[科普中國]-點(diǎn)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(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電技術(shù)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(gè)數(shù)對(duì)點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行了分類。結(jié)合研究現(xiàn)狀，對(duì)各類點(diǎn)吸收波浪能收集、轉(zhuǎn)化和傳遞方法及其應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了綜合比較和分析。結(jié)果表明:安裝于離岸1025 m處，以多個(gè)振蕩浮子組成的浮子陣列為能量攝取機(jī)構(gòu)，以液壓或直線電機(jī)為能量傳遞方式是目前點(diǎn)吸收波浪能發(fā)電技術(shù)的研究熱點(diǎn)，在波浪能利用領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景2。

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(chǔ)量豐富的特點(diǎn)，日益受到科研工作者的廣泛關(guān)注。至2011年，全世界已經(jīng)了超過4 000種波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)f3-51。根據(jù)查詢中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，1980年后至2014年期間，中國公開的波浪能發(fā)電相關(guān)專利技術(shù)已達(dá)到1 086件，而在歐洲僅2009年就有超過1 000件與波浪能轉(zhuǎn)化相關(guān)的專利技術(shù)公布。波浪能開發(fā)技術(shù)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(diǎn)吸收式等類型吼點(diǎn)吸收式波浪能俘獲技術(shù)主要利用振蕩浮子在波浪力作用下的升沉運(yùn)動(dòng)收集波浪能，由于具有轉(zhuǎn)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(diǎn)，受到了廣泛的重視。對(duì)的157種波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)吸收式技術(shù)研究占比為46.3%，遠(yuǎn)超過其它類型，如圖1所示。目前，點(diǎn)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(shù)，還未見有進(jìn)行過有針對(duì)

點(diǎn)吸收式波浪能技術(shù)的研究現(xiàn)狀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(zhuǎn)化傳遞的方式可將其分為機(jī)械式、水壓式、液壓式、直線電機(jī)式、壓電式和磁流體式等;按照同一套裝置具有振蕩浮子個(gè)數(shù)將其分為單點(diǎn)式、組合式和陣列式。

安裝位置的分類與比較按照安裝位置可將點(diǎn)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(hù)，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(huì)對(duì)岸上環(huán)境造成影響。近岸式裝置一般是安裝在1025 m水深處，即可漂浮在海面上也可附著于海底，目前大多數(shù)點(diǎn)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(yuǎn)離陸地，設(shè)備的安裝和維護(hù)比較困難，而且需要較長的海底電纜將能量輸送到陸地。

機(jī)械式點(diǎn)吸收機(jī)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(shè)備，將浮子的上下升沉運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)軸的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用增速齒輪箱將轉(zhuǎn)速提高，采用飛輪蓄能，最后驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。機(jī)械傳遞裝置具有能量傳遞效率高(可達(dá)90%、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有易被海水腐蝕、維護(hù)成本較高、不容易實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。 2006年美國的浮動(dòng)輪式點(diǎn)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(dòng)輪，系泊繩通過滑動(dòng)輪，一端連接較小配重，另一端固定于海底。當(dāng)浮體隨波浪上下沉浮時(shí)，配重也在上下垂蕩，從而帶動(dòng)系泊繩驅(qū)使滑動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，滑動(dòng)輪連接交流發(fā)電機(jī)輸出電能。圖日本研制的繩輪一棘輪式點(diǎn)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(zhuǎn)動(dòng)式發(fā)電機(jī)上。當(dāng)浮體上升時(shí)，繩輪按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)浮體下落時(shí)，繩輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，繩輪的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)通過棘輪裝置轉(zhuǎn)化為單向轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

山東大學(xué)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(dǎo)繩器、發(fā)電機(jī)組、阻性負(fù)載、圓柱浮體等構(gòu)成，拉繩一端系于海底的重力錨上，另一端經(jīng)導(dǎo)繩器纏繞在發(fā)電機(jī)組的卷筒上，當(dāng)波浪推動(dòng)浮體上升時(shí)，拉繩拖動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，卷筒直接驅(qū)動(dòng)低速同步永磁交流發(fā)電機(jī)發(fā)電;當(dāng)浮體隨波浪下降時(shí)，卷筒在電機(jī)內(nèi)置卷簧的作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收繩，由于卷筒與電機(jī)軸之間裝有超越離合器，卷筒回轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子并不旋轉(zhuǎn)，浮體在下降過程中不發(fā)電，因此具有半波發(fā)電特征。

水壓式點(diǎn)吸收水壓式波浪能發(fā)電裝置一般包括三級(jí)能量轉(zhuǎn)化過程，其工作原理是首先通過振蕩浮子帶動(dòng)軟囊或活塞等裝置將波浪能轉(zhuǎn)換成高壓海水的壓力能，高壓海水驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，水輪機(jī)再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

如圖6為IPS Buoy水壓式波浪能發(fā)電裝置，圖中A為振蕩浮子，加速管B兩端開放，C為活塞，D為水輪機(jī)。浮子A隨波浪上下運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)活塞C垂直運(yùn)動(dòng)，活塞C擠壓加速管內(nèi)部的水柱，被排出的水柱驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)D旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

液壓式點(diǎn)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(dá)等液壓裝置傳遞其波浪能量，也包括三級(jí)能量轉(zhuǎn)化過程，首先浮子吸收波浪能，然后驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化為液壓油的液壓能沖擊液壓馬達(dá)單向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)發(fā)電。美國的Electric Buoy、愛爾蘭的Wave Bob、瑞士的Ocean Harvest等點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置均采用液壓傳遞波浪能。

直驅(qū)式直驅(qū)式點(diǎn)吸收波浪能發(fā)電裝置主要發(fā)電設(shè)備為直線發(fā)電機(jī)。振蕩浮子和永磁直線電機(jī)的動(dòng)子連接為一體，能最大限度地提取波浪能lA。圖13 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(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使得直線電機(jī)的動(dòng)子跟定子之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁力線，完成由波浪能向電能的轉(zhuǎn)換過程。相比旋轉(zhuǎn)發(fā)電系統(tǒng)，直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)將波浪能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要中間轉(zhuǎn)換裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。

圖13 b)所示美國俄勒岡州立大學(xué)的波浪能非接觸轉(zhuǎn)換裝置L-10原理圖，該裝置了非接觸轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)永磁直線發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。該裝置額定功率10 kW的原型樣機(jī)2008年9月在俄勒岡州紐波特進(jìn)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(diǎn)吸收式波浪能技術(shù)的發(fā)展趨勢點(diǎn)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(shí)海況樣機(jī)來測試裝置的性能，并已有多座應(yīng)用該技術(shù)的波浪能示范電站建成。點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置的研究涉及到復(fù)雜的海洋環(huán)境、相關(guān)系統(tǒng)的控制理論、海洋結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性、可靠性等問題，未來發(fā)展趨勢和重點(diǎn)研究的內(nèi)容如下:

1早期的點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電技術(shù)涉及的只是專利申請和理論研究，裝置樣機(jī)在實(shí)際海洋環(huán)境中運(yùn)行的較少。目前，越來越多海試樣機(jī)已投入實(shí)際海況中運(yùn)行，通過實(shí)海況試驗(yàn)研究裝置的結(jié)構(gòu)性能、發(fā)電效率、安全性等問題。

2由于涉及到復(fù)雜的海洋波浪和結(jié)構(gòu)物間的作用，所以通過理論和仿真方法分析裝置結(jié)構(gòu)和性能，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)測試。這種理論計(jì)算結(jié)合模型試驗(yàn)和實(shí)海況測試的研究方法已經(jīng)成為一種趨勢。

3目前大多數(shù)波浪能發(fā)電裝置為小規(guī)模單點(diǎn)式裝置，輸出功率仍在千瓦級(jí)以內(nèi)。只有向大規(guī)?；c綜合化發(fā)展，波浪能利用技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)更好的商業(yè)化利用。因此，同時(shí)具有多個(gè)振蕩浮子的陣列式波浪能發(fā)電裝置，或?qū)⒍鄠€(gè)單點(diǎn)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(jī)容量達(dá)到百萬瓦級(jí)，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(fēng)能發(fā)電裝置相結(jié)合將會(huì)更有利于波浪能相關(guān)裝置的規(guī)?；⒕W(wǎng)利用。

4面對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境，如何把波浪能有效地轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，進(jìn)而產(chǎn)生穩(wěn)定、高效的電能是海洋波浪能技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。通過控制策略的引入，對(duì)海洋環(huán)境因素進(jìn)行反饋，將是未來點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置能否投入實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。可通過相位控制技術(shù)、智能控制算法、負(fù)反饋控制等方式來提高點(diǎn)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(diǎn)吸收式波浪能裝置的生存能力也是未來研究的重點(diǎn)內(nèi)容。研制具有高可靠性(抗臺(tái)風(fēng)、耐腐蝕)、低造價(jià)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(biāo)。

6點(diǎn)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(jī)器人、海上軍事設(shè)施、海上平臺(tái)等提供電力，還可開發(fā)點(diǎn)吸收式波浪能裝置直接驅(qū)動(dòng)的海水淡化技術(shù)，提高波浪能綜合應(yīng)用的能力，解決我國淡水資源嚴(yán)重缺乏的問題。

綜上所述，點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電技術(shù)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(shù)點(diǎn)吸收波浪能發(fā)電裝置屬于近岸式。就波浪能傳遞技術(shù)比較而言，機(jī)械式傳遞效率高，但維護(hù)成本較高，不容易實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié);水壓式對(duì)環(huán)境無污染，但缺點(diǎn)是傳遞效率相對(duì)較低，所捕獲的波浪能能量密度小;液壓傳遞方式技術(shù)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(qū)式波浪能轉(zhuǎn)換裝置直接把波浪能轉(zhuǎn)換成電能，只需要一級(jí)能量轉(zhuǎn)換，省略了二級(jí)能量轉(zhuǎn)換所帶來的費(fèi)用、維護(hù)和能量損耗，具有可靠性高及維護(hù)成本低的優(yōu)勢;磁流體式具有直驅(qū)式的優(yōu)點(diǎn)，但仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段。因而，現(xiàn)階段利用液壓設(shè)備和直線電機(jī)更有利于波浪能量傳遞。與單點(diǎn)吸收式波浪能裝置比較，組合式與陣列式點(diǎn)吸收波浪能裝置可同時(shí)利用多個(gè)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1025 m處，以多個(gè)振蕩浮子組成的浮子陣列為波浪能量攝取機(jī)構(gòu)，液壓或直線電機(jī)為波浪能量傳遞方式的波浪能裝置已經(jīng)成為點(diǎn)吸收波浪能開發(fā)利用技術(shù)的主流和熱點(diǎn)。