近年来, 随着传统能源资源(煤、石油等)的日益枯竭, 新能源的开发和利用备受关注, 我国大陆岸线1.8×10⁴ km, 岛屿岸线资源、海洋可在生能源资源十分丰富, 根据“我国近海海洋综合调查与评价”结果分析, 我国海洋能资源(包括潮汐能、波浪能、温差能和风能等)的装机总容量超过15.8×10⁸ kW, 但海洋能资源的开发相对缓慢, 部分离岸海岛仍没有电力供应, 严重制约了我国沿海经济的发展。为了缓解能源的压力、调整国家能源结构和发展海洋经济, 解决海岛用电问题, 开发利用海洋波浪能资源已迫在眉睫。波浪能资源作为海洋可在生能源的一种, 具有独特的优点, 相对于传统能源而言, 其优点在于:可再生性, 海洋中分布广泛, 终而复始; 时间规律性, 波浪能的变化会随年、季、月周期性变化; 局部区域能流密度大, 波浪能流密度与波高、周期有关, 局部区域波高、周期大, 波浪能流密度亦很大; 清洁无污染, 波浪能的开发利用不会影响海洋及大气环境。

我国海洋波浪能资源十分丰富, 大力开发和利用海洋能资源对于我国实行可持续发展战略, 缓解常规能源紧张带来的能源问题具有重大战略意义。本文给出了目前国内外海洋波浪能资源发电技术中应用的主要波浪能资源开发装置及存在问题, 基于ERA-Interim再分析数据数值计算了1985—2015年30年的中国海域波浪能资源分布, 得到了中国海域波浪能资源分布富集区域, 并结合不同海岸岸线及海底类型给出了中国海域波浪能资源开发利用发电装置的适用性建议, 为实用化、商业化海洋波浪能资源选址提供了科学依据。

1 中国海域波浪能资源分布综合评估

目前世界各国普遍开展了波浪能资源的评估的研究。起初波浪能评估的研究主要以现场观测为主^[1], 但无法获取长时连续的观测资料。随后波浪能评估主要采用全球数值预报模式进行^[2-3]。郑崇伟等^[4]利用2013年以前5年的实测海浪数据, 对台湾周边海域的波浪能资源进行分析。万勇等^[5]利用ERA- Interim再分析数据评估了2013年以前渤、黄、东海的波浪能状态分布, 但未对南海海域波浪能进行评估。本文数值计算了中国海域30年的波浪能数据, 系统地对中国海域的波浪能进行了评估, ERA-Interim再分析数据较全面地给出了全球波浪能分布, ERA- Interim是欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的全球大气数值预报再分析资料, 空间分辨率为0.125°× 0.125°, 时间分辨率为6 h。研究区域105°~135°E, 5°~43°N。波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。Roger利用WW-Ⅲ数值计算了波浪能流密度, 本文采用美国Ectric Power Research Institute波浪能流密度评估方法来估算1985—2015中国海域波浪能:

$ {P_{\rm{m}}} = 0.5{H^2}T $

(1)

式中, P_m是波浪能密度(单位: kw/m), H是1/3大波高(m), T是平均周期(s)。

应用ERA-Interim计算得到的波浪能流密度年平均的变化分布特征。在波浪能评估中, 大于2 kW/m时可用, 中国海域波浪能主要集中在南海海域及台湾以东海域, 东海海域、黄海海域波浪能分布一般, 渤海海域波浪能分布最少。春季, 中国近海海域波能密度减幅较大, 大值可达7 kW/m以上; 夏季和春季相比, 中国近海海域波能密度有增大, 大值可达10 kW/m以上; 中国近海海域秋季波能密度继续增大, 大值可达13 kW/m以上; 中国近海海域冬季波浪能最丰富, 大值可达16 kW/m以上。综上中国近海海域波能资源秋季和冬季较丰富。

2 国内外波浪能资源发电装置研究现状及存在问题

波浪能资源的发开和利用可追溯到1799年, 法国最早开发了波浪能转换设备, 18世纪末英国爱丁堡大学能源工程学院研究开发海洋波浪能资源, 随后挪威、葡萄牙、美国、澳大利亚和日本等国家相继开发了波浪能资源利用发电装置, 逐渐涌现出了波浪能利用及转换技术, 其目前国际上主流的波浪能资源利用及转换技术包括:振荡水柱式、越浪式、摆式。近年来, 波浪能的开发利用技术逐渐由固定式到浮式, 从刚性连接结构到柔性连接结构, 通过改变波浪能装置来提高波能利用效率和装置的转换效率。

2.1 国外现状

目前波能发电装置有振荡水柱式、收缩波道式、摆式等, 本文将从发电原理及各国的研究现状对波能发电装置进行综述。

2.1.1 振荡水柱式波能转换装置

振荡水柱式波能发电装置(oscillation water column, OWC)是一种利用波浪运动带动充气舱与外界大气之间压力差变化的波浪能发电装置, 当波浪上升及回落时, 高速气流与空气水轮机相连的发电机发电, 由于采用的可变螺距涡轮叶片, 空气不论沿哪个方向流出都会引起涡轮的同方向旋转, 把转轮叶片的动能转化为电能。图 1给出了振荡水柱装置图, 目前振荡水柱装置的安装位置一般在近岸海底, 在深海可以利用锚泊系统进行安装。目前已经建成的振荡水柱装置:英国Wavegen公司的LMPET (land installed marine powered energy transformer)固定岸式500 kW电站、澳大利亚Uisce Beatha的500 kW离岸电站(图 2)、挪威500 kW岸式电站和葡萄牙400 kW固定岸式电站等。

在振荡水柱式波能转换装置的基础上进一步研究发明了振荡浮子式波能转换装置(oscillating-body, OB), 它是由浮动装置(浮子)依靠自身的浮力沿由系锚装置固定的二级浮子做相对运动, 由动能转化为电能。由于振荡浮子式装置的运动没有方向性, 又称其为“点吸式”。目前振荡浮子式波能转换装置较成熟的是750KWD的英国Pelamis装置^[6], 该设备在苏格兰试验后安装到葡萄牙, 已经进入商业运行阶段。由海洋电力技术公司开发的小型(40~250 kW)的Power Buoy已安装在美国夏威夷、新泽西及西班牙的北部海岸。此外, 正在研发中的振荡浮子式波浪能发电装置还有爱尔兰的Wavebob, WET-NZ、英国的archinedes wave swing (AWS)^[7-8]及巴西的高压发电装置等。

2.1.2 越浪式波能转换装置

收缩波道式波浪能转换装置式越浪式的一种, 它是将波浪集中到一个高于自由水平面的蓄水装置中, 把波浪能转化为水的势能, 形成水头差, 利用水的势能转化为水轮发电机的机械能进行发电, 其工作原理是类似于水利工程中的坝体发电装置。收缩波道式装置可以建设为浮式, 也可建设在海岸线上及防波堤内。越浪式波能装置主要包括收缩波道技术(tapered channel)、槽式技术(sea slot-cone generator)和波龙(wave dragon)。已经研制成功有丹麦的Wave Dragon波力发电装置、挪威350KW收缩波道式电站、挪威的SSG槽式波能发电装置等。

2.1.3 摆式波能转换装置

摆式波浪能转换装置是利用海水波动推动摆板来回摆动吸收波浪的能量。摆式波浪能转换装置悬分为挂摆式波浪能发电装置和浮力摆式波浪能波浪能发电装置。挂摆式波浪能发电装置的摆动板的轴在上方, 摆板在下方摆动, 像钟摆一样, 故称为悬挂摆; 浮力摆的摆板为空心的板状体, 摆板有两个摆板臂, 在摆板臂上有摆板的主轴, 在摆板体上有活塞杆支座。活塞杆通过轴联接浮力摆, 活塞杆可在液压缸中来回移动。图 3给出了摆式波浪能发电装置图, 相比其他装置而言, 摆式波能发电装置成比较低且效率高, 但维修较困难。目前英国Aquamarine Power公司研发的Oyster式装置和芬兰AW-Energy研发的WaveRoller式装置^[9]已经成熟应用。

2.1.4 筏式波浪能转换装置

筏式波浪能转换装置是由筏体、铰接链和液压系统组成, 筏式波浪能转换装置布置方式为顺波浪方向, 波浪运动带动筏体运动, 把波浪能转换为筏体运动的机械能。英国的海蛇筏式波浪能转换装置是由多节圆筒状的浮筒铰接组成, 筒间的铰链可上下左右方向弯曲, 漂浮在海面上, 其首部朝向波浪来的方向, 随波浪上下左右扭动, 像蛇一样, 故称之为海蛇, 图 4给出了筏式波浪能发电装置图。2008年9月葡萄牙建造的世界第一座商用波浪能发电厂, 通过3根140 m长的“红色海蛇”和连接在葡萄牙北海面海床处的圆柱形波浪能转换器, 将波浪能转化为电能, 然后通过海底电缆中转站, 最终注入电网。

2.2 国内现状

我国波浪能资源潜在量约为770×10⁴ kW, 资源较富集的省份是广东省, 其次为福建省、浙江省和海南省。我国近代的波浪能研究始于1968年, 航空工业部623所的樊世荣研究了基于水翼原理的波浪能资源发电装置。由上海市机电局牵头1975年研制了1 kW的波浪能资源发电浮标并在浙江省嵊山岛附近进行了试验, 1977年又研制了小型航标灯用波浪能资源发电装置并在长江口的横沙岛附近进行了试验。1980年开始波浪能资源发电装置的研究发展迅速, 中国科学院广州能源研究所、中国海洋大学、华南理工大学、国家海洋技术中心和中船重工第710研究所等开始从事波浪能利用技术研究, 其中研究的波能装置主要包括:固定式振荡水柱、漂浮式和摆式等波能装置。小型固定式和用于航标灯的波浪能发电装置已进入商业化运行阶段。1990年由中科院广州能源研究所研发的3 kW岸式波浪能发电装置试验正常运行发电, 1996年又相继研发了5 kW发电船和20 kW岸式波浪能发电装置。同年国家海洋局海洋技术中心研发了30 kW摆式波浪能发电装置, 该装置在青岛即墨大官岛成功运行, 其平均输出功率可达到30 kW^[10]。2005年中国科学研究院广州能源研究研发了100 kW的岸式波浪能发电装置发电^[11]。为了给远海岛屿供电, 2009年中国海洋大学研发了6 kW的小型越浪式波浪发电装置。2015年11月, 广州能源研究所在珠海市万山岛海域顺利投放了鹰式波浪能发电装置“万山号”, 该装置长36 m, 宽24 m, 高16 m, 为半潜驳与波浪能转换设备的结合体, “万山号”前期装机120 kW装置在小于0.5 m浪高的波况下频繁蓄能、发电。我国计划到2020年, 在海南、广东、山东各建1座1 000 kW级的岸式波力电站^[12]。

2.3 存在问题

虽然波浪能发电装置的研发已取得了很多成果和进展, 但相对与太阳能、风能等清洁能源利用装置而言, 波浪能发电装置尚未普遍使用, 主要原因可归结为以下两点。

(1) 发电成本较高

据相关计算, 常规的热发电的成本仅为海洋波浪能的发电成本的十分之一^[13-14], 如此高的成本费用已成为制约波浪能发电装置商业化运行的主要因素。只有采用先进的高效的波浪能发电装置, 合理控制发电成本, 达到低成本高收益水平时, 波浪能发电装置方可普及。

(2) 发电效率较低

海洋中的波浪是非线性变化的, 波浪能发电装置无法获得稳定输入的能量, 本文统计了国内外的研究资料, 对不同发电装置的转换效率进行了对比。振荡水柱式波能转换装置、摆式波能转换装置和筏式波浪能转换装置需要三级能量转换, 越浪式波能转换装置需要两级能量转换, 平均转换效率在10%~30%, 表 1给出了不同波浪能资源发电装置及其转换效率。

3 中国海域波浪能发电装置适用性

中国海域广阔, 波浪能的分布不均匀, 不同海域季节变化亦很大, 本文给出了波浪能分布富集区域并根据不同海域岸线资源特点选择合适的发电装置, 给出了不同波浪能发电海域的适用季节。

渤海海域海域面积7.7万km², 平均水深18 m。波浪能分布较丰富区域为山东半岛北部, 西起莱州湾莱州附近, 东至山东半岛北岸的蓬莱角, 由于该处海岸线多为基岩岸线, 建议适用固定近岸式振荡水柱式和摆式波能转换装置。考虑到渤海湾冬季结冰问题, 适用季节建议秋季和冬初。

黄海海域海域面积约38万km², 平均深度44 m。波浪能分布较丰富区域为山东半岛东部海域(威海)和江苏沿海海域(北起连云港, 南至南通沿海)。山东半岛东部海域(威海)以基岩海岸为主, 建议适用固定近岸式振荡水柱式和摆式波能转换装置; 江苏沿海海域(北起连云港, 南至南通沿海)以淤泥质海岸为主, 建议适用筏式波浪能转换装置, 适用季节建议秋季和冬季。

东海海域海域面积77万km², 东海大陆架平均水深72 m, 波浪能分布较丰富区域为舟山群岛附近海域和福建沿海海域(北起温州, 南至莆田)。舟山群岛附近海域主要以离岸岛为主, 建议适用振荡浮筒式波浪能发电装置; 福建沿海海域(北起温州, 南至莆田)以基岩海岸为主, 建议适用固定近岸式振荡水柱式和摆式波能转换装置, 适用季节建议春季、秋季和冬季。

南海海域海域面积最广, 约有356万km², 波浪能分布较丰富的近岸区域主要从汕头海域到珠江口万山海域, 汕头海域到珠江口万山海域以基岩海岸为主, 建议适用固定近岸式振荡水柱式和摆式波能转换装置, 由于附近海域波能资源丰富, 亦可适用于振荡浮子式和筏式波浪能转换装置, 适用季节建议春季、秋季和冬季。

本文给出了波浪能分布富集区域并根据不同海域岸线资源特点选择合适的发电装置, 给出了不同波浪能发电海域的适用季节。对于波能丰富的海域而言, 建议发电装置存在两种以上的, 可以从综合效率入手选择综合效率较高者。

4 结论及建议

通过对中国海域波浪能资源分布及波浪能发电装置适用性研究分析与研究得到以下结论及建议:

(1) 分析了波浪能资源的成因与优缺点, 全面综述了国内外波浪能资源开发利用现状, 系统总结了国内外海洋波浪能资源发电技术中应用的主要波能装置, 波浪能发电装置主要从波能资源发电装置有振荡水柱式、收缩波道式、摆式等进行对比分析。

(2) 基于ERA-Interim再分析数据数值计算了1985—2015年30年的中国海域波浪场, 给出了中国海域的平均波浪能流密度和季节特征, 从而获取高波能区域, 中国海域波浪能资源主要集中在南海海域及台湾以东海域, 东海海域、黄海海域波浪能资源分布一般, 渤海海域波浪能资源分布最少, 中国近海海域波能资源秋季和冬季较丰富。

(3) 给出了波浪能分布富集区域并根据不同海域岸线资源特点选择合适的发电装置, 给出了不同波浪能发电海域的适用季节, 为实用化、商业化海洋波浪能选址提供了科学依据。