波浪能利用

全世界波浪利用的機械設(shè)計數(shù)以千計，獲得專利證書的也達數(shù)百件，因此波浪能利用被稱為"發(fā)明家的樂園"。

最早的波浪能利用機械發(fā)明專利是1799年法國人吉拉德父子獲得的。1854-1973年的119年間，英國登記了波浪能發(fā)明專利340項，美國為61項。在法國，則可查到有關(guān)波浪能利用技術(shù)的600種說明書。

早期海洋波浪能發(fā)電付諸實用的是氣動式波力裝置。道理很簡單，就是利用波浪上下起伏的力量，通過壓縮空氣，推動汲筒中的活塞往復(fù)運動而做功。1910年，法國人布索.白拉塞克在其海濱住宅附近建了一座氣動式波浪發(fā)電站，供應(yīng)其住宅l000瓦的電力。這個電站裝置的原理是:與海水相通的密閉豎管中的空氣因波浪起伏而被壓縮或抽空稀薄，驅(qū)動活塞做往復(fù)運動，再轉(zhuǎn)換成發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)運動而發(fā)出電力。

60年代，日本研制成功用于航標(biāo)燈浮體上的氣動式波力發(fā)電裝置。此種裝置已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)品額定功率從60瓦到500瓦不等。產(chǎn)品除日本自用外，還出口，成為僅有的少數(shù)商品化波能裝備之一。

該產(chǎn)品發(fā)電的原理就像一個倒置的打氣筒，靠波浪上下往復(fù)運動的力量吸、壓空氣，推動渦輪機發(fā)電。

中國波力發(fā)電研究成績也很顯著。70年代以來，上海、青島、廣州和北京的五六家研究單位開展了此項研究。用于航標(biāo)燈的波力發(fā)電裝置也已投入批量生產(chǎn)。向海島供電的岸式波力電站也在試驗之中。

有關(guān)專家估計，用于海上航標(biāo)和孤島供電的波浪發(fā)電設(shè)備有數(shù)十億美元的市場需求。這一估計大大促進了一些國家波力發(fā)電的研究。70年代以來，英國、日本、挪威等國為波力發(fā)電研究投入大量人力物力，成績也最顯著。英國曾計劃在蘇格蘭外海波浪場，大規(guī)模布設(shè)"點頭鴨"式波浪發(fā)電裝置，供應(yīng)當(dāng)時全英所需電力。這個雄心勃勃的計劃，后因裝置結(jié)構(gòu)過于龐大復(fù)雜成本過高而暫時擱置。80年代，日本"海明"波浪發(fā)電試驗船取得年發(fā)電19萬度的良好成績，實現(xiàn)了海上浮體波浪電站向陸地小規(guī)模送電。日本已將"海明"波浪發(fā)電船列為"離島電源"的首選方案，繼續(xù)研究改進。

在海洋上，波浪中再大的巨輪也只能像一個小木片那樣上下漂蕩。大浪可 以傾覆巨輪，也可以把巨輪折斷或扭曲。假如波浪的波長正好等于船的長度，當(dāng)波峰在船中間時，船首船尾正好是波谷，此時船就會發(fā)生"中拱"。當(dāng)波峰在船頭、船尾時，中間是波谷，此時船就會發(fā)生"中垂"。一拱一垂就像折鐵條那樣，幾下子便把巨輪攔腰折斷。20世紀50年代就發(fā)生過一艘美國巨輪在意大利海域被大浪折為兩半的海難。此時，有經(jīng)驗的船長只要改變航行方向，就能避免厄運，因為航向改變即改變了波浪的"相對波長"，就不會發(fā)生輪船的中拱和中垂了。

波浪的破壞力大得驚人。撲岸巨浪曾將幾十噸的巨石拋到20米高處，也曾把萬噸輪船舉上海岸。海浪曾把護岸的兩、三千噸重的鋼筋混凝土構(gòu)件翻轉(zhuǎn)。許多海港工程，如防浪堤、碼頭、港池，都是按防浪標(biāo)準設(shè)計的。

南半球和北半球40°~60°緯度間的風(fēng)力最強。信風(fēng)區(qū)(赤道兩側(cè)30°之內(nèi))的低速風(fēng) 也會產(chǎn)生很有吸引力的波候，因為這里的低速風(fēng)比較有規(guī)律。在盛風(fēng)區(qū)和長風(fēng)區(qū)的沿海，波浪能的密度一般都很高。

波浪能的大小可以用海水起伏勢能的變化來進行估算，即P=0.5TH2(P為單位波前 寬度上的波浪功率，單位kw/m;T為波浪周期，單位s;H為波高，單位m，實際上波浪功率的大小還與風(fēng)速、風(fēng)向、連續(xù)吹風(fēng)的時間、流速等諸多因素有關(guān))。因此波浪能的能級一般以kw/m表示，代表能量通過一條平行于波前的1m長的線的速率。

波浪能發(fā)電是通過波浪能裝置將波浪能首先轉(zhuǎn)換為機械能(液壓能)，然后再轉(zhuǎn)換成電能。 這一技術(shù)興起于上世紀80年代初，西方海洋大國利用新技術(shù)優(yōu)勢紛紛展開實驗。

波浪能具有能量密度高、分布面廣等優(yōu)點。它是一種取之不竭的可再生清潔能源。尤其是在能源消耗較大的冬季，可以利用的波浪能能量也最大。小功率的波浪能發(fā)電，已在導(dǎo)航浮標(biāo)、燈塔等獲得推廣應(yīng)用。我國有廣闊的海洋資源，波浪能的理論存儲量為7000萬千瓦左右，沿海波浪能能流密度大約為每米2千瓦~7千瓦。在能流密度高的地方，每1米海岸線外波浪的能流就足以為20個家庭提供照明。

波浪能 是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面的寬度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源。波浪能是由風(fēng)把能量傳遞給海洋而產(chǎn)生的，它實質(zhì)上是吸收了風(fēng)能而形成的。能量傳遞速率和風(fēng)速有關(guān)，也和風(fēng)與水相互作用的距離(即風(fēng)區(qū))有關(guān)。水團相對于海平面發(fā)生位移時，使波浪具有勢能，而水質(zhì)點的運動，則使波浪具有動能。貯存的能量通過摩擦和湍動而消散，其消散速度的大小取決于波浪特征和水深。深水海區(qū)大浪的能量消散速度很慢，從而導(dǎo)致了波浪系統(tǒng)的復(fù)雜性，使它常常伴有局地風(fēng)和幾天前在遠處產(chǎn)生的風(fēng)暴的影響。波浪可以用波高、波長(相鄰的兩個波峰間的距離)和波周期 (相鄰的兩個波峰間的時間)等特征來描述。 波浪能的大小可以用海水起伏勢能的變化來進行估算，即P=0.5TH2(P為單位波前寬度上的波浪功率，單位kw/m;T為波浪周期，單位s;H為波高，單位m，實際上波浪功率的大小還與風(fēng)速、風(fēng)向、連續(xù)吹風(fēng)的時間、流速等諸多因素有關(guān)。)。

波浪發(fā)電是波浪能利用的主要方式，此外，波浪能還可以用于抽水、供熱、海水淡化以及制氫等。波浪能利用的關(guān)鍵是波浪能轉(zhuǎn)換裝置。通常波浪能要經(jīng)過三級轉(zhuǎn)換:第一級為受波體，它將大海的波浪能吸收進來;第二級為中間轉(zhuǎn)換裝置，它優(yōu)化第一級轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生出足夠穩(wěn)定的能量;第三級為發(fā)電裝置，與其它發(fā)電裝置類似。

南半球和北半球40°~60°緯度間的風(fēng)力最強。信風(fēng)區(qū)(赤道兩側(cè)30°之內(nèi))的低速風(fēng)也會產(chǎn)生很有吸引力的波候，因為這里的低速風(fēng)比較有規(guī)律。在盛風(fēng)區(qū)和長風(fēng)區(qū)的沿海，波浪 能的密度一般都很高。例如，英國沿海、美國西部沿海和新西蘭南部沿海等都是風(fēng)區(qū)，有著特別好的波候。而我國的浙江、福建、廣東和臺灣沿海為波能豐富的地區(qū)。

雖然大洋中的波浪能是難以提取的，因此可供利用的波浪能資源僅局限于靠近海岸線的地方。但即使是這樣，在條件比較好的沿海區(qū)的波浪能資源貯量大概也超過2TW。據(jù)估計全世界可開發(fā)利用的波浪能達2.5TW。我國沿海有效波高約為2~3m、周期為9s的波列，波浪功率可達17~39kw/m，渤海灣更高達42kw/m。

大約15年前，美國俄勒岡州就著手開發(fā)利用波浪能，但由于當(dāng)時技術(shù)限制，波浪能發(fā)展計劃未能順利進行; 然而據(jù)《紐約時報》報道，隨著技術(shù)進步，美國首個獲得商業(yè)許可的并網(wǎng)波浪能發(fā)電裝置日前已經(jīng)進入了最后的測試階段，計劃于2012年10月在俄勒岡州正式下水。該裝置由海洋電力技術(shù)公司設(shè)計，8月獲得了美國聯(lián)邦政府的批準，并網(wǎng)之后足以為1000戶家庭提供電力。

中科院廣州能源研究所承擔(dān)的一項國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(即863計劃)課題--"漂浮直驅(qū)式波浪能利用技術(shù)研究"近日通過科技部驗收，標(biāo)志著這一項新型波浪能發(fā)電技術(shù)取得階段性成果。

隨著新能源成為人們關(guān)注的熱點，海洋能發(fā)電技術(shù)以其獨特優(yōu)勢和戰(zhàn)略地位吸引了人們的注意，世界各主要海洋國家目前普遍重視對海洋的開發(fā)利用。

中國科學(xué)院廣州能源研究所海洋能實驗室首席科學(xué)家游亞戈介紹說，作為海洋波浪能利用技術(shù)的一種，漂浮直驅(qū)式波浪能利用技術(shù)的特點是采用漂浮式可避免潮位對裝置特性的影響，采用點吸收式使其有效工作時間不受來波方向的影響，采用直線發(fā)電方式，把目前常采用的三級轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變成了相對簡單的兩級轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，提高了可靠性和轉(zhuǎn)換效率，簡化了技術(shù)難度，降低了造價。

游亞戈說，這一研究項目啟動于2009年，在能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、生產(chǎn)裝配、錨泊技術(shù)、密封防腐技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)和工藝方面取得了突破。作為這一技術(shù)的示范裝置--10kW漂浮直驅(qū)式波浪能裝置日前投放在廣東珠海大萬山島海域，具有較高的穩(wěn)定性，取得了預(yù)期效果，為后續(xù)的產(chǎn)業(yè)化示范和應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。