波力發(fā)電趨勢

當前波力發(fā)電設備主要分為二種: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。當前的發(fā)展趨勢是水柱型，因為開發(fā)應用了先進的水閥室作為逆止閥，而以前常用風門作為逆止閥，經(jīng)常受到反復沖擊，容易損壞;另一趨勢是開發(fā)固定式防波堤型，既便于建造，又能與防波堤結合，可以綜合利用;第三個趨勢是進一步降低造價。當今世界波力發(fā)電成本基本上接近于普通電價，出于競爭，還應繼續(xù)努力進一步降低，主要是改進設備，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。

波浪由風引起，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，習慣上已列入潮汐的范疇。在數(shù)千km外由風暴引起并經(jīng)長距離傳遞過來的波浪叫涌浪;在風的直接作用下產(chǎn)生的波浪叫風浪。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。

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。

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)已各國推應用。1999年，英國海洋電力傳輸機構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)電設備采用半浸水式全交接結構，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。而設備的運行則與現(xiàn)代的風力發(fā)電機很相似?，F(xiàn)在英國已完成功率高達2GW的波電設備研究項目。75kW的這種設備自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波電站是上個世紀容量最大的。后來又在該地增設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，已被廣泛應用，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，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。

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帆，盡管風向多變、調(diào)節(jié)風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(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，以便更有效地吸收波能，從而達到減小設備尺寸、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，即在氣流回路中設置正、負2個水閥室來取代過去常用的風門式逆止閥，這種風門經(jīng)常受到反復沖擊而損壞，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2套水閥室，然而設備效率提高了，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。美國能源部技術研究所最近研制一種可將海水擠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軟管泵式波電設備試驗，并在西班牙建造1000kW波電站。

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，長期變化仍有困難，設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>波電設備雖很簡單，但其造價仍然較高。日本最新型130kW設備，沉箱6億、發(fā)電設備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

波電設備應能在與風暴有關的大浪中自動解列，以免過載或遭受破壞。最好設有阻尼裝置以免設備移動、損壞。