點吸收式波浪能發(fā)電裝置簡介

通過分析波浪能利用背景，點吸收式波浪能發(fā)電技術是波浪能開發(fā)利用的一種重要方式。以安裝位置、能量傳遞方式和振蕩浮子個數對點吸收式波浪能發(fā)電裝置進行了分類。結合研究現狀，對各類點吸收波浪能收集、轉化和傳遞方法及其應用的優(yōu)缺點進行了綜合比較和分析。結果表明:安裝于離岸10-25 m處，以多個振蕩浮子組成的浮子陣列為能量攝取機構，以液壓或直線電機為能量傳遞方式是目前點吸收波浪能發(fā)電技術的研究熱點，在波浪能利用領域具有廣闊的發(fā)展前景 。

波浪能是一種清潔的海洋可再生能源，由于具有綠色環(huán)保和儲量豐富的特點，日益受到科研工作者的廣泛關注。至2011年，全世界已經了超過4 000種波浪能轉換技術f3-51。根據查詢中國知識產權網數據庫，1980年后至2014年期間，中國公開的波浪能發(fā)電相關專利技術已達到1 086件，而在歐洲僅2009年就有超過1 000件與波浪能轉化相關的專利技術公布。波浪能開發(fā)技術的研究目前處于加速發(fā)展的趨勢。

按照波浪能俘獲收集方法，可將其分為振蕩水柱式、筏式、擺式、鴨式、越浪式和點吸收式等類型吼點吸收式波浪能俘獲技術主要利用振蕩浮子在波浪力作用下的升沉運動收集波浪能，由于具有轉化效率高、建造難度小、投資成本少、不受波浪方向影響等優(yōu)點，受到了廣泛的重視。對的157種波浪能發(fā)電裝置進行統(tǒng)計分析，發(fā)現點吸收式技術研究占比為46.3%，遠超過其它類型。目前，點吸收式作為其中研究最多、最具特色的一種波浪發(fā)電技術，還未見有進行過有針對

點吸收式波浪能發(fā)電裝置分類方法

可按照其安裝位置分為沿岸式、近岸式和離岸式;按照波浪能轉化傳遞的方式可將其分為機械式、水壓式、液壓式、直線電機式、壓電式和磁流體式等;按照同一套裝置具有振蕩浮子個數將其分為單點式、組合式和陣列式。

點吸收式波浪能發(fā)電裝置安裝位置的分類與比較

按照安裝位置可將點吸收式波浪能發(fā)電裝置分為沿岸式、近岸式和離岸式6。沿岸式裝置是指可安裝在海岸邊或固定在高于海平面的防波堤和巖石上的波浪能發(fā)電裝置，其優(yōu)勢在于離陸地近，便于安裝與維護，不需要錨定裝置和較長的電能輸送電纜;但是一般該位置波浪能資源不太豐富，而且會對岸上環(huán)境造成影響。近岸式裝置一般是安裝在10 ~ 25 m水深處，即可漂浮在海面上也可附著于海底，目前大多數點吸收式波浪能發(fā)電裝置屬于近岸式裝置。離岸式裝置一般是指安裝在水深超過40 m的深海處的波浪能裝置，此處的波浪資源豐富，但由于遠離陸地，設備的安裝和維護比較困難，而且需要較長的海底電纜將能量輸送到陸地。

點吸收機械式波浪發(fā)電裝置一般在振蕩浮子上連接齒條、繩輪或連桿吸收波浪能，然后利用超越離合器、棘輪、齒條或鏈輪等設備，將浮子的上下升沉運動轉化為旋轉軸的單向旋轉運動，利用增速齒輪箱將轉速提高，采用飛輪蓄能，最后驅動發(fā)電機發(fā)電。機械傳遞裝置具有能量傳遞效率高(可達90%、結構簡單、造價較低等優(yōu)點，但同時也有易被海水腐蝕、維護成本較高、不容易實現控制調節(jié)的缺點。 2006年美國的浮動輪式點吸收波浪能發(fā)電裝置原理示意圖。該裝置的浮子上直接連接滑動輪，系泊繩通過滑動輪，一端連接較小配重，另一端固定于海底。當浮體隨波浪上下沉浮時，配重也在上下垂蕩，從而帶動系泊繩驅使滑動輪轉動，滑動輪連接交流發(fā)電機輸出電能。日本研制的繩輪一棘輪式點吸收波浪能發(fā)電裝置原理圖。該裝置通過繩索的張緊力和浮子與配重的重量差發(fā)電，浮子通過繩輪連接到轉動式發(fā)電機上。當浮體上升時，繩輪按順時針方向轉動，當浮體下落時，繩輪轉動方向相反，繩輪的往復轉動通過棘輪裝置轉化為單向轉動后帶動發(fā)電機發(fā)電。

山東大學于2013年的一種浮體繩輪式波浪能發(fā)電裝置，由重力錨、拉繩、導繩器、發(fā)電機組、阻性負載、圓柱浮體等構成，拉繩一端系于海底的重力錨上，另一端經導繩器纏繞在發(fā)電機組的卷筒上，當波浪推動浮體上升時，拉繩拖動卷筒旋轉，卷筒直接驅動低速同步永磁交流發(fā)電機發(fā)電;當浮體隨波浪下降時，卷筒在電機內置卷簧的作用下實現自動收繩，由于卷筒與電機軸之間裝有超越離合器，卷筒回轉時電機轉子并不旋轉，浮體在下降過程中不發(fā)電，因此具有半波發(fā)電特征。

點吸收水壓式波浪能發(fā)電裝置一般包括三級能量轉化過程，其工作原理是首先通過振蕩浮子帶動軟囊或活塞等裝置將波浪能轉換成高壓海水的壓力能，高壓海水驅動水輪機旋轉，水輪機再帶動發(fā)電機發(fā)電。

如圖1為IPS Buoy水壓式波浪能發(fā)電裝置，圖1A為振蕩浮子，加速管B兩端開放，C為活塞，D為水輪機。浮子A隨波浪上下運動，驅動活塞C垂直運動，活塞C擠壓加速管內部的水柱，被排出的水柱驅動水輪機D旋轉，并帶動發(fā)電機發(fā)電。

點吸收液壓式波浪能發(fā)電裝置主要利用液壓缸、蓄能器、液壓馬達等液壓裝置傳遞其波浪能量，也包括三級能量轉化過程，首先浮子吸收波浪能，然后驅動液壓缸活塞往復運動，轉化為液壓油的液壓能沖擊液壓馬達單向旋轉，帶動旋轉電機發(fā)電。美國的Electric Buoy、愛爾蘭的Wave Bob、瑞士的Ocean Harvest等點吸收式波浪能發(fā)電裝置均采用液壓傳遞波浪能。

直驅式點吸收波浪能發(fā)電裝置主要發(fā)電設備為直線發(fā)電機。振蕩浮子和永磁直線電機的動子連接為一體，能最大限度地提取波浪能lA。圖2 a所示，其原理是在波浪力的作用下，振蕩浮子跟隨波浪做上下的往復運動，從而使得直線電機的動子跟定子之間產生相對運動，切割磁力線，完成由波浪能向電能的轉換過程。相比旋轉發(fā)電系統(tǒng)，直驅式波浪發(fā)電系統(tǒng)將波浪能直接轉換為電能，不需要中間轉換裝置，具有結構簡單、轉換效率高等優(yōu)點。

圖2 b)所示美國俄勒岡州立大學的波浪能非接觸轉換裝置L-10原理圖，該裝置了非接觸轉換概念，利用永磁鐵和金屬之間的非接觸作用力，通過滾珠絲杠和滾珠螺母將直線運動轉化為旋轉運動，帶動永磁直線發(fā)電機產生電能。該裝置額定功率10 kW的原型樣機2008年9月在俄勒岡州紐波特進行了海試，其浮子直徑為3.5 m，裝置高6.7 m，裝置效率超過50%;

點吸收式波浪能發(fā)電裝置種類繁多、日趨多樣化，許多國家建立了實海況樣機來測試裝置的性能，并已有多座應用該技術的波浪能示范電站建成。點吸收式波浪能發(fā)電裝置的研究涉及到復雜的海洋環(huán)境、相關系統(tǒng)的控制理論、海洋結構物的穩(wěn)定性、可靠性等問題，未來發(fā)展趨勢和重點研究的內容如下:

1早期的點吸收式波浪能發(fā)電技術涉及的只是專利申請和理論研究，裝置樣機在實際海洋環(huán)境中運行的較少。目前，越來越多海試樣機已投入實際海況中運行，通過實海況試驗研究裝置的結構性能、發(fā)電效率、安全性等問題。

2由于涉及到復雜的海洋波浪和結構物間的作用，所以通過理論和仿真方法分析裝置結構和性能，并在此基礎上進行試驗測試。這種理論計算結合模型試驗和實海況測試的研究方法已經成為一種趨勢。

3目前大多數波浪能發(fā)電裝置為小規(guī)模單點式裝置，輸出功率仍在千瓦級以內。只有向大規(guī)?；c綜合化發(fā)展，波浪能利用技術才能實現更好的商業(yè)化利用。因此，同時具有多個振蕩浮子的陣列式波浪能發(fā)電裝置，或將多個單點吸收式波浪能裝置以陣列形式布放形成大規(guī)模波浪能發(fā)電廠，可使得波浪能發(fā)電裝置裝機容量達到百萬瓦級，降低發(fā)電成本，提高發(fā)電效率。此外，未來綜合利用幾種采集波浪能原理的裝置或者與太陽能、風能發(fā)電裝置相結合將會更有利于波浪能相關裝置的規(guī)?；⒕W利用。

4面對復雜海洋環(huán)境，如何把波浪能有效地轉換成機械能，進而產生穩(wěn)定、高效的電能是海洋波浪能技術領域的研究重點。通過控制策略的引入，對海洋環(huán)境因素進行反饋，將是未來點吸收式波浪能發(fā)電裝置能否投入實際應用的關鍵。可通過相位控制技術、智能控制算法、負反饋控制等方式來提高點吸收式波浪能裝置的發(fā)電效率和發(fā)電穩(wěn)定性。

5如何提高在極端海洋條件下點吸收式波浪能裝置的生存能力也是未來研究的重點內容。研制具有高可靠性(抗臺風、耐腐蝕)、低造價的海洋波浪能發(fā)電裝置，是世界各海洋國家不懈追求的目標。

6點吸收式波浪能裝置不僅可為海面、水下及海島的各種監(jiān)測儀器、水下采礦系統(tǒng)、水下機器人、海上軍事設施、海上平臺等提供電力，還可開發(fā)點吸收式波浪能裝置直接驅動的海水淡化技術，提高波浪能綜合應用的能力，解決我國淡水資源嚴重缺乏的問題。

綜上所述，點吸收式波浪能發(fā)電技術是波浪能開發(fā)利用裝置中研究最多的一種。從安裝位置上看，大多數點吸收波浪能發(fā)電裝置屬于近岸式。就波浪能傳遞技術比較而言，機械式傳遞效率高，但維護成本較高，不容易實現控制調節(jié);水壓式對環(huán)境無污染，但缺點是傳遞效率相對較低，所捕獲的波浪能能量密度小;液壓傳遞方式技術成熟，便于控制，但液壓式裝置可能泄漏液體及污染海水。直驅式波浪能轉換裝置直接把波浪能轉換成電能，只需要一級能量轉換，省略了二級能量轉換所帶來的費用、維護和能量損耗，具有可靠性高及維護成本低的優(yōu)勢;磁流體式具有直驅式的優(yōu)點，但仍處于實驗研究階段。因而，現階段利用液壓設備和直線電機更有利于波浪能量傳遞。與單點吸收式波浪能裝置比較，組合式與陣列式點吸收波浪能裝置可同時利用多個振蕩浮子收集波浪能，大規(guī)模發(fā)電，波浪能收集也更為連續(xù)、均勻。

因此，安裝于離岸10 ~ 25 m處，以多個振蕩浮子組成的浮子陣列為波浪能量攝取機構，液壓或直線電機為波浪能量傳遞方式的波浪能裝置已經成為點吸收波浪能開發(fā)利用技術的主流和熱點。

與一般的波能轉換裝置一樣，浮標式波浪發(fā)電裝置也包括三級能量轉換：第一級是將波浪能轉換為直接與海浪接觸的中間部件的機械能或者海水的位能、壓能；第二級是將上一級的能量轉換為機械的動能；第三級是將上一級動能通過發(fā)電系統(tǒng)轉換為電能。如圖2所示的浮標式波浪發(fā)電裝置組成簡圖。

由圖2看出，在浮標式波浪發(fā)電裝置中，一級能量機構是浮標，俘獲波浪能轉換為浮標的機械能，二級能量機構是齒輪箱和蓄能系統(tǒng)，將浮標的機械能轉換為二級能量機構的機械能，三級能量機構是發(fā)電系統(tǒng)，將機械能轉換為電能。

圖3所示為浮標式波浪發(fā)電裝置示意圖，該裝置主要由浮標1、浮筒2、龍門架3、齒條4等部分組成，其中浮筒內置齒輪箱換向定向系統(tǒng)6、蓄能系統(tǒng)以及發(fā)電系統(tǒng)8等。龍門架固定于浮標上，圓齒條通過一個旋轉裝置5連接在龍門架上，此處可以解決浮標在垂直波浪力以及水平波浪力綜合作用下產生繞浮筒轉動的問題，充分保證了齒輪齒條的嚙合。浮標在垂直波浪力作用下沿浮筒上下往復滑動，在浮標上鑲嵌青銅軸瓦，保證了浮筒與浮標之間的耐磨性。浮筒通過錨固定與海床上。

江河波浪能稍有別于海洋波浪能，主要以水平方向運動所具有的動能為主，同時存在勢能，其能量相對于海洋波浪能較低。為實現對江河波浪能的充分利用，必須解決目前江河波浪能發(fā)電所而臨的三大難題:一是固定問題，由于江河多為水運要道，發(fā)電裝置須不影響航運，且由于波浪能很不規(guī)律，浮于水而的發(fā)電裝置易受波浪沖擊;二是穩(wěn)定性問題，由于波浪的運動沒有規(guī)律性和周期J哇，受技術限制，波浪能發(fā)電裝置只能將吸收來的不穩(wěn)定波浪能轉化為不穩(wěn)定的電能;三是效率問題，江河中的波浪能相較于海洋波浪能能量較小，必須提高波浪能的利用效率才有實用價值。

江河波浪能是一種取之不盡的可再生清潔能源，且其分布而廣，以武漢為例，就有長江、東湖等水系。目前江河波浪能的利用僅限于小功率發(fā)電，主要應用于導航浮標、燈塔等設備，波浪能的利用仍有很大的開發(fā)空間，具有良好的應用前景。