波浪能發(fā)電技術(shù)研究

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1、波浪能發(fā)電技術(shù)研究 波浪能發(fā)電技術(shù)研究 2014/08/30 《能源與環(huán)境雜志》2014年第三期 1波浪能發(fā)電技術(shù) 1.1波浪發(fā)電的原理波浪發(fā)電的原理主要是利用波浪運(yùn)動(dòng)的往復(fù)力、浮力產(chǎn)生動(dòng)力或位能差。利用海洋波浪發(fā)電的方法大致有3種：①是利用海洋波浪的上下運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生水流或空氣流，使水（氣）輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；②利用海洋波浪裝置的前后轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)產(chǎn)生水流或氣流，使水（氣）輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，產(chǎn)生電；③將低壓大波浪變?yōu)樾◇w積的高壓水，然后把水引入高位水池

2、積蓄起來(lái)，使它形成了水位的高度差，再來(lái)沖動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電［2］。 1.2波浪能發(fā)電技術(shù)的分類波浪能發(fā)電是通過(guò)波浪能裝置將波浪能轉(zhuǎn)換為往復(fù)機(jī)械能，再通過(guò)動(dòng)力攝取系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成所需的動(dòng)力或電能?，F(xiàn)有的波浪利用技術(shù)有很多種型式，按結(jié)構(gòu)形式可分為振蕩水柱式、擺式、越浪式、筏式、鴨式、點(diǎn)吸收式等幾種形式，介紹如下。（1）振蕩水柱式。振蕩水柱式波能裝置是最普通的海洋波浪能轉(zhuǎn)換器。其工作原理是利用1個(gè)與海水連通的容器裝置，通過(guò)波浪作用，驅(qū)動(dòng)氣室內(nèi)水柱作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得水面位置發(fā)生變化，引起容器內(nèi)的空氣體積變化，通過(guò)壓縮容器內(nèi)的空氣產(chǎn)生作用力驅(qū)動(dòng)葉輪工作，帶動(dòng)發(fā)電裝置發(fā)電。振蕩水柱波能裝置的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)脆弱的機(jī)械部

3、分只與往復(fù)流動(dòng)的水流或空氣流接觸，不與海水接觸，防腐性能好；通過(guò)氣室將低速波浪能量轉(zhuǎn)換成高速運(yùn)動(dòng)的氣流，傳遞方便，安全可靠，故障少、維護(hù)方便。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率低，建造費(fèi)用高。（2）擺式。擺式波能發(fā)電是商用波浪發(fā)電的重要方式。其工作原理較為簡(jiǎn)單，即利用海洋波浪的運(yùn)動(dòng)推動(dòng)機(jī)械擺發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。與機(jī)械擺相連的通常是液壓裝置，它將機(jī)械擺的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成液壓泵的機(jī)械能與液壓能，再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置具有頻率響應(yīng)范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易制造、可靠性好、建造費(fèi)用相對(duì)較低、常海況條件轉(zhuǎn)換效率高等許多優(yōu)點(diǎn)；不足是機(jī)械部分與海水接觸極易損壞、不易維修、轉(zhuǎn)換效率較高但不穩(wěn)定、可靠性差。（

4、3）越浪式。越浪式波浪能量轉(zhuǎn)換裝置在進(jìn)行波浪能轉(zhuǎn)換時(shí)，通常有2個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程：首先將波浪能轉(zhuǎn)化為可供渦輪電機(jī)運(yùn)行的機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能量的1次轉(zhuǎn)換過(guò)程；然后通過(guò)渦輪電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行輸出，實(shí)現(xiàn)能量的2次轉(zhuǎn)換過(guò)程。其優(yōu)點(diǎn)是裝置活動(dòng)部件較少，整體穩(wěn)定性較高，可靠性好，波浪能量轉(zhuǎn)換效率較高，維護(hù)費(fèi)用較低，在大浪時(shí)系統(tǒng)電力輸出穩(wěn)定；不足之處是小浪下的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率較低。（4）筏式。筏式波浪能發(fā)電裝置利用海洋波浪筏通過(guò)鉸鏈互相鉸接在一起，組成波浪能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（通常是液壓的），轉(zhuǎn)換系統(tǒng)置于每一個(gè)鉸接處，波浪的運(yùn)動(dòng)使波面筏沿著鉸接處彎曲，從而反復(fù)壓縮液力活塞并輸出機(jī)械能。當(dāng)裝置的固有頻率與波浪的頻率接近或相一致

5、時(shí)，即形成共振，裝置的輸出效率最高。筏式技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是波浪筏之間僅有角位移，即使在大浪下，該位移也不至于太大，故抗風(fēng)浪性能較好；缺點(diǎn)是裝置順浪向布置，單位功率下材料的用量比垂直浪向布置的裝置大，可能造成裝置成本較高。（5）鴨式。鴨式波浪能發(fā)電裝置的得名是由裝置的形狀和運(yùn)行特性類似鴨的運(yùn)動(dòng)，波浪入射波的運(yùn)動(dòng)使得動(dòng)壓力推動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分繞軸線旋轉(zhuǎn)，流體靜壓力的改變使浮體部分作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能和位能同時(shí)通過(guò)液壓裝置轉(zhuǎn)化，再通過(guò)液力或電力系統(tǒng)把動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。其優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率較高，調(diào)節(jié)鴨身質(zhì)心可以使其自有頻率與波浪運(yùn)動(dòng)頻率相同或者接近，從而形成共振，可以達(dá)到最大的轉(zhuǎn)換效率；缺點(diǎn)：裝備復(fù)雜從而造成可靠性較差，

6、尤其在惡劣的海洋環(huán)境下，裝置極易損壞。（6）點(diǎn)吸收式。點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置是目前發(fā)展較好的波浪能轉(zhuǎn)換裝置。該技術(shù)采用浮子捕獲波浪能，通過(guò)浮子連接的液壓裝置將波浪能轉(zhuǎn)化為液壓能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)工作輸出電能。點(diǎn)吸收裝置的優(yōu)點(diǎn)是捕獲波浪能效率以及轉(zhuǎn)換效率均較高；浮子制造的成本相對(duì)較低；能量易收集，可以多個(gè)裝置組合成大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)。不足是抵抗極端天氣的能力差。 2波浪能發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀 波浪能的利用最早可追溯到1799年的法國(guó)人吉拉德父子的波浪能機(jī)械發(fā)明專利，但那時(shí)的波浪能研究主要在波浪能轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明上，真正實(shí)用的波能發(fā)電裝置較少。1955年世界上首臺(tái)波浪能發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生后，越來(lái)越多的專家學(xué)者都

7、致力于波浪能發(fā)電技術(shù)的深入研究。20世紀(jì)70年代，許多海洋國(guó)家積極開展波浪能開發(fā)利用技術(shù)，取得了較大的進(jìn)展。英國(guó)對(duì)波浪能的研究十分重視，英國(guó)致力于威爾斯氣動(dòng)透平的利用、原型波力發(fā)電機(jī)組、導(dǎo)航浮標(biāo)波力透平發(fā)電機(jī)組及小型波能轉(zhuǎn)換器［4］等研究，它的波浪發(fā)電技術(shù)居世界領(lǐng)先水平。日本由于是個(gè)島國(guó)，國(guó)土狹小，資源緊張，因此對(duì)波浪能研究和開發(fā)也相當(dāng)活躍，開展的波浪能研究項(xiàng)目有：海明號(hào)波能發(fā)電船、擺式波能裝置、導(dǎo)航用波力發(fā)電裝置等；波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)用化方面走在了世界前列。挪威主要對(duì)波浪發(fā)電裝置的理論設(shè)計(jì)做出了貢獻(xiàn)，提出了相位控制原理和喇叭口收縮波道式波能裝置等。瑞典在上世紀(jì)80年代進(jìn)行了30kW軟管泵原型裝

8、置的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并在西班牙大西洋岸外建了1座1000kW的波力示范電站。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已有28個(gè)國(guó)家（地區(qū)）研究波浪能的開發(fā)，建設(shè)了上千臺(tái)大小波力電站，總裝機(jī)容量超過(guò)80萬(wàn)kW，其建站數(shù)和發(fā)電功率分別以每年2.5%和10%的速度上升［4］。我國(guó)對(duì)波浪發(fā)電的研究自20世紀(jì)70年代開始。對(duì)波浪能發(fā)電的研究最早是在上海興起的，我國(guó)將波浪能開發(fā)技術(shù)研究確定為國(guó)家重點(diǎn)科技項(xiàng)目，將波浪能的開發(fā)研究提高到國(guó)家的層面，以推進(jìn)對(duì)海上波浪能資源的開發(fā)利用，努力實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。1984年廣州能源研究所成功設(shè)計(jì)開發(fā)了應(yīng)用在航標(biāo)燈上的小型波浪能發(fā)電裝置，并大批應(yīng)用到了我國(guó)沿海海域的航標(biāo)燈上；20世紀(jì)末期開始研制30

9、kW擺式波力電站和100kW岸式波力電站?？傊?，我國(guó)波浪發(fā)電研究雖然起步較晚，但在國(guó)家科技攻關(guān)技術(shù)、“863”計(jì)劃支持下，發(fā)展迅速。微型波浪發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟，并已商品化，小型岸式波浪發(fā)電技術(shù)也已進(jìn)入世界先進(jìn)行列。但是中國(guó)波浪發(fā)電裝置示范試驗(yàn)的規(guī)模遠(yuǎn)小于挪威和英國(guó)，試驗(yàn)的開發(fā)方式類型遠(yuǎn)少于日本，且小型裝置距實(shí)用化還有一定距離，裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性等還有待提高。 3發(fā)展趨勢(shì) 海洋波浪能資源豐富，能流密度較大、分布最廣的能量。如何能夠高效地收集大面積的波浪能，并集中轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將其轉(zhuǎn)換成電能，是一個(gè)集合機(jī)械、物理、力學(xué)、防腐、海洋科學(xué)等多領(lǐng)域的難題。因此，盡管人們很早就致力于對(duì)它的開發(fā)利

10、用。但目前這方面的技術(shù)還不純熟，海洋波浪能研究和利用處于試驗(yàn)研究階段，很多實(shí)驗(yàn)裝置在海上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也有一些裝置正在試運(yùn)行發(fā)電。波浪能發(fā)電技術(shù)還處于發(fā)散狀態(tài)，存在各種技術(shù)沿著不同方向發(fā)展，但發(fā)展趨勢(shì)是不斷地向高效率、高可靠性、低造價(jià)方向發(fā)展，以形成低成本的成熟技術(shù)，最后通過(guò)規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用，可大幅降低發(fā)電成本。多元化和綜合利用是波浪能發(fā)電技術(shù)的另一新動(dòng)向。結(jié)合防波堤等港工和海工設(shè)施建造波浪電站，為波能利用開辟新途徑。波浪電站的建立可以結(jié)合海上工程進(jìn)行，波浪發(fā)電的成本大幅度下降。電站的吸收能作用，可以減輕作用在海工建筑的波浪載荷，增加可靠性。多種可再生資源利用的結(jié)合有發(fā)展空間：如波浪能與太陽(yáng)能、風(fēng)能和海洋熱能的綜合利用；波浪能提取深層海水和供氧以及改善海水牧場(chǎng)和養(yǎng)殖場(chǎng)的養(yǎng)分；利用波浪能清除海洋污染；波浪能海水談化、制氫、提取海洋中的貴重元素等。雖然波浪能發(fā)電技術(shù)還有很多的技術(shù)難題，但在相關(guān)高技術(shù)后援的支持下，海洋波浪發(fā)電技術(shù)日趨成熟，為人類在新世紀(jì)充分利用波浪能展示了美好的前景。 作者：陳韋余順年詹立壘鐘啟茂單位：集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 上一個(gè)文章： 臭氧氧化技術(shù)在微污染水中的應(yīng)用下一個(gè)文章： 餐飲業(yè)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)估