我国波浪能发电现状及未来发展探究

王灏　王广大　赵尚

摘要：我国海洋资源丰富，海洋波浪能作为一种清洁能源，有着广阔的开发和利用前景。据此，主要对我国波浪能的储量与分布进行介绍，针对现阶段我国对波浪能发电的技术进展和利用程度进行简要分析，指出波浪能发电存在的各种相关问题，并对波浪能发电的未来进行展望，分析并阐述了波浪能发电对于我国海洋资源和能源战略的意义和重要性。

关键词：海洋波浪能；发电；波能发电装置

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.07.090

0引言

随着全球能源资源和环境问题的突出，特别是以变暖为重要特征的全球气候变化的日趋明显，作为丰富的海洋能源之一，波浪能一直以来受到世界各国的高度关注和重视。在当今能源逐渐枯竭及环境状况日益恶化的形势下，如何有效利用资源丰富、可再生的海洋波浪能，显得十分重要。波浪发电技术就是在现有利用海洋波浪能发电研究的基础上，运用成熟的机械制造及发电技术进行有效的组合，将广阔海岸取之不尽、用之不竭的波浪能低成本地转化为电能，波浪能的利用既是对能源短缺问题的改善，也是对海洋能源合理利用的一种有效方式。

1海洋波浪能的储量和分布

海洋波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，波浪能储量巨大。在每平方公里的海面上，運动着的海浪约蕴藏30万千瓦的能量，全球可供开发的波浪能约30亿千瓦。波浪能由垂直于波浪方向的每米宽度所通过的能量速率（功率）来表征，单位为kW/m，也称为波浪能密度。波浪能密度很大，按海岸线长度计算，在太平洋、大西洋东海岸纬度40°～60°区域，波浪能平均密度可达到30～70kW/m，某些地方达到100kW/m。表1中给出了几种常见的海洋能资源储量，可以看出波浪能的实际可开发量较高，所以波浪能具有很大的开发应用价值。

据调查统计，我国沿岸波浪能资源理论平均功率约为1285.22万千瓦，这些资源在沿岸的分布很不均匀。以台湾省沿岸最多，约为429万千瓦，占全国总量的1/3，其次是浙江、广东、福建和山东沿岸也较多，在160～205万千瓦之间，约为706万千瓦，约占全国总量的55%，其他省市沿岸则很少，仅在143～56万千瓦之间。广西沿岸最少，仅8.1万千瓦。全国沿岸波浪能源密度分布，以浙江中部，台湾，福建省海坛岛以北，渤海海峡为最高，达5.11～7.73千瓦/米。

2波浪能发电的现状

据统计，全世界有近万座小型波浪能发电装置在运行，主要用于航标灯、浮标等。目前利用波浪能发电的方法可分为三类：一是利用海洋波浪能的上下运动所产生的空气流，使汽轮机转动，从而带动发电机发电，如振荡水柱式波浪能发电装置，代表性的装置有英国的LIMPET 500、日本的“巨鲸号”等；二是利用海洋波浪能装置运动（直线往复、摇摆转动）的机械能转化为电能，如振荡浮子式波浪能发电装置，代表性的装置有加拿大的AquaBuoy、荷兰的阿基米德波浪摆、美国的PowerBuoy装置、澳大利亚的CETO装置等，主要通过直线往复形式进行波浪能发电。采用摇摆转动形式进行波浪能发电的如“点头鸭”式波浪能发电装置、摆式发电装置等，代表性的装置有广州能源所研发的“鹰式一号”，英国的Oyster装置等；三是利用波浪能将水引入高位水池积蓄起来，形成一个水头，然后冲击水轮机发电，如越浪式波浪能发电装置，代表性的装置有丹麦的WaveDragon、西班牙的WaveCat波浪装置等。

我国目前正处于实现工业化和信息化的经济高速发展时期，特别是沿海地区对于能源的需求急剧增加，已经成为社会和经济发展的瓶颈，我国国土辽阔，海岛众多，对于海洋开发和国防建设方面占有重要的地位，对于海洋能源的开采也有助于满足海防建设的基本需求。现阶段的波浪能发电，无论从设计水平，还是工艺制造水平来说，均已优于早期，波浪能发电装置是一门集海洋环境科学、流体力学、机电工程、材料学科等于一体的交叉技术，从开始采集波浪能到最终的发电传输使用，涉及方案设计、材料选择、强度校核、机械结构、能量转换和电力传输等各种问题。其中包含了很多关键性的技术难题，从我国现有的波浪能发展现状和科技研究成果来看，对于波浪能发电装置的理论体系和波浪能发电的技术研究尚未形成一套较为成熟和灵活的体系，相关的试验和分析工作仍需继续进行。

3波浪能发电存在的困境

我国现有的波浪能发电应用并不广泛，相比于海上风电的发展，波浪能发电的潜力巨大，但是却并未得到较为有力的支持和发展。原因是多方面的，面临的挑战和问题也是较为严峻的。

（1）技术问题。波浪能发电的种类和方式是多种的，但是我国现有的波浪能发电仍然还以近海和浅水海域的应用居多，我国海洋领土和资源是非常广阔并具有开发前景的，尤其是对深海海域资源的开采和利用将逐渐成为今后新能源利用的一个重要发展方向。深海海域的风浪条件一般较为剧烈，对于长期工作的波浪能发电装置来说，风浪大意味着波浪能量大，从对波浪能的俘获角度来看较为有利。但面临着可能遭遇恶劣的海况，对装置的材料和结构强度的要求很高。而现阶段对深海作业的波浪能发电装置结构和材料的研究还有所欠缺，包括各类浮式波浪能发电装置。

对波浪能发电装置的关键部分——能量转换部分，对该部分的研究也一直是波浪能发电装置的热点研究方向，能量转换部分是将机械能转化为电能的环节，直接关系到电能的转化效率。现有的波浪能发电装置上的发电机一般采用通用的小型三相交流发电机，但是这种发电机并不一定完全适用波浪能发电装置，这也是导致发电效率低的重要因素。如何匹配相适应的发电机，如何更有效的提高电能转换效率，如何有效提高发电量等问题仍需进一步探讨和研究。

（2）成本问题。现阶段波浪能的发电成本比常规热发电要高出10倍左右，这也是阻碍波浪能发电市场化进程的重要因素之一，波浪能发电想要普及和大规模化，必须改进波浪能发电的技术，减少发电成本。水深较深的海域，相适应的波浪能发电装置往往尺寸较大，带来的安装建设费用和难度也相应加大，包括水下部分的系泊固定。

（3）工程问题。一方面，由于海洋环境的变幻莫测性，波浪能发电装置所遭遇的海况也是瞬息万变的，尤其是对深海海域风浪较大的海况下，波浪能发电装置往往面临着损坏的风险。另一方面，海水的腐蚀性对装置的材料耐腐蚀性要求较高，而在考虑方案的时候必须要统筹考虑各因素的影响，现阶段还很难找到较为全面的方案，如何在波浪能发电装置设计阶段去均衡考虑各因素的影响，也是波浪能发电研究的一个难点。

（4）政策标准。与海上风电相比，波浪能发电缺少相关的政策和规范，国家标准和行业标准中涉及波浪能发电的少之又少，对波浪能发电装置的设计方案缺少基本的标准对照，各种试验（如结构强度试验、疲劳试验、发电机型式试验、材料耐腐蚀试验等）也缺少相应的试验标准，这也成为阻碍波浪能发电产业化发展的重要因素。

4波浪能發电的发展

波浪能发电是具有较为广阔发展前景的新能源开发和利用的重要方式，鉴于波浪能发电现状，尽管存在着诸多技术、经济和政策上的难题，但是作为海洋能源的重要组成部分，波浪能一直是清洁能源的代表。现如今在我国对于蓝色海洋的重大发展战略的基础上，对波浪能发电的研究和发展应当加大力度。

（1）在大力发展蓝色海洋经济的背景下，我国海上风能资源、海洋石油资源和海洋生物资源等均有了长足的发展和进步，相应的国家政策、企业和研发机构也对海洋能源的开发和研究予以技术和经济上的支撑。相比之下，海洋波浪能发电的开发似乎力有不足，因此，合理开发海洋波浪能需要国家和政府机构给予政策和发展计划的扶持，刺激和鼓励海洋波浪能发电装置的研发和生产，提升技术水平的同时，宏观调控波浪能发电的并网和电价，鼓励企业创新和研发，并且制定波浪能发电的标准规范。

（2）开发海洋波浪能，需要对波浪能发电的关键技术进行攻克，国内外对波浪能发电装置也一直处于研究之中，为了提高对海洋波浪能的俘获，波浪能俘获的研究已经由原来的单模态运动俘获转为多模态运动俘获，其所带来的技术难度也随之增大。比如，在欧洲相应政策的扶持下，英国的Pelamis公司致力于海洋能源科技的发展，对“海蛇号”波浪能发电装置的研究一直在进行中，“海蛇号”是典型的六模态运动俘获波浪能的波能发电装置，但是其技术难度相当高，其中如何统筹考虑结构强度、材料腐蚀、设备维护、电力储存或传输等问题一直都是研究的关键点，Pelamis公司多年来已经在“海蛇号”的技术攻克上取得了很大的进步。相比之下，我国对于这类多模态俘获波浪能的波能装置并未有较多的研究。我们可以借鉴并学习国内外优秀的波能装置研发策略和技术，形成适合在我国海域基于我国海洋海况条件可投入使用的波能发电装置。

（3）在对波能发电装置的研究同时，要注意与环境的契合与协调，许多海洋能源开发的装置并未考虑到环境的保护问题，在投入使用和运营以后便置之不理，不仅造成了海洋污染，同时制造了“海上垃圾”妨碍着海运和航运船只的正常航行，在国家倡导科学发展观的前提下，对海洋清洁能源的开发和利用也必须要注意对海洋的保护，在设计研发到安装建设，整个环节必须都要考虑到对海洋环境的影响，避免出现“绿色能源不绿色”的现象。

5结论

我国海洋资源丰富且开发潜力巨大，波浪能的开发意义和前景非常大，如果开发得当，既可以缓解现如今能源危机的压力，也具有现实的经济效益和战略意义。现阶段的波浪能发电由于技术条件的限制未具有发电推广性，仍然以小型波浪发电作为主要应用，但是要与常规能源发电竞争，必须要往大型化和大规模化发电的方向发展，不仅可以实现能源的优化配置，也是节能减排的有效动力，对我国的能源开发和经济发展有着积极的促进作用。