波力發(fā)電

至今為止，全球申請(qǐng)波力發(fā)電專(zhuān)利已超過(guò)千項(xiàng)，其中有20多種進(jìn)行過(guò)海上試驗(yàn)，被較多采用的基本上屬于下列3種類(lèi)型:①空氣能--波浪能量是一種沖擊動(dòng)能(與利用勢(shì)能的潮汐發(fā)電不同)，無(wú)法直接帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)發(fā)電，必須進(jìn)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(dòng)氣力渦輪機(jī)，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。②機(jī)械能--將波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能時(shí)可通過(guò)油壓進(jìn)行，即波力沖擊振子，振子泵油形成壓力油，油壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。③水位能--將內(nèi) 海水的水斗通過(guò)連桿機(jī)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(guò)堤壩倒入水庫(kù)，多次反復(fù)作用，就如同潮汐發(fā)電那樣利用水庫(kù)和海面之間的水位差來(lái)傳動(dòng)低水頭發(fā)電機(jī)發(fā)電。

波力發(fā)電的原理主要是將波力轉(zhuǎn)換為壓縮空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)空氣透平發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)波浪上升時(shí)便將空氣室中的空氣頂上去，被壓空氣穿過(guò)正壓水閥室進(jìn)入正壓氣缸并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)軸伸端上的空氣透平使發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)波浪落下時(shí)，空氣室內(nèi)形成負(fù)壓，使大氣中的空氣被吸入氣缸并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)另一軸伸端上的空氣透平使發(fā)電機(jī)發(fā)電，其旋轉(zhuǎn)方向不變。從中排出的空氣進(jìn)入負(fù)壓氣缸，再穿過(guò)負(fù)壓水閥室并到達(dá)負(fù)壓空氣室。由于正、負(fù)壓水閥室相當(dāng)于逆止閥的作用，正、負(fù)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(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(zhǎng)距離傳遞過(guò)來(lái)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(diǎn)是力大、低速(周期為幾秒)、能流密度低，做無(wú)規(guī)則的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。波力巨大擎入，大波浪可把重達(dá)130t的巖石拋到高達(dá)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(xiàn)分布，有利于開(kāi)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(dá)23650億kWh。當(dāng)波高為2m，波浪起伏周期為2.5s時(shí)，發(fā)電功率為24kW。波高3m、周期11s時(shí)為130kW。

由于波浪運(yùn)動(dòng)不規(guī)則，只能采用統(tǒng)計(jì)學(xué)來(lái)處理數(shù)據(jù)，可將波能E用下式表達(dá)(波浪橫向長(zhǎng)度為1m時(shí)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(jì)算表明，日本近海的波能平均值為7kW/m，其岸線(xiàn)總長(zhǎng)約5200km，日本波能總共約為3600萬(wàn)kW。而我國(guó)僅大陸岸線(xiàn)長(zhǎng)就達(dá)1.8萬(wàn)km，還有島岸線(xiàn)長(zhǎng)1.4萬(wàn)km，波能總計(jì)約達(dá)22400萬(wàn)kW。

在波浪發(fā)電的百年發(fā)展中都伴隨著試驗(yàn)、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(yàn)驗(yàn)證時(shí)代發(fā)展到商品化、商業(yè)化和國(guó)際貿(mào)易化。全世界已經(jīng)確認(rèn)波電是海洋能源開(kāi)發(fā)利用的重要項(xiàng)目，是清潔無(wú)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(shí)間而變，甚至每月、每天、每小時(shí)都在變，短時(shí)間變化尚能適應(yīng)，長(zhǎng)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(jià)廉、用汽車(chē)電池存貯雖然價(jià)廉，然而容量有限;最好是壓縮空氣蓄能，不僅價(jià)廉，而且適應(yīng)于大容量化。

3、高效率

</strong>雖然比不過(guò)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(jiǎn)單，但其造價(jià)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(jià)較高。計(jì)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(shí)現(xiàn)群體化，增大容量，>10MW時(shí)成本就會(huì)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(dòng)解列，以免過(guò)載或遭受破壞。最好設(shè)有阻尼裝置以免設(shè)備移動(dòng)、損壞。

在波能開(kāi)發(fā)利用的百年史中，雖然專(zhuān)利發(fā)明多達(dá)千項(xiàng)，而且試驗(yàn)成功，但被采用的為數(shù)不多，其中主要項(xiàng)目如下。

1、對(duì)稱(chēng)翼型葉片

</strong>70年代由英國(guó)韋爾斯發(fā)明，其空氣驅(qū)動(dòng)的渦輪葉片截面呈對(duì)稱(chēng)型，像一條魚(yú)，與汽輪機(jī)葉片或螺旋槳葉片不同，當(dāng)波浪起伏往返運(yùn)動(dòng)而使氣室中的氣流來(lái)回流動(dòng)時(shí)，這種對(duì)稱(chēng)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(lèi)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(jī)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(jìn)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(lái)的，它通過(guò)控制能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(如水柱、浮體、擺板等)的運(yùn)動(dòng)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(dá)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(lái)的，是在權(quán)衡是否采用韋爾斯(氣流方向來(lái)回變化時(shí)氣輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變)氣輪機(jī)后，決定大膽采用這個(gè)新概念新技術(shù)，即在氣流回路中設(shè)置正、負(fù)2個(gè)水閥室來(lái)取代過(guò)去常用的風(fēng)門(mén)式逆止閥，這種風(fēng)門(mén)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(hù)。波峰時(shí)，壓縮氣流通過(guò)正壓水閥后驅(qū)動(dòng)氣輪發(fā)電機(jī)軸端的轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn);波谷時(shí)因負(fù)壓作用從大氣吸氣空氣流又驅(qū)動(dòng)另一軸端的轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，但方向不變，即氣輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪有2個(gè)，分別裝在發(fā)電機(jī)軸兩端，正壓氣流排到大氣;負(fù)壓則從大氣吸入氣流，分別先后驅(qū)動(dòng)各自轉(zhuǎn)輪，而發(fā)電機(jī)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(yùn)行可靠性提高了，而且便于維護(hù)。因?yàn)閷?duì)稱(chēng)翼型槳葉的效率不如通常的不對(duì)稱(chēng)翼型;取消風(fēng)門(mén)后就減少了活動(dòng)機(jī)械的磨損、損壞等故障。正、負(fù)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(guó)云南師范大學(xué)能源處發(fā)明的，非常簡(jiǎn)單適用。波浪沖擊活塞，活塞連桿帶動(dòng)拐臂擰緊彈簧發(fā)條蓄能器，發(fā)條持續(xù)帶動(dòng)大齒輪，并傳動(dòng)與其嚙合的小齒輪，小齒輪固定在發(fā)電機(jī)軸伸端上，從而發(fā)電。傳動(dòng)原理類(lèi)似鐘表?；钊B桿上套有壓縮彈簧，波峰時(shí)活塞壓縮彈簧，波谷時(shí)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(dòng)，但活塞始終迎向波浪，充分吸收波能。實(shí)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(guó)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室研制一種蝸牛形中空風(fēng)箱泵式海浪發(fā)電機(jī)，裝機(jī)容量1.10MW，已試驗(yàn)成功。美國(guó)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(jìn)行低水頭水輪機(jī)發(fā)電，容量為414kW。日本開(kāi)發(fā)了新型產(chǎn)品，用于無(wú)風(fēng)海岸，波力發(fā)電用于海水淡化處理。美國(guó)佛羅里達(dá)水電公司發(fā)明一種中心敞開(kāi)式水輪機(jī)可用于波力發(fā)電。瑞典進(jìn)行了30kW軟管泵式波電設(shè)備試驗(yàn)，并在西班牙建造1000kW波電站。

當(dāng)前波力發(fā)電設(shè)備主要分為二種:振動(dòng)型(波浪上下振動(dòng))和移動(dòng)型(波浪平移)。振動(dòng)型包括水柱型、浮體型、固定型、可動(dòng)型等4種;移動(dòng)型基本上就是一種低水頭發(fā)電站，此時(shí)利用大壩和轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)是水柱型，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)應(yīng)用了先進(jìn)的水閥室作為逆止閥，而以前常用風(fēng)門(mén)作為逆止閥，經(jīng)常受到反復(fù)沖擊，容易損壞;另一趨勢(shì)是開(kāi)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(gè)趨勢(shì)是進(jìn)一步降低造價(jià)。當(dāng)今世界波力發(fā)電成本基本上接近于普通電價(jià)，出于競(jìng)爭(zhēng)，還應(yīng)繼續(xù)努力進(jìn)一步降低，主要是改進(jìn)設(shè)備，對(duì)于日本，波能存貯量高達(dá)50GW，而波力發(fā)電比普通電價(jià)高出數(shù)倍，在降價(jià)方面，任重道遠(yuǎn)。

1、日本

</strong>海洋波能的開(kāi)發(fā)利用已有百年歷史。法國(guó)是世界最早的(1910年)，雖然日本開(kāi)發(fā)較晚，但后來(lái)居上，且實(shí)現(xiàn)商業(yè)化較多。自60年代以來(lái)，日本就投運(yùn)12臺(tái)波力發(fā)電設(shè)備，除了用于驗(yàn)證試驗(yàn)外，還有4臺(tái)作商業(yè)運(yùn)營(yíng)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(yùn)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(zhǎng)20m、寬24m、高24m，共2個(gè)，帶有8個(gè)空氣室，1個(gè)異步型空氣透平發(fā)電機(jī)，與6kV電力系統(tǒng)并網(wǎng)。最近，日本又投運(yùn)另一種型式波電設(shè)備，即可動(dòng)式浮體型，長(zhǎng)50m、寬30m、高13m，像個(gè)大鯨魚(yú)，浮在水面上，其容量120kW。已于1998年7月投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。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(guó)

與日本同屬島國(guó)的英國(guó)也十分重視波能研究開(kāi)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(gè)島上分別建造了振蕩水柱式和岸基固定式波電站。英國(guó)發(fā)明的專(zhuān)利--韋爾斯氣動(dòng)渦輪機(jī)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(guó)推應(yīng)用。1999年，英國(guó)海洋電力傳輸機(jī)構(gòu)與蘇格蘭再生能源公司簽訂15年的電力購(gòu)買(mǎi)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(zhǎng)約130m，筒與筒之間設(shè)有液壓活塞，在海浪作用下，通過(guò)存貯器將高壓油壓入油壓發(fā)動(dòng)機(jī)，并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)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(jī)比美。而設(shè)備的運(yùn)行則與現(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電機(jī)很相似?，F(xiàn)在英國(guó)已完成功率高達(dá)2GW的波電設(shè)備研究項(xiàng)目。75kW的這種設(shè)備自1992年以來(lái)商業(yè)運(yùn)營(yíng)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(kāi)發(fā)利用波能較早的國(guó)家，與1985年在托夫特斯塔林建造的500kW波電站是上個(gè)世紀(jì)容量最大的。后來(lái)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(jiàn)的水位能轉(zhuǎn)換式，堤后貯水池水面高出海面3m~8m，水輪機(jī)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)聯(lián)站并網(wǎng)。

4、中國(guó)

中國(guó)海域遼闊，總面積470萬(wàn)km2，海岸線(xiàn)曲折漫長(zhǎng)，大陸岸線(xiàn)1.8萬(wàn)km，海島岸線(xiàn)1.4萬(wàn)km，海浪能源豐富，年均波力功率在3kJ/m以上。我國(guó)波電開(kāi)發(fā)較晚，1975年制成1kW波電浮標(biāo)，在浙江省嵊山島試驗(yàn)。自1985年起，我國(guó)研制了多種小型產(chǎn)品，其中有600多臺(tái)作為航標(biāo)燈用，并出口到日本等國(guó)。后來(lái)開(kāi)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(lái)，廣州能源所又在山東、海南、廣東建造了3座1000kW級(jí)這種電站。

近年來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，因此能源緊缺，電力不足。由于水電周期太長(zhǎng)，還存在淹汲、移民等問(wèn)題;而火電燃料有限，且存在溫室效應(yīng)問(wèn)題;另外核電成本太高，存在安全問(wèn)題。所以國(guó)家非常重視清潔的可再生能源的開(kāi)發(fā)利用，如風(fēng)力發(fā)電、海洋發(fā)電等。針對(duì)國(guó)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)群體化，可操作性很強(qiáng)。

此外，還有印度、印尼、西班牙、葡萄牙、瑞典、丹麥等30多個(gè)國(guó)家、地區(qū)也在大力開(kāi)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(zhǎng)率迅速發(fā)展。