第 32 卷 第 1 期 2016 年 1 月 电 网 与 清 洁 能 源 $ ( % 0, &' $ ( ' 6! 文 章 编 号 :1674-3814(2016)01-0064-05 中 图 分 类 号 :TK01 文 献 标 志 码 :2 波 浪 能 发 电 技 术 研 究 进 展 顾 煜 炯, 谢 典, 耿 直 ( 华 北 电 力 大 学, 北 京 )!" #$,,! "# (! $%# &# '%$ $ $%(,),&# ) %&'# % #:* $ ( +, - ', $. /' $ (, ## # %%$ %, %# %%% - $ $ # $ % # 0, /$,1 ' % $ $ # # / $$, %, /%, 0 #0% %# $,%# $ ' - $ $ ( $ % % %$,,,, %#, %,,, % - $ ' %( ' $ $ % % $ ' -, 0 -' $ (, 0 %$ % $ % % % # 0, /$, $. %$,, $%# $0 $, - %# $% % % - %$,( / %# % # 0, /$,,%# $ ##'#% %# -%$, '0% %$,, $ % - $ ( $ %, ': $ (;$ $ %, ;. $ --( 摘 要 : 波 浪 能 是 一 种 清 洁 可 再 生 的 新 型 能 源, 已 经 吸 引 了 各 国 研 究 者 的 目 光, 开 展 了 相 关 的 研 究 并 已 取 得 一 定 的 成 果 文 章 介 绍 了 各 种 波 浪 能 发 电 装 置 的 原 理, 对 海 洋 波 浪 能 发 电 装 置 进 行 了 分 类, 总 结 了 几 种 典 型 海 洋 波 浪 能 发 电 装 置 的 优 缺 点, 列 举 了 一 些 国 内 外 较 为 成 功 的 波 浪 能 示 范 电 站, 并 针 对 现 阶 段 国 内 外 研 究 现 状 指 出 今 后 波 浪 能 发 电 装 置 的 发 展 趋 势 及 前 景 关 键 词 : 波 浪 能 ; 发 电 装 置 ; 转 化 效 率 为 了 解 决 当 前 传 统 化 石 能 源 供 应 在 社 会 发 展 中 所 遇 到 的 瓶 颈 问 题, 寻 找 可 替 代 可 再 生 清 洁 的 新 型 能 源 已 经 成 为 全 球 各 个 国 家 的 共 识 海 洋 波 浪 能 具 有 巨 大 的 开 发 潜 力, 据 国 际 能 源 组 织 基 金 项 目 : 海 洋 可 再 生 能 源 专 项 资 金 项 目 () ); 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 项 目 (86) $ % $%, /( ', - $ ; /' $ ( $ # () );! % '. # $ # $$ 0 (!224); ', - $ ) $ # - $ &%$ ' $% (86) ( 2) 公 布 的 报 告 预 测 : 全 球 可 利 用 的 波 浪 能 达 到 34 亿 +*, 相 当 于 目 前 世 界 发 电 装 机 总 量 的 倍 5.67, 而 且 波 浪 能 能 量 密 度 大, 传 播 过 程 中 只 有 很 小 的 能 量 损 失 587 关 于 波 浪 能 转 换 装 置 最 早 的 专 利 记 录 在 9:: 年, 作 者 是 法 国 人 $ $, 547 现 代 研 究 始 于 : 世 纪 9 年 代 的 石 油 危 机 :98 年 爱 丁 堡 大 学 ($%( -,/$ #) %# '% $ 在! %$ 上 发 表 的 一 篇 关 于 波 浪 能 的 论 文 具 有 里 程 碑 意 义, 引 起 了 国 际 学 术 界 对 波 浪 能 的 兴 趣 57 :9 年 在 英 国 的 坎 特 伯 雷 (& % $/$() 第 一 次 召 开 了 关 于 波 浪 能 的 会 议,:9: 年 召 开 了 次 具 有 代 表 性 的 国 际 会 议 :$ -$ 0 * ( 爱 丁 堡, 月 ) 和 第 一 届 波 浪 能 利 用 研 讨 会 ( 瑞 典, 月 ) 数 十 年 来, 关 于 波 浪 能 发 电 技 术 的 专 利 多 达 数 千 个, 发 电 装 置 形 式 多 种 多 样, 研 究 机 构 也 是 层 出 不 穷 英 国 丹 麦 等 西 北 欧 国 家 以 及 日 本 美 国 在 波 浪 能 发 电 技 术 较 为 领 先, 已 经 建 立 了 多 个 大 型 示 范 电 站, 其 中 已 有 一 些 商 业 化 的 装 置, 如 英 国 ; 公 司 的 ' 0; 国 内 的 中 科 院 广 州 能 源 所 在 波 浪 能 发 电 方 面 开 展 了 大 量 研 究 此 外, 国 家 海 洋 技 术 中 心 中 国 海 洋 大 学 浙 江 大 学 等 都 进 行 了 深 入 的 研 究 工 作 波 浪 能 发 电 技 术 研 究 主 要 集 中 于 波 浪 能 捕 获 装 置 的 优 化 设 计, 从 较 早 的 振 荡 水 柱 式, 到 近 些 年 来 发 展 较 好 的 摆 式 振 荡 浮 子 式 装 置 波 浪 发 电 装 置 概 述 通 常 波 浪 能 转 换 成 电 能 要 经 过 6 级 转 换, 第 一
清 洁 能 源 第 32 卷 第 1 期 电 网 与 清 洁 能 源 级 转 换 是 捕 获 装 置 吸 收 波 浪 能 ; 第 二 级 转 换 由 中 间 转 换 装 置 优 化 第 一 级 转 换, 产 生 稳 定 的 能 量 ; 第 三 级 转 换 由 发 电 装 置 把 稳 定 的 能 量 转 化 成 电 能 波 浪 能 发 电 装 置 分 类 方 式 按 照 不 同 标 准 有 所 不 同, 如 表 所 示 表 波 浪 能 发 电 装 置 分 类!""#! "# $% &'! ( )*+,-./ 2 3 45 6 01 789 : 波 浪 能 发 电 装 置 国 内 外 研 究 现 状 国 内 外 的 许 多 研 究 机 构 均 开 展 了 波 浪 能 发 电 技 术 的 研 究 工 作, 并 研 发 了 各 种 各 样 的 装 置, 建 立 了 许 多 示 范 电 站 早 期 的 研 究 主 要 集 中 于 振 荡 水 柱 式 发 电 装 置 的 研 究, 该 项 技 术 已 趋 于 成 熟, 但 效 率 相 对 较 低 ; 然 后 又 逐 渐 产 生 了 筏 式 摆 式 振 荡 浮 子 式 等 装 置, 国 内 的 研 究 主 要 集 中 于 振 荡 水 柱 式 摆 式 和 振 荡 浮 子 式 装 置, 各 种 形 式 的 波 浪 发 电 装 置 及 其 国 内 外 研 究 现 状 如 表 所 示 各 种 波 浪 能 发 电 装 置 综 合 比 较 及 相 关 应 用 实 例 各 种 形 式 的 波 浪 能 发 电 装 置 性 能 比 较 各 种 形 式 的 波 浪 能 发 电 装 置 性 能 比 较 如 表 所 示 从 现 有 几 种 波 浪 能 发 电 装 置 的 优 缺 点 以 及 目 前 存 在 的 问 题 来 看, 振 荡 浮 子 式 波 浪 能 发 电 装 置 相 比 较 而 言 具 有 很 明 显 的 优 势 因 为 其 效 率 高 成 本 低 可 靠 性 好, 因 此 是 今 后 波 浪 能 发 电 装 置 的 重 要 发 展 方 向, 英 国 美 国 荷 兰 瑞 典 丹 麦 中 国 均 开 展 了 振 荡 浮 子 式 波 浪 能 装 置 的 研 究 相 关 成 功 应 用 的 典 型 波 浪 能 电 站 简 介 国 外 相 关 案 例 英 国 是 全 球 波 浪 能 发 电 技 术 的 领 先 者,! 电 力 公 司 的 "#$%&' 摆 式 发 电 装 置, 经 过 几 代 研 究, 已 经 实 现 商 业 化 运 行, 据! 电 力 公 司 称, 台 该 装 置 建 设 的 小 型 发 电 场 可 为 多 户 家 庭 提 供 电 力! 作 为 英 国 " 公 司 开 发 的 波 浪 发 电 装 置, 同 样 实 现 了 产 业 化, 尽 管 其 价 格 较 高, 但 在 一 些 较 为 偏 远 的 海 岛 区 域, 成 本 已 经 低 于 传 统 的 柴 油 机 发 电, 因 此 仍 然 具 有 一 定 市 场 加 拿 大 的 () 也 是 较 为 成 功 的 振 荡 浮 子 式 波 浪 发 电 站, 装 置 由 一 个 浮 子 组 成, 其 升 沉 运 动 和 加 速 管 中 水 的 惯 性 产 生 反 作 用, 通 过 一 对 软 管 泵 产 生 高 压 水 流, 年 该 装 置 在 美 国 俄 勒 冈 州 海 岸 进 行 了 建 造 和 测 试 丹 麦 的 * +!, 则 是 由 多 个 阵 列 浮 子 组 成 的 波 浪 发 电 站,- 年, 该 装 置 于 丹 麦 北 部 海 湾 进 行 了 比 例 尺 为 的 模 型 试 验, 模 型 长., 装 机 容 量 为 /0/ 1, 共 由 个 浮 子 组 成, 据 实 验 报 道, 该 装 置 运 行 效 率 较 高, 具 有 较 高 的 推 广 价 值 00 国 内 相 关 案 例 八 五 九 五 期 间, 我 国 国 家 海 洋 局 海 洋 技 术 中 心 分 别 研 建 了 1 和 1 岸 式 悬 挂 摆 式 波 能 发 电 装 置, 为 岛 上 居 民 供 电 - 年 国 家 海 洋 局 海 洋 技 术 研 究 所 在 山 东 省 即 墨 市 大 管 岛 建 造 的 岸 式 悬 挂 摆 波 浪 能 发 电 装 置, 其 设 计 额 定 功 率 可 达 1, 该 悬 挂 摆 式 波 浪 能 发 电 装 置 适 用 于 入 射 波 高 为 - 的 设 计 波 况, 发 电 状 况 良 好 中 科 院 广 州 能 源 研 究 所 研 发 的 波 浪 发 电 航 标 灯 已 经 实 现 了 商 业 化 运 营, 相 关 产 品 已 出 口 国 外 / 年 月 日, 能 源 所 在 汕 尾 研 建 的 波 浪 能 发 电 系 统 由 独 立 发 电 系 统 制 淡 系 统 及 漂 浮 式 充 电 系 统 部 分 组 成, 系 统 在 抗 冲 击 稳 定 发 电 小 浪 发 电 方 面 都 达 到 了 预 计 效 果, 总 装 机 容 量 为 / 1, 最 大 峰 值 功 率 达. 1 结 论 本 文 对 各 种 形 式 的 波 浪 能 发 电 装 置 进 行 了 综 合 考 察, 广 泛 调 研 了 国 内 外 研 究 动 态, 对 波 浪 能 利 用 技 术 的 问 题 及 未 来 发 展 趋 势 进 行 了 解 析, 综 合 对 比 各 种 技 术, 摆 式 和 振 荡 浮 子 式 波 浪 发 电 技 术 是 较 有 前 景 的 随 着 化 石 能 源 的 日 益 紧 张, 陆 地 资 源 的 日 益 紧 缺, 向 广 阔 的 海 洋 发 展 是 人 类 必 经 之 路, 波 浪 能 蕴 藏 量 巨 大, 可 为 人 类 源 源 不 断 提 供 清 洁 无 污 染 的 能
顾 煜 炯, 等 : 波 浪 能 发 电 技 术 研 究 进 展 82' ;2 表 各 种 形 式 波 浪 能 发 电 装 置! " # $!" # $ %& ' $%& $()*+,-%.!"#$% #&' # $/0 1, 2 3 4 ()*()+5 -$ 6 7 8 ()+ *()( 5 (( *((, 9 $ ((+ * : ; $ - #.$'&/!0, 1 & & /+ + <=>?@$AB +C,-% ) * D E $, 3 $ * ( +! (),5 F$GH+IJ KL$ &. &"23 M NO?@ 9$ -% O4-3"%& 2PQ # 45 &/&!3 26$RS %0$ # OTUV?@$7 2"44 WX?@$!2 48 Y Z[ Z\]1^_ ` ab) c M+,-%?@$ 0 M, 0, 34,5a?@$ 4% $(0 + b 0 $0 ) T b/0a G?$45 & 9 2% ( $ 9 O&/62 1#32'2"% 98$+C-% 1Z?@? @ 4 1#!/ : 0 & 6!3" 4 %?@T b 1 &3 26 1#32'2"! 0 26 2% $ 2 T b, KL$ & 0$& 源 尽 管 波 浪 能 发 电 成 本 还 高 于 常 规 热 发 电, 但 在 一 些 特 殊 地 区 如 偏 远 海 岛, 波 浪 发 电 的 成 本 已 经 低 于 柴 油 机 发 电 成 本, 具 有 应 用 价 值 未 来 波 浪 能 发 电 技 术 主 要 发 展 方 向 应 包 含 以
清 洁 能 源 第 32 卷 第 1 期 电 网 与 清 洁 能 源 表 几 种 波 浪 能 发 电 装 置 的 优 缺 点 及 适 用 场 合!!! "!"#$%&' ( )*+,-. /"01 $%234 56 7 O! 89:;! <=>: F G H I E J C D A?@AB&44! CDE&4 KL MN : -. # EACD -. /01 PQCD VW XY4K HI RSTU -. # AT U S Z [ `ab[ c 4 a 4MN \]^_ 56 Q [E` A ` Z! > 4` HI EI $% CD PQ>! K4 N 下 几 个 方 面 : ) 目 前 的 理 论 研 究 主 要 是 基 于 线 性 波 浪 理 论 开 展, 已 经 解 决 了 大 多 数 线 性 理 论 范 围 内 的 问 题, 但 对 非 线 性 问 题 特 别 是 非 线 性 随 机 问 题 的 研 究 显 得 尤 为 紧 急, 若 上 述 问 题 得 到 解 决, 可 使 波 浪 能 发 电 装 置 的 设 计 出 现 十 分 巨 大 的 革 新 ) 波 浪 能 开 发 的 研 究 难 点 是 高 效 转 换, 由 于 与 波 浪 的 不 稳 定 造 成 转 换 装 置 长 期 在 设 计 外 工 况, 除 此 之 外, 能 流 密 度 和 转 换 效 率 低 也 进 一 步 提 高 了 发 电 的 成 本, 因 此, 波 浪 能 研 究 的 目 标 始 终 是 提 高 转 换 率 和 降 低 发 电 成 本, 需 要 提 高 波 浪 发 电 装 置 的 波 浪 适 应 性, 使 之 在 较 宽 的 波 况 范 围 内 都 能 保 持 较 高 效 率 ) 装 置 稳 定 性 问 题 : 如 何 将 不 稳 定 低 密 度 的 波 浪 能 高 效 吸 收 起 来 转 化 为 可 用 的 电 能, 需 要 充 分 考 虑 储 能 系 统 的 配 置, 以 保 证 装 置 能 够 稳 定 地 发 电, 同 时 还 需 要 加 强 系 统 功 率 控 制 技 术 的 研 究 ) 装 置 的 可 靠 性 问 题, 主 要 的 研 究 发 展 方 向 应 包 括 : 波 浪 发 电 装 置 承 受 海 浪 冲 击 及 其 在 大 风 浪 条 件 下 的 生 存 技 术, 如 设 计 合 理 转 换 装 置 和 锚 泊 系 统 良 好 的 下 潜 避 浪 技 术 ; 装 置 在 建 造 与 施 工 过 程 中 的 海 上 工 程 技 术 ; 防 腐 技 术 和 防 生 物 附 着 技 术 ) 波 浪 能 发 展 的 另 一 新 方 向 是 多 元 综 合 利 用 : 波 浪 能 与 海 上 风 能 太 阳 能 潮 流 能 可 构 成 综 合 能 源 供 应 系 统, 可 起 到 互 补 的 作 用, 使 得 整 个 系 统 可 靠 性 稳 定 性 更 好, 成 本 更 低 ; 波 浪 能 也 可 用 于 提 取 深 层 海 水 和 供 氧 以 及 改 善 海 水 牧 场 和 养 殖 场 的 养 份 ; 利 用 波 浪 能 清 除 海 洋 污 染 或 者 波 浪 能 船 舶 推 进 等 ; 利 用 波 浪 能 进 行 深 海 养 殖 制 氢 海 水 淡 化 等 综 合 研 究 也 是 一 些 新 途 径 总 之, 尽 管 目 前 的 波 浪 能 利 用 还 存 在 许 多 问 题, 但 随 着 相 关 技 术 的 日 益 成 熟, 波 浪 能 一 定 会 在 更 多 领 域 发 挥 作 用 参 考 文 献,! " # $!%&' ' & & & ('&)*+,-. /. )& ). )0$ & 0.& )+. 0.1 &)) '.)+*+.,,, $ 2312$! 4!,! 55! $ ' '). *(& '6+%)./ '. &7.%&' ' & & & %.& *& #$ #.-'7./.- ' +, '*+.,( )8 31 9 $!:,; #5 ;, ::5!: $ &1 7+6+ ' ' '+)'7./ ' &. &.) &%*) + 7&,'. #$ & & ',7& &, ()8 912$ ", 5:,; $ & +&./ ' & & & %.& *& *&%(.7.#$.%&& +)./ *(& )*+*-*+../ &%(' +%'7 + && ), ' * 8 #.-'7./. & ' &, ()8 3321$! ",! "$. & /.6 *(& ' &) $! /.8! /. : + & )+* &)),$ 9 5 ;$ ' &. & #$ '*- &, 2, ( )8 2 12$ 2 游 亚 戈, 李 伟, 刘 伟 民, 等 $ 海 洋 能 发 电 技 术 的 发 展 现 状 与 前 景 #$ 电 力 系 统 自 动 化,,()8 1$!: ' &,5 &+,5 : &+6+,&* '7$ "& &7. 6& * )*'*-) ' & ) &%*+ &./ 6' + & & & %.& )+. ) ) 1 *&6)#$ -*.6'*+../ 7&%* +%. & )*&6),, ()8 1(+ 0(+ &)&)$
顾 煜 炯, 等 : 波 浪 能 发 电 技 术 研 究 进 展 =,4, 彭 建 军 振 荡 浮 子 式 波 浪 发 电 装 置 的 水 动 力 性 能 研 究 济 南 山 东 大 学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郑 艳 娜 波 浪 与 浮 式 结 构 物 相 互 作 用 的 研 究 大 连 大 连 理 工 大 学, 55 张 亚 群, 盛 松 伟, 游 亚 戈 55 一 基 于 多 体 漂 浮 鹰 式 波 浪 能 发 电 装 置 模 型 试 验 研 究 北 京 海 洋 出 版 社, 5 5 6 ",!# 6! 6)0,0) *./,;,.& & & & () +'* *'*, 9&* - * (&,:2322 #!! &/&.: 0 0& &,- & ' *,.& & & () '&.:,,(*&/1 7 '& '*, 1,+,; & && & () &.:,,(), 5, () 3 1%6 % 8,8, 7 1!..,,0 '* ( & 0 '*0 & & ()3., ', 0 0&.*/*, *.,' 01 %.& @, /' (& & ',( 2):344 4!9! #,9! 6!!, 7 9,&' # $,( 2,;;/:, & -,* '3/,& & & & ().,& 3 '& :& 2': +,-& & & (), ;& &.&,,, 7 & 0, 4:434!, 9! &.& ' 0& &,- & '/ *,;;/:, & & && & & () * ':&!/* 3#.*;*. &(*, 1 %.& & &3,- & ' @ 7 '& '*,,,(3 ) 3 2 李 继 刚 摆 式 波 力 电 站 中 几 个 重 要 参 数 的 设 计 1 海 洋 技 术,, () 2 3 4 7 1*((! * 0,; -&'& 0&/*( * ( &':,0, -& 0+ + & -, & /' '*, 1 %.& &.:,,(),, () 2 3 4(* :* &/&) 张 大 海 浮 力 摆 式 波 浪 能 发 电 装 置 关 键 技 术 研 究 杭 州 : 浙 江 大 学, #!%!.:* &0&/ & / * ((!) %.& & & () 9&* - * (&, 9 1,%" $,#! 7 6!,&' &, 3 &/&.: @ 0& &,- & ' &', 0 ',, / * ':&., '&?',; /)/'& / & (* && * ( #,. *(:': +,-& & 0 *0 & (), ;& &.&,"--/,&0&,! A!+',,,+/ & & & () -, & +,) 0& *.&.,&.&/ /& ' *1 * (,!+(+/& 4, 4 %%,6! 6!, 67 $!8 8,&' + & *.,0& * ( 0 %.& &/'* (,; * &.'30 * & & & () & *.& "'* * * ( #&& ' ( &' * & & &', ;, #, & &3,;; #,.&&0* (/,; ': 7 '& '*,, ;& &.&, %.& %;;/:, &!.'*. (*3 && * (,!,6,, + +,6 **, 4 马 哲 振 荡 浮 子 式 波 浪 发 屯 装 置 的 水 动 力 学 特 性 研 究 青 岛 中 国 海 洋 大 学, 4 4 " 9*B+, 7 6, (B+, %" (&,&' '+0), ',,-'* * * ( &':,0/,;':&,/.* '* ( ')-& & & & ().,& /*, 0& *.&/1!.' & (* &, */ * *., 55, 4( ) 3 收 稿 日 期 : 5235 3 作 者 简 介 : 顾 煜 炯 ( ), 男, 博 士, 教 授, 研 究 方 向 为 风 能 及 海 洋 可 再 生 能 源 的 利 用 ( 编 辑 黄 晶 )