元, 名为 巨鲸( Mighty whale) 的波浪发电装置研究开发计划, 经过理论研究和模型试验, 该装置于1997年末在三重县五所湾离岸海域下水, 1998年9月开始持续两年的实海况试验, 从试验情况来看, 装置的各部分工作正常, 最大总发电效率为12% 12. 该装置不仅能吸收波力能发电, 具有独立能源平台的功能, 还可起到平稳波浪的作用, 有利于海洋开

19、发. 日本当前容量最大的设备是1996年9月投运的由日本东北电力公司在原町火电站南部防波堤上装设的130kW波力发电设备 13.瑞典在19831984年进行了30kW软管泵原型装置的现场试验, 并且在西班牙大西洋岸外建了一座1000kW的波力示范电站; 印度已宣布从1990年开始实施一项波能发展6年计划, 包括在马德拉斯附近建一座容量为5000kW的离岸波力电站, 目前正在特里凡得琅港( Trivandrum) 附近建一座使用威尔斯透平发电机的150kW示范波力电站; 美国的波浪能研究涉及气动波能转换系统、平行盘波能模件、串连活板系统及随波筏链装置等. 最近, 由美国能源部技术研究所研制的岸上

20、/ 离岸波力发电系统, 将海水挤压到岸上蓄水池, 再以水力发电, 发电容量可达414kW 9. 据不完全统计, 目前已有28个国家( 地区) 研究波浪能的开发, 建设大小波力电站( 装置、机组或船体) 上千座( 台) , 总装机容量超过80万kW, 其建站数和发电功率分别以每年2. 5%和10%的速度上升 14.2. 2 我国的波能发电利用现状我国波力发电技术研究始于70年代, 于1975年研制成1台1kW的波力发电浮标, 在浙江省嵊山岛进行了试验. 80年代以后获得较快发展, 1984年广州能源所研制成功6W小型波力发电装置, 用于导航灯标, 随后按不同导航灯标的要求, 又开发了系列产品.

21、目前在我国沿海航线已安装了数百台这种小型波力发电装置.与日本合作研制的后弯管型浮标发电装置, 已向国外出口, 该技术属国际领先水平.中国第一座试验波力电站位于南中国海的珠海市大万山岛, 1989年试建成功, 装机容量为3kW的多振荡水柱型沿岸固定式波力电站. 1989年, 1990年及1991年分别对其做了三次海上运行试验, 研究了实海况下气室、透平及电机的性能. 试验结果表明, 该电站具有很好的实海况性能. 波力电站的平均 总效率大都在10% 35%, 最大值接近40%. 在该电站原有结构基础上, 广州能源研究所已将其改建成一座20kW的波力电站, 并于1996年2月试发电成功, 逐步完善后

22、将向岛上提供补充电源 15.中国科学院广州能源研究所自1989年开始对后弯管波力发电装置进行研究与开发, 5kW后弯管波力发电装置研究经历了浮体模型性能试验研究、样机设计制造和海上试验等三个阶段, 取得了成功16. 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, 是一座与电网并网运行的岸式振荡水柱型波能装置, 项目开始于1996年12月, 工程结束于2001年2月. 现在已经进入试发电和实海况试验阶段. 从试发电和实海况试验的情况来看, 电站设计合理, 波能转换效率较高, 达到了设计要求 17. 同时,由天津国家海洋局海洋技术所研建的100k

23、W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 11.总之, 我国波力发电虽起步较晚, 但发展很快.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. 在波浪能发电规模方面, 世 72 浙江工业大学学报 第34卷界上已从102kW, 103kW级发展到104kW级的应用, 而我国目前仍停留在10kW, 102kW级的水平上, 至2020年的远景目标也只是发展到102kW103kW级的波力电站, 波浪能开发的规模远小于挪威,英国等, 因此小型波浪发电距实用化尚有一定距离.3 波能发

24、电的发展目标与前景对于可再生能源来说, 高效转换技术是研究的难点, 由于波浪的不稳定性导致其转换装置经常处于非设计工况, 而且有限的能流密度、转换的低效率导致发电成本进一步加大. 因此提高波能利用率, 降低波能发电的成本始终是波能研究的目标.波浪能利用的关键技术包括: 波浪聚集与相位控制技术, 波能装置的波浪载荷及在海洋环境中的生存技术; 波能装置建造和施工中的海洋工程技术;不规则波浪中的波能装置的设计与运行优化; 往复流动中的透平研究; 波浪能的稳定发电技术和独立发电技术等 18. 到目前为止, 涉及相关方面的研究,特别是国内的研究仍然太少, 应当加强.多元化和综合利用是波能发展的另一新动向.结合防