[科普中國]-海洋波浪能

簡介

海洋中有豐富的波浪能和水，波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能，波浪能具有能量密度高，分布面廣等優(yōu)點。它是一種最易于直接利用、取之不竭的可再生清潔能源。尤其是在能源消耗較大的冬季，可以利用的波浪能能量也最大。

21世紀是海洋的世紀，人類從大海中利用資源已成為必然趨勢。海浪總是周而復始，晝夜不停地拍打著海岸，其中所蘊藏的波浪能是一種取之不盡的可再生能源，有效利用巨大的海洋波浪能資源是人類幾百年來的夢想。波浪能的基本元素是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面的寬度成正比。地球表面有超過70%以上面積是海洋，廣大的海洋面積在吸收太陽輻射之后，可以說是世界最大的太陽能收集器，溫暖的地表海水，造成與深海海水之間的溫差，由于風吹過海洋時產(chǎn)生風波，這種風波在寬廣的海面上，風能以自然儲存于水中的方式進行能量轉(zhuǎn)移，因此波浪能可以說是太陽能的另一種濃縮形態(tài)。同時，波浪能是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源。波浪能是由風把能量傳遞給海洋而產(chǎn)生的，它實質(zhì)上是吸收了風能而形成的，它的能量傳遞速率和風速有關(guān)。1

基本元素破壞力海浪的破壞力大得驚人。撲岸巨浪曾將幾十噸的巨石拋到20米高處，也曾把萬噸輪船舉上海岸。海浪曾把護岸的兩、三千噸重的鋼筋混凝土構(gòu)件翻轉(zhuǎn)。許多海港工程，如防浪堤、碼頭、港池，都是按防浪標準設計的。

在海洋上，波浪中再大的巨輪也只能像一個小木片那樣上下漂蕩。大浪可以傾覆巨輪，也可以把巨輪折斷或扭曲。假如波浪的波長正好等于船的長度，當波峰在船中間時，船首船尾正好是波谷，此時船就會發(fā)生“中拱”。當波峰在船頭、船尾時，中間是波谷，此時船就會發(fā)生“中垂”。一拱一垂就像折鐵條那樣，幾下子便把巨輪攔腰折斷。20世紀50年代就發(fā)生過一艘美國巨輪在意大利海域被大浪折為兩半的海難。此時，有經(jīng)驗的船長只要改變航行方向，就能避免厄運，因為航向改變即改變了波浪的“相對波長”，就不會發(fā)生輪船的中拱和中垂了。

傳遞速率波浪能是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源。波浪能是由風把能量傳遞給海洋而產(chǎn)生的，它實質(zhì)上是吸收了風能而形成的。能量傳遞速率和風速有關(guān)，也和風與水相互作用的距離（即風區(qū)）有關(guān)。水團相對于海平面發(fā)生位移時，使波浪具有勢能，而水質(zhì)點的運動，則使波浪具有動能。

消散速度貯存的能量通過摩擦和湍動而消散，其消散速度的大小取決于波浪特征和水深。深水海區(qū)大浪的能量消散速度很慢，從而導致了波浪系統(tǒng)的復雜性，使它常常伴有局地風和幾天前在遠處產(chǎn)生的風暴的影響。

波浪可以用波高、波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波周期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特征來描述。

分布計算南半球和北半球40°～60°緯度間的風力最強。信風區(qū)（赤道兩側(cè)30°之內(nèi)）的低速風也會產(chǎn)生很有吸引力的波候，因為這里的低速風比較有規(guī)律。在盛風區(qū)和長風區(qū)的沿海，波浪能的密度一般都很高。例如，英國沿海、美國西部沿海和新西蘭南部沿海等都是風區(qū)，有著特別好的波候。而我國的浙江、福建、廣東和臺灣沿海為波能豐富的地區(qū)。

雖然大洋中的波浪能是難以提取的，因此可供利用的波浪能資源僅局限于靠近海岸線的地方。但即使是這樣，在條件比較好的沿海區(qū)的波浪能資源貯量大概也超過2TW。據(jù)估計全世界可開發(fā)利用的波浪能達2.5TW。我國沿海有效波高約為2～3m、周期為9s的波列，波浪功率可達17～39kw/m，渤海灣更高達42kw/m。

波浪能的大小可以用海水起伏勢能的變化來進行估算，即 P=0.5TH2（P為單位波前寬度上的波浪功率，單位 kw/m；T為波浪周期，單位s；H為波高，單位m，實際上波浪功率的大小還與風速、風向、連續(xù)吹風的時間、流速等諸多因素有關(guān))。因此波浪能的能級一般以kw/m表示，代表能量通過一條平行于波前的1m長的線的速率。

開發(fā)技術(shù)從上世紀70年代石油危機開始，各國開始將注意力轉(zhuǎn)移到利用本地資源和尋找適宜廉價的能源上。海洋是孕育人類的搖籃，地球上75%的面積都是海洋，人類向大海索取資源已成為必然的趨勢。波浪發(fā)電是繼潮汐發(fā)電之后發(fā)展最快的海洋能源利用形式，到目前為止，世界上已有日本、英國、愛爾蘭、挪威、西班牙、瑞典、丹麥、印度、美國等國家相繼在海上建立了波浪發(fā)電裝置。100多年來各國科學家提出了300多種設想，發(fā)明瞭各種各樣的發(fā)電裝置，但普遍存在發(fā)電功率小、發(fā)電品質(zhì)差、單機容量在千瓦級以下等缺陷。因而波浪發(fā)電技術(shù)仍未達到普及的應用水準。

波浪能是可再生能源中最不穩(wěn)定的能源，波浪不能定期生產(chǎn)，且具有能量強但速度慢和周期變化的特點?，F(xiàn)有的有關(guān)波浪發(fā)電技術(shù)的不足在於，采能的效率低，被轉(zhuǎn)換的二次能不穩(wěn)定，以及對海域環(huán)境的適應性差。

波動氣筒增壓換能裝置

波動氣筒增壓換能裝置，包括2個部分，一部分是在海面上浮動構(gòu)建的一個用於接收及換能的功能裝置，該裝置包括內(nèi)為高壓集氣室的浮球、活塞室，及與活塞室貫通且由浮球中部穿設沿至海中的氣筒管。活塞室上開通道口，并經(jīng)高壓導氣管連至浮子高壓集氣室的側(cè)開口，在高壓集氣室的側(cè)開口處設止回流單向閥，在活塞室上方位於通道口的兩側(cè)還開有經(jīng)碟型閥門控制的小進氣口。另一部分是與活塞室內(nèi)的活塞體連設的活塞推進桿，該活塞推進桿下端連設一級以上的阻力障板。

工作過程波動氣筒增壓換能裝置的工作過程是，浮球受到波浪能作用上浮，帶動氣筒管向上運動，而活塞體相對於氣筒管是已相對固定的支撐點，此時活塞室的增壓室（即由活塞體隔離成的上氣室）的體積增大，碟型閥門打開，氣體被吸入；當波浪能消失，浮球受地心引力的作用以一定的速度下沉，使增壓室體積變小，氣體壓力增大，碟型閥門關(guān)閉，止回流單向閥打開，涌動的高壓氣體通過氣體導管注入浮球的高壓集氣室內(nèi)，以實現(xiàn)將波浪能轉(zhuǎn)化為可直接利用的二次能。

波動活塞換能裝置

波動活塞換能裝置包括3個部分。一是在海面上構(gòu)建一個用於接收及換能的高位水庫。二是水庫下方設置的采能系統(tǒng)單元，它包括一組置入海里的活塞筒及內(nèi)含的活塞體，活塞體上方為與其貫通的增壓管，同時一個浮于海平面的浮球套設在活塞筒及增壓管上，在增壓管中設有止回流單項閥，在活塞體上設有進水增壓單向閥。三是，在活塞體底端連設一級以上的阻力障板。

波動活塞換能裝置的工作過程是，活塞筒運動，活塞體相對於活塞筒為一相對固定的支撐點，在波浪能的作用下，把海水增壓并注入到居於高位的水庫中以實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。波動活塞換能裝置應注意，置於海域內(nèi)的活塞筒與其內(nèi)含的活塞體之間的配合長度應大於所置海域的最大波高。

上述在海面上構(gòu)建的高位水庫與主體結(jié)構(gòu)為一體，其高度是由設計水頭高度要求決定的，它給二次能的應用提供了一個固定高度的水頭穩(wěn)定的能源。在波浪能的作用下，把海水增壓并注入到居於高位的水庫中，就實現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換的目的。

優(yōu)點波動氣筒增壓換能裝置和波動活塞換能裝置都具有結(jié)構(gòu)簡單，易於實施，適應于各種環(huán)境的海域，且能量轉(zhuǎn)換效率高、品質(zhì)高的優(yōu)點。波動氣筒增壓換能裝置和波動活塞換能裝置，把無序的波浪能一次地轉(zhuǎn)換為可直接利用的穩(wěn)定的二次能源。這兩項技術(shù)都可直接用於發(fā)電，建立海上工廠，應用於海水淡化、制氫以及錳結(jié)核的開采。

開發(fā)利用波浪能量如此巨大，存在如此廣泛，自古吸引著沿海的能工巧匠們，想盡各種辦法，企圖駕馭海浪為人所用。

波浪所蘊涵的能量主要是是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面的寬度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源。臺風導致的巨浪，其功率密度可達每米迎波面數(shù)千kW，而波浪能豐富的歐洲北海地區(qū)，其年平均波浪功率也僅為20~40kW/m中國海岸大部分的年平均波浪功率密度為2~7kW/m。

全世界波浪能的理論估算值也為109kW量級。利用中國沿海海洋觀測臺站資料估算得到，中國沿海理論波浪年平均功率約為1.3X107kW。但由于不少海洋臺站的觀測地點處于內(nèi)灣或風浪較小位置，故實際的沿海波浪功率要大于此值。其中浙江、福建、廣東和臺灣沿海為波能豐富的地區(qū)。

將波浪能收集起來并轉(zhuǎn)換成電能或其他形式能量的波能裝置有設置在岸上的和漂浮在海里的兩種。

按能量傳遞形式分類有直接機械傳動、低壓水力傳動、高壓液壓傳動、氣動傳動4種。

其中氣動傳動方式采用空氣渦輪波力發(fā)電機，把波浪運動壓縮空氣產(chǎn)生的往復氣流能量轉(zhuǎn)換成電能，旋轉(zhuǎn)件不與海水接觸，能作高速旋轉(zhuǎn)，因而發(fā)展較快。

波力發(fā)電裝置五花八門，不拘一格，有點頭鴨式、波面筏式、波力發(fā)電船式、環(huán)礁式、整流器式、海蚌式、軟袋式、振蕩水柱式、多共振蕩水柱式、波流式、擺式、結(jié)合防波堤的振蕩水柱式、收縮水道式等十余種。

全世界波浪利用的機械設計數(shù)以千計，獲得專利證書的也達數(shù)百件，因此波浪能利用被稱為“發(fā)明家的樂園”。

最早的波浪能利用機械發(fā)明專利是1799年法國人吉拉德父子獲得的，他們嘗試為一種可以附在漂浮船只上的巨大杠桿申請專利，它可以隨海浪一起波動來驅(qū)動岸邊的水泵和發(fā)電機。1854－1973年的119年間，英國登記了波浪能發(fā)明專利340項，美國為61項。在法國，則可查到有關(guān)波浪能利用技術(shù)的600種說明書。

早期海洋波浪能發(fā)電付諸實用的是氣動式波力裝置。道理很簡單，就是利用波浪上下起伏的力量，通過壓縮空氣，推動汲筒中的活塞往復運動而做功。1910年，法國人布索．白拉塞克在其海濱住宅附近建了一座氣動式波浪發(fā)電站，供應其住宅l000瓦的電力。這個電站裝置的原理是：與海水相通的密閉豎管中的空氣因波浪起伏而被壓縮或抽空稀薄，驅(qū)動活塞做往復運動，再轉(zhuǎn)換成發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)運動而發(fā)出電力。

1960年代，日本研制成功用于航標燈浮體上的氣動式波力發(fā)電裝置。此種裝置已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)品額定功率從60瓦到500瓦不等。產(chǎn)品除日本自用外，還出口，成為僅有的少數(shù)商品化波能裝備之一。該產(chǎn)品發(fā)電的原理就像一個倒置的打氣筒，靠波浪上下往復運動的力量吸、壓空氣，推動渦輪機發(fā)電。

有關(guān)專家估計，用于海上航標和孤島供電的波浪發(fā)電設備有數(shù)十億美元的市場需求。這一估計大大促進了一些國家波力發(fā)電的研究。

1970年代以來，英國、日本、挪威等國為波力發(fā)電研究投入大量人力物力，成績也最顯著。英國曾計劃在蘇格蘭外海波浪場，大規(guī)模布設“點頭鴨”式波浪發(fā)電裝置，供應當時全英所需電力。這個雄心勃勃的計劃，后因裝置結(jié)構(gòu)過于龐大復雜成本過高而暫時擱置。

1980年代，日本“海明”波浪發(fā)電試驗船取得年發(fā)電19萬度的良好成績，實現(xiàn)了海上浮體波浪電站向陸地小規(guī)模送電。日本已將“海明”波浪發(fā)電船列為“離島電源”的首選方案，繼續(xù)研究改進。

中國波力發(fā)電研究成績也很顯著。1970年代以來，上海、青島、廣州和北京的五六家研究單位開展了此項研究。用于航標燈的波力發(fā)電裝置也已投入批量生產(chǎn)。向海島供電的岸式波力電站也在試驗之中。234