海洋中的波浪的绝大部分是由风对海面的扰动引起的。风的能量来自太阳。所以说海洋波浪能是一种可再生能源。据世界能源委员会的调查显示,全球可利用的波浪能达到20亿千瓦,相当于目前世界电产量的2倍。
波浪能具有以下优点:1.波浪能以机械能形式出现,是海洋能中品位最高的能量;2.波浪能的能流密度最大,在太平洋、大西洋东海岸纬度40~60°区域,波浪能可达到30~70kW/m,某些地方达到100kW/m;3.波浪能是海洋中分布最广的可再生能源——大海里很难找到没有波浪的地方。这意味着:(1)波浪能可通过较小的装置实现其利用;(2)波浪能不仅可以提供可观的廉价能量;(3)波浪能可以为边远海域的国防、海洋开发等活动提供能量。因此,世界各海洋大国均十分重视波浪能利用研究。
一、波浪能利用技术
关于波浪能转换的各种专利已超过1500项。波浪能装置千变万化,但通常具有两个部分:第一部分为采集系统,作用是俘获波浪能;第二部分为转换系统,即把俘获的波浪能转换为某种特定形式的机械能或电能。采集系统的形式有振荡水柱式(OWC)、振荡浮子式(Buoy)、摆式(Pendulum)、鸭式(Duck)、筏式(Raft)、收缩坡道式(Tapchan)、蚌式(Clam)等,提高波浪能俘获量的技术有通过波浪绕射或折射的聚波技术,以及通过系统与波浪共振的惯性聚波技术。转换系统有空气叶轮、低水头水轮机、液压系统、机械系统以及发电机等,提高转换效率的方法有可控叶片、变阻尼、整流、定压等,提高能量质量的方法有能量缓冲和调励磁等。
目前最常见的是振荡水柱+空气叶轮的波浪能装置,装机容量1kW以下的大约有1000多个,用于为导航浮标供电,已经走向商业化(图1);装机容量数十到数百kW的波浪能装置大约有10座左右。最大的一座是欧盟建造的2MW装置Osprey,可惜在下水时破损。成功建成的有英国和挪威的500kW装置各一座(图2),葡萄牙400kW装置一座,日本120kW装置一座、40kW装置一座、1kW以下装置600余个,我国100kW装置一座、20kW装置一座、1kW以下装置700余个。该装置的优点在于采用空气传递能量,避免波浪对脆弱的发电系统的直接打击;其缺点是空气叶轮转换效率不高,特别是在小浪时;而且发电不稳定,对于10kW以上的波浪能装置须与柴油机或电网并联才能正常工作。
振荡水柱+空气叶轮的波浪能装置
振荡水柱+空气叶轮的波浪能装置
除了振荡水柱+空气叶轮之外,目前较为成功的波浪能装置还有振荡浮子式、摆式、筏式与液压系统的组合。
英国的Pelamis装置(图3)采用筏式+液压系统,装机容量达到700kW,是目前世界上装机容量最大的波浪能装置。该装置的优点在于采用了蓄能器,输出稳定,抗风浪冲击能力强。缺点为俘获波浪能效率不高。
振荡水柱+空气叶轮的波浪能装置
振荡浮子+液压系统是目前发展势头最猛的波浪能装置。该技术采用浮子俘获波浪能,通过与浮子连接的液压装置将波浪能转换成液压能,再通过发电机转换成电能,或通过其它设备制造淡水或冰。
振荡浮子技术发展迅速的原因是:1.俘获波浪能效率以及转换效率均高;2.振荡浮子制造相对最为简单;3.采用液压系统,能量容易汇集,形成大规模发电系统;4.可以提供电力,也可以提供非电力的动力,实现一机多用。
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。其中,英国Wavebob公司研制的装置有望在2005年实现小比例的实海况实验,2006年开始正式发电,预计把电送上岸的电价为3~5欧分(eurocents)/kWh。荷兰的Teamwork Tech"hylanda"> 总的来说,我国的波浪能转换研究进步是明显的,在世界上也有一定影响,目前可以进入示范阶段,但尚未进入商业开发阶段。波浪能利用在技术上并未完全成熟,还需要国家进一步的支持。