波力發(fā)電科研方向

在波浪發(fā)電的百年發(fā)展中都伴隨著試驗、研究和探索。波力發(fā)電已由航標(biāo)燈用小型化發(fā)展到與電力系統(tǒng)并網(wǎng)的中、大型化，由試驗驗證時代發(fā)展到商品化、商業(yè)化和國際貿(mào)易化。全世界已經(jīng)確認波電是海洋能源開發(fā)利用的重要項目，是清潔無污染的可再生新能源的主要組成部分。今后的發(fā)展面臨的主要科研課題如下:

1、耐久性

</strong>它比效率的提高還重要。波浪隨季節(jié)和時間而變，甚至每月、每天、每小時都在變，短時間變化尚能適應(yīng)，長期變化仍有困難，設(shè)備的疲勞破壞承受能力、耐久性和使用壽命，是第一位的難題。

2、蓄能性

</strong>波電的能量存貯要求方便、價廉、用汽車電池存貯雖然價廉，然而容量有限;最好是壓縮空氣蓄能，不僅價廉，而且適應(yīng)于大容量化。

3、高效率

</strong>雖然比不過耐久性重要，但提高效率仍是永恒的課題，特別是波能轉(zhuǎn)換效率，潛力仍然很大。

4、低成本

</strong>波電設(shè)備雖很簡單，但其造價仍然較高。日本最新型130kW設(shè)備，沉箱6億、發(fā)電設(shè)備5億，共11億日元。造價較高。計算表明，10MW波電成本約為17.3~33.1日元/kWh，成本也高。但是形成規(guī)模，實現(xiàn)群體化，增大容量，>10MW時成本就會降低。

5、安全性

波電設(shè)備應(yīng)能在與風(fēng)暴有關(guān)的大浪中自動解列，以免過載或遭受破壞。最好設(shè)有阻尼裝置以免設(shè)備移動、損壞。

在波能開發(fā)利用的百年史中，雖然專利發(fā)明多達千項，而且試驗成功，但被采用的為數(shù)不多，其中主要項目如下。

1、對稱翼型葉片

</strong>70年代由英國韋爾斯發(fā)明，其空氣驅(qū)動的渦輪葉片截面呈對稱型，像一條魚，與汽輪機葉片或螺旋槳葉片不同，當(dāng)波浪起伏往返運動而使氣室中的氣流來回流動時，這種對稱翼葉片可在相反方向氣流作用下仍然保持旋轉(zhuǎn)方向不變，這種自整流特性類似帆船的風(fēng)帆，盡管風(fēng)向多變、調(diào)節(jié)風(fēng)帆迎角即可使船航向不變。具有這種葉片的氣輪機已被廣泛采用。

2、多共振振蕩水柱

在空氣室前加上引浪口，使波浪沖進空氣室內(nèi)的水柱與波浪的起伏沖擊之間產(chǎn)生諧振，使裝置吸收的波能增多，即用較窄迎波口便可吸收較寬的范圍的波能，從而提高發(fā)電效率和降低成本。這種新技術(shù)首先用在挪威的500kW大型波電站。

3、相位控制

</strong>這也是由挪威提出來的，它通過控制能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)(如水柱、浮體、擺板等)的運動相位，使其與波浪作用力的相位相適應(yīng)，以便更有效地吸收波能，從而達到減小設(shè)備尺寸、提高效率的目的。

4、水閥整流

</strong>這是日本東北電力公司提出來的，是在權(quán)衡是否采用韋爾斯(氣流方向來回變化時氣輪機旋轉(zhuǎn)方向不變)氣輪機后，決定大膽采用這個新概念新技術(shù)，即在氣流回路中設(shè)置正、負2個水閥室來取代過去常用的風(fēng)門式逆止閥，這種風(fēng)門經(jīng)常受到反復(fù)沖擊而損壞，而新型水閥可靠性高、便于維護。波峰時，壓縮氣流通過正壓水閥后驅(qū)動氣輪發(fā)電機軸端的轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn);波谷時因負壓作用從大氣吸氣空氣流又驅(qū)動另一軸端的轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，但方向不變，即氣輪機的轉(zhuǎn)輪有2個，分別裝在發(fā)電機軸兩端，正壓氣流排到大氣;負壓則從大氣吸入氣流，分別先后驅(qū)動各自轉(zhuǎn)輪，而發(fā)電機轉(zhuǎn)向不變。與韋爾斯轉(zhuǎn)輪比，多設(shè)2套水閥室，然而設(shè)備效率提高了，運行可靠性提高了，而且便于維護。因為對稱翼型槳葉的效率不如通常的不對稱翼型;取消風(fēng)門后就減少了活動機械的磨損、損壞等故障。正、負壓水閥都相當(dāng)于逆水閥，兩條回路各不干擾。

5、發(fā)條蓄能

這是中國云南師范大學(xué)能源處發(fā)明的，非常簡單適用。波浪沖擊活塞，活塞連桿帶動拐臂擰緊彈簧發(fā)條蓄能器，發(fā)條持續(xù)帶動大齒輪，并傳動與其嚙合的小齒輪，小齒輪固定在發(fā)電機軸伸端上，從而發(fā)電。傳動原理類似鐘表?；钊B桿上套有壓縮彈簧，波峰時活塞壓縮彈簧，波谷時彈簧將活塞推回原位。整套設(shè)備裝在漂浮箱體內(nèi)，固定在堤壩上，可上下浮動，但活塞始終迎向波浪，充分吸收波能。實現(xiàn)群體化可形成防洪大壩，一舉兩得。

6、其他創(chuàng)新

</strong>最近英國國家工程實驗室研制一種蝸牛形中空風(fēng)箱泵式海浪發(fā)電機，裝機容量1.10MW，已試驗成功。美國能源部技術(shù)研究所最近研制一種可將海水?dāng)D壓到岸上蓄水池的波電系統(tǒng)，再按水位差進行低水頭水輪機發(fā)電，容量為414kW。日本開發(fā)了新型產(chǎn)品，用于無風(fēng)海岸，波力發(fā)電用于海水淡化處理。美國佛羅里達水電公司發(fā)明一種中心敞開式水輪機可用于波力發(fā)電。瑞典進行了30kW軟管泵式波電設(shè)備試驗，并在西班牙建造1000kW波電站。

1、日本

</strong>海洋波能的開發(fā)利用已有百年歷史。法國是世界最早的(1910年)，雖然日本開發(fā)較晚，但后來居上，且實現(xiàn)商業(yè)化較多。自60年代以來，日本就投運12臺波力發(fā)電設(shè)備，除了用于驗證試驗外，還有4臺作商業(yè)運營至今。目前，這種電站在日本已建造1000多座。其中1996年9月投運的固定式防波堤型130kW波電設(shè)備是日本最大的，它的能量轉(zhuǎn)換箱體長20m、寬24m、高24m，共2個，帶有8個空氣室，1個異步型空氣透平發(fā)電機，與6kV電力系統(tǒng)并網(wǎng)。最近，日本又投運另一種型式波電設(shè)備，即可動式浮體型，長50m、寬30m、高13m，像個大鯨魚，浮在水面上，其容量120kW。已于1998年7月投入商業(yè)運營。80年代年，日本還在酒井港建造一座200MW的波電站，經(jīng)海底電纜送電。

2、英國

與日本同屬島國的英國也十分重視波能研究開發(fā)，80年代就已成為世界波能研究中心，90年代初在蘇格蘭的2個島上分別建造了振蕩水柱式和岸基固定式波電站。英國發(fā)明的專利--韋爾斯氣動渦輪機可在2種相反方向海流作用下做單方向旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)已各國推應(yīng)用。1999年，英國海洋電力傳輸機構(gòu)與蘇格蘭再生能源公司簽訂15年的電力購買合同，定于2002年8月完成并交付使用。該電站建在蘇格蘭西岸，發(fā)電設(shè)備采用半浸水式全交接結(jié)構(gòu)，外形很像許多圓筒(直徑3.5m)軸向串聯(lián)一起，總長約130m，筒與筒之間設(shè)有液壓活塞，在海浪作用下，通過存貯器將高壓油壓入油壓發(fā)動機，并驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。輸出功率為750kW，這是目前世界上最大的波電設(shè)備。存貯器能保證持續(xù)平滑的功率輸出，其平衡性可與柴油發(fā)電機比美。而設(shè)備的運行則與現(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電機很相似?，F(xiàn)在英國已完成功率高達2GW的波電設(shè)備研究項目。75kW的這種設(shè)備自1992年以來商業(yè)運營至今。90年代還在毛里求斯建造一座20MW的大型波電站。

3、挪威

挪威也是開發(fā)利用波能較早的國家，與1985年在托夫特斯塔林建造的500kW波電站是上個世紀(jì)容量最大的。后來又在該地增設(shè)350kW電站。90年代初建造了用于印尼和澳大利亞的1400kW這種電站2座。挪威發(fā)明了多諧振振蕩水柱和減速槽道新技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用，其為塔普昌建造的波電站350kW，采用了少見的水位能轉(zhuǎn)換式，堤后貯水池水面高出海面3m~8m，水輪機設(shè)計水頭3m，流量14~16m3/S。從1988年起挪威幫助印尼在巴厘島建造1500kW波電站，并擬建數(shù)百座以便實現(xiàn)聯(lián)站并網(wǎng)。

4、中國

中國海域遼闊，總面積470萬km2，海岸線曲折漫長，大陸岸線1.8萬km，海島岸線1.4萬km，海浪能源豐富，年均波力功率在3kJ/m以上。我國波電開發(fā)較晚，1975年制成1kW波電浮標(biāo)，在浙江省嵊山島試驗。自1985年起，我國研制了多種小型產(chǎn)品，其中有600多臺作為航標(biāo)燈用，并出口到日本等國。后來開發(fā)了20kW岸基固定式、5kW漂浮式、8kW擺板式等波電站。90年代，中科院廣州能源所在廣東汕尾建造100kW岸基固定式波電站，于2000年建成發(fā)電。后來，廣州能源所又在山東、海南、廣東建造了3座1000kW級這種電站。

近年來，中國經(jīng)濟發(fā)展迅速，因此能源緊缺，電力不足。由于水電周期太長，還存在淹汲、移民等問題;而火電燃料有限，且存在溫室效應(yīng)問題;另外核電成本太高，存在安全問題。所以國家非常重視清潔的可再生能源的開發(fā)利用，如風(fēng)力發(fā)電、海洋發(fā)電等。針對國情，加大力度和投入，發(fā)展波電更為有利，可以聯(lián)站并網(wǎng)，發(fā)揮密集型特點，實現(xiàn)群體化，可操作性很強。

此外，還有印度、印尼、西班牙、葡萄牙、瑞典、丹麥等30多個國家、地區(qū)也在大力開發(fā)波電，從幾百kW到幾十MW，且容量不斷增大，正以10%以上的年增長率迅速發(fā)展。

至今為止，全球申請波力發(fā)電專利已超過千項，其中有20多種進行過海上試驗，被較多采用的基本上屬于下列3種類型:①空氣能--波浪能量是一種沖擊動能(與利用勢能的潮汐發(fā)電不同)，無法直接帶動旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機發(fā)電，必須進行能量轉(zhuǎn)換。而把波浪能轉(zhuǎn)換為空氣能是最為廣泛應(yīng)用的一種，即波浪沖擊擠壓空氣室中的空氣，壓縮空氣驅(qū)動氣力渦輪機，再帶動發(fā)電機發(fā)電。②機械能--將波浪能轉(zhuǎn)換為機械能時可通過油壓進行，即波力沖擊振子，振子泵油形成壓力油，油壓驅(qū)動馬達旋轉(zhuǎn)，并帶動發(fā)電機發(fā)電。③水位能--將內(nèi) 海水的水斗通過連桿機構(gòu)固定在岸基上，而水斗浮在水面上，被浪沖擊推舉水斗上升后，被連桿折翻并將斗內(nèi)海水越過堤壩倒入水庫，多次反復(fù)作用，就如同潮汐發(fā)電那樣利用水庫和海面之間的水位差來傳動低水頭發(fā)電機發(fā)電。

波浪由風(fēng)引起，但地震、火山爆發(fā)也可引起(海嘯)。至于地球與月球的引力引起的大波浪，習(xí)慣上已列入潮汐的范疇。在數(shù)千km外由風(fēng)暴引起并經(jīng)長距離傳遞過來的波浪叫涌浪;在風(fēng)的直接作用下產(chǎn)生的波浪叫風(fēng)浪。波浪的特點是力大、低速(周期為幾秒)、能流密度低，做無規(guī)則的往復(fù)運動。波力巨大擎入，大波浪可把重達130t的巖石拋到高達20m的岸上。波浪能流密度雖低，但其橫向作用產(chǎn)生的能量密度很高，且沿海岸線分布，有利于開發(fā)大功率波力發(fā)電站。全球的波能如能全部轉(zhuǎn)換為電能，則每年可達23650億kWh。當(dāng)波高為2m，波浪起伏周期為2.5s時，發(fā)電功率為24kW。波高3m、周期11s時為130kW。

由于波浪運動不規(guī)則，只能采用統(tǒng)計學(xué)來處理數(shù)據(jù)，可將波能E用下式表達(波浪橫向長度為1m時的波能平均值):

E=0.5·(H1/3)2·(T1/3)， kW/m

式中H1/3和T1/3分別為波高H和波周期T的算術(shù)平均值，單位分別為m和s。

計算表明，日本近海的波能平均值為7kW/m，其岸線總長約5200km，日本波能總共約為3600萬kW。而我國僅大陸岸線長就達1.8萬km，還有島岸線長1.4萬km，波能總計約達22400萬kW。

當(dāng)前波力發(fā)電設(shè)備主要分為二種:振動型(波浪上下振動)和移動型(波浪平移)。振動型包括水柱型、浮體型、固定型、可動型等4種;移動型基本上就是一種低水頭發(fā)電站，此時利用大壩和轉(zhuǎn)槳式水輪機。當(dāng)前的發(fā)展趨勢是水柱型，因為開發(fā)應(yīng)用了先進的水閥室作為逆止閥，而以前常用風(fēng)門作為逆止閥，經(jīng)常受到反復(fù)沖擊，容易損壞;另一趨勢是開發(fā)固定式防波堤型，既便于建造，又能與防波堤結(jié)合，可以綜合利用;第三個趨勢是進一步降低造價。當(dāng)今世界波力發(fā)電成本基本上接近于普通電價，出于競爭，還應(yīng)繼續(xù)努力進一步降低，主要是改進設(shè)備，對于日本，波能存貯量高達50GW，而波力發(fā)電比普通電價高出數(shù)倍，在降價方面，任重道遠。

波力發(fā)電的原理主要是將波力轉(zhuǎn)換為壓縮空氣來驅(qū)動空氣透平發(fā)電機發(fā)電。當(dāng)波浪上升時便將空氣室中的空氣頂上去，被壓空氣穿過正壓水閥室進入正壓氣缸并驅(qū)動發(fā)電機軸伸端上的空氣透平使發(fā)電機發(fā)電。當(dāng)波浪落下時，空氣室內(nèi)形成負壓，使大氣中的空氣被吸入氣缸并驅(qū)動發(fā)電機另一軸伸端上的空氣透平使發(fā)電機發(fā)電，其旋轉(zhuǎn)方向不變。從中排出的空氣進入負壓氣缸，再穿過負壓水閥室并到達負壓空氣室。由于正、負壓水閥室相當(dāng)于逆止閥的作用，正、負2條回路互不干擾。用水閥作為逆止閥的原理是利用壓力差，壓力空氣只能單向通行。