海洋波浪能發(fā)電的開發(fā)與展望

關于海洋波浪能發(fā)電的開發(fā)與展望引言隨著世界經濟的發(fā)展、人口的激增、社會的進步，人們對能源的需求日益增長。占地球表面積70％的廣闊海洋，集中了97％的水量，蘊藏著大量的能源，其中包括波浪能、潮汐能、海流能、溫差能、鹽差能等。其中，波浪能由于開發(fā)過程中對環(huán)境影響最小且以機械能的形式存在，是品位最高的海洋能。據(jù)估箅，全世界波浪能的理論估算值為109kW量級，是現(xiàn)在世界發(fā)電量的數(shù)百倍，有著廣闊的商前景，因而也是各國海洋能研究開發(fā)的重點。第2頁,共26頁，2024年2月25日，星期天波浪能波浪是以動能形式表現(xiàn)的海洋能之一，來源于空氣和水表面溫度的不一致，太陽的熱量導致空氣溫度上升，而空氣溫度的上升產生了風。由海上的風推動海水，風與海面作用產生波浪，水面上的大小波浪交替，有規(guī)律地順風滾動著。波浪能發(fā)電是以波浪的能量為動力生產電能。第3頁,共26頁，2024年2月25日，星期天波浪能的特點

波浪能是一種密度低、不穩(wěn)定、無污染、可再生、儲量大、分布廣、利用難的能源。第4頁,共26頁，2024年2月25日，星期天波浪能利用波浪發(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。波浪能利用裝置的種類繁多，有關波能裝置的發(fā)明專利超過千項，獲得專利證書的也達數(shù)百件。波浪能利用被稱為“發(fā)明家的樂園”。第5頁,共26頁，2024年2月25日，星期天波浪能的轉換波浪能的轉換一般有三級。第一級為波浪能的收集，通常采用聚波和共振的方法把分散的波浪能聚集起來。第二級為中間轉換，即能量的傳遞過程，包括機械傳動、低壓水力傳動、高壓液壓傳動、氣動傳動，使波浪能轉換為有用的機械能。第三級轉換又稱最終轉換，即由機械能通過發(fā)電機轉換為電能。第6頁,共26頁，2024年2月25日，星期天發(fā)電原理主要是將波浪力轉換為壓縮空氣來驅動空氣透平發(fā)電機發(fā)電。當波浪上升時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，空氣室內形成負壓，使大氣中的空氣被吸入氣缸并驅動發(fā)電機另一軸伸端上的空氣透平使發(fā)電機發(fā)電，其旋轉方向不變。第7頁,共26頁，2024年2月25日，星期天波浪能發(fā)電第8頁,共26頁，2024年2月25日，星期天波浪發(fā)電的要求波浪發(fā)電要求輸人的能量穩(wěn)定，必須有一系列穩(wěn)速、穩(wěn)壓和蓄能等技術來確保，它同常規(guī)發(fā)電相比有著特殊的要求。利用波浪發(fā)電，必須在海上建造浮體，并解決海底輸電問題；在海岸處需要建造特殊的水工建筑物，以利收集海浪和安裝發(fā)電設備。波浪電站與海水相關，各種裝置均應考慮海水腐蝕、海生物附著和抗御海上風暴等工程問題，以適應海洋環(huán)境。第9頁,共26頁，2024年2月25日，星期天波浪發(fā)電站示意圖

波浪能供電的燈光浮標

第10頁,共26頁，2024年2月25日，星期天第11頁,共26頁，2024年2月25日，星期天值得一提的是，若在海岸邊排列幾艘大型的波浪能發(fā)電裝置，不僅可利用波浪能發(fā)電，做成移動式發(fā)電站，還可將它們當做防波堤，起到消波作用，移動電站還具有靈活的戰(zhàn)備作用，戰(zhàn)時可作為單用發(fā)電站。第12頁,共26頁，2024年2月25日，星期天第13頁,共26頁，2024年2月25日，星期天波浪能發(fā)電方式按能量中間轉換環(huán)節(jié)主要分為機械式、氣動式和液壓式三大類機械式：

通過某種傳動機構實現(xiàn)波浪能從往復運動到單向旋轉運動的傳遞來驅動發(fā)電機發(fā)電的方式。采用齒條、齒輪和棘輪機構的機械式裝置。隨著波浪的起伏，齒條跟浮子一起升降，驅動與之嚙合的左右兩只齒輪作往復旋轉。齒輪各自以棘輪機構與軸相連。齒條上升，左齒輪驅動其軸逆時針旋轉，右齒輪則順時針空轉。通過后面一級齒輪的傳動，驅動發(fā)電機順時針旋轉發(fā)電。機械式裝置多是早期的設計，往往結構笨重，可靠性差，未獲實用。第14頁,共26頁，2024年2月25日，星期天氣動式：

通過氣室、氣袋等泵氣裝置將波浪能轉換成空氣能，再由氣輪機驅動發(fā)電機發(fā)電。由于波浪運動的表面性和較長的中心管的阻隔，管內水面可看作靜止不動的水面。內水面和氣輪機之間是氣室。當浮體帶中心管隨波浪上升時，氣室容積增大，經閥門吸入空氣。當浮體帶中心管隨波浪下降時，氣室容積減小，受壓空氣將閥門關閉經氣輪機排出，驅動沖動式氣輪發(fā)電機組發(fā)電。這是單作用的裝置，只在排氣過程有氣流功率輸出。第15頁,共26頁，2024年2月25日，星期天振蕩水柱氣動式裝置工作原理。它有兩組吸氣閥和兩組排氣閥，固定氣室的內水位在波浪激勵下升降，形成排氣、吸氣過程。四組吸、排氣閥相應開啟和關閉，使交變氣流整流成單向氣流通過沖動式氣輪機，驅動發(fā)電機發(fā)電。這是雙作用的裝置，在吸、排氣過程都有功率輸出。氣動式裝置使緩慢的波浪運動轉換為氣輪機的高速旋轉運動，機組縮小，且主要部件不和海水接觸，提高了可靠性。氣動式裝置在日本益田善雄發(fā)明的導航燈浮標用波浪能發(fā)電裝置上獲得成功的應用。第16頁,共26頁，2024年2月25日，星期天液壓式通過某種泵液裝置將波浪能轉換為液體(油或海水)的壓能或位能，再由油壓馬達或水輪機驅動發(fā)電機發(fā)電的方式。波浪運動產生的流體動壓力和靜壓力使靠近鴨嘴的浮動前體升沉并繞相對固定的回轉軸往復旋轉，驅動油壓泵工作，將波浪能轉換為油的壓能，經油壓系統(tǒng)輸送，再驅動油壓發(fā)電機組發(fā)電。點頭鴨裝置有較高的波浪能轉換效率，但結構復雜，海上工作安全性差，未獲實用。

聚焦波道裝置已在挪威奧依加登島250kW波浪能發(fā)電站成功的應用。這種裝置有海水庫儲能，可實現(xiàn)較穩(wěn)定和便于調控的電能輸出，是迄今最成功的波浪能發(fā)電裝置之一。但對地形條件依賴性強，應用受到局限。

收縮斜坡聚焦波道式裝置簡圖。波浪進入寬度逐漸變窄、底部逐漸抬高的收縮波道后，波高增大，海水翻過導波壁進入海水庫，波浪能轉換為海水位能，然后用低水頭水輪發(fā)電機組發(fā)電。第17頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

葡萄牙的“海蛇”海浪發(fā)電站第18頁,共26頁，2024年2月25日，星期天第19頁,共26頁，2024年2月25日，星期天英國研制的水莽波浪發(fā)電裝置水蟒”工作原理非常簡單：將“水蟒”安裝在距離海岸1.6公里-3.2公里遠、36米-91米深的水下，并系在海床上，同時使“水蟒”的橡膠管道內充滿海水。這樣每當有波浪經過時，彈性極強的橡膠管就會隨之上下擺動，橡膠管內部就會產生一股水流脈沖。隨著波浪幅度的加大，脈沖也會越來越強，并匯集在尾部的發(fā)電機中，最終產生電能，然后通過海底電纜傳輸出去。

第20頁,共26頁，2024年2月25日，星期天第21頁,共26頁，2024年2月25日，星期天我國發(fā)展現(xiàn)狀我國波浪能源十分豐富，可利用率達1.3億千瓦。中國科學院廣東能源所從“六五”開始進行海洋波浪能研究。1984年研制成功“航標燈小型波浪發(fā)電裝置”，“七五”、“八五”期間，又在珠海大萬山建造了3千瓦、20千瓦岸式波浪力實驗電站。我國首座岸式海洋波浪力發(fā)電工業(yè)示范電站“汕尾l00KW”岸式波力電站的正常運行，標志著我國海洋波浪力發(fā)電技術達到實用水平。2009年3月，我國第一座漂浮式海浪能發(fā)電站在浙江溫州的海邊開始建設，建成后年發(fā)電量可達10億千瓦時、年收入達到5億元。這意味著我國實現(xiàn)了海浪發(fā)電的技術突破。第22頁,共26頁，2024年2月25日，星期天波浪發(fā)電的局限性開發(fā)成本高，規(guī)模小，裝置龐大造價昂貴，社會效益好但是經濟效益差，投資回收期長可靠性差輸出功率太小能量傳輸復雜由于波浪能的利用地點局限在海岸附近，還容易受到海洋災害性氣候的侵襲這些原因束縛了波浪能的大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)利用和發(fā)展。第23頁,共26頁，2024年2月25日，星期天引起的環(huán)境問題小規(guī)模波浪發(fā)電裝置可能不會引起太大的環(huán)境沖擊，但是如果以后大規(guī)模的進行海浪發(fā)電，將會占用大面積的海面，而這必然會對海洋的生態(tài)系統(tǒng)產生沖擊。如果在海面布置大量的發(fā)電裝置，很可能對海洋生物造成危害，甚至會影響到海洋上正常商業(yè)航運。第24頁,共26頁，2024年2月25日，星期天發(fā)展前景目前，大規(guī)模波浪能發(fā)電的成本還難與常規(guī)能源發(fā)電競爭，但特殊