海洋波浪能：资源与环境问题研究

波浪能是一种密度低、不稳定、无污染、可再生、储量大、分布广、利用难的能源，各国都在积极研究波浪能开发和利用装置。目前，世界各地出现了形形色色的海洋波浪能利用装置，其种类是各种海洋能开发装置中最多的。波浪能开发装置主要是波浪能发电装置。波浪能发电装置的原理是：通过波浪能吸收装置吸收波浪能；通过波浪能转换装置将波浪能吸收装置吸收的波浪能放大并转换成机械能；通过原动机/发电机系统将波浪能转换装置转换得到的机械能转化成电能，并输出电能，即波浪能→机械能→电能。

波浪的运动形式是比较复杂的，主要有以下三种：海水表面的垂直方向的振荡运动；水体中水质点的圆周运动或椭圆形轨迹的运动；在浅水区域波浪水质点的往复运动。根据波浪能发电装置利用的波浪动能、发电装置的构造和工作过程，把波浪能发电装置分为五种类型。

1.利用波浪水质点垂直运动的发电装置

(1)浮体垂直摆荡式或称漂浮式

利用可以漂浮在海面上的浮体，在和海面垂直的平面内由波浪推动着振荡或摆动，由此获得机械能(图2-14)。

图2-14　垂直振荡式浮体的几种设计形式

(2)气柱振荡式

这种波浪能开发装置既有浅海固定、浅海锚泊的，也有海岸式的，其共同的特点是具有一个下端开口的空腔，其下半部分为海水，上半部分为空气。其中的水柱可以和具有某种频率的波浪激发产生共振，推动空气柱做功。当海浪起伏时，空腔内的水位随着波浪升降，压出或吸入空气，形成一股高速气流，气流使空气涡轮机旋转，带动发电机而发电，见图2-15。

图2-15　岸式(左)和离岸固定式(右)气柱振荡波浪能发电装置结构示意图

2.利用流体静压力的变动的发电装置

(1)整流式

利用两组阀门的开闭使流经这种装置的水流单向流过水轮机做功发电。波浪产生的压力迫使引向水池的门打开，贮水池充水，当内部流体静压力超过了波浪产生的力，门就关闭。收集在贮水池内的水通过水轮机流入集水池。集水池充水，直至波浪产生的作用力在排出门上的压力变得小于集水池内流体静压力时排出门打开，集水池内部分水排出。当外部自由表面开始上升时，排出门再次关闭。这种循环重复不已。

(2)压力—柔性膜式

安装在水下，利用波浪带来的静水压力和水质点运动的压力变化推拉柔性膜，由膜带动介质运动把能量传递给发电机。通常也可以分为两种亚型：开式系统和闭式系统。

3.利用水质点的椭圆形运动的发电装置

波浪传递到浅水中时，波浪水质点作椭圆形轨迹运动(图2-16)。水轮式发电装置是利用这种波浪水质点运动特征推动水轮转动做功、发电(图2-17)。

图2-16　浅水和深水的水质点运动轨迹(www.xing528.com)

图2-17　水轮波浪能转换装置原理图(a)、俯视图(b)及侧视图(c)

4.利用波浪水质点水平运动的发电装置

利用波浪水质点水平运动的发电装置也称水平往复式发电装置。波浪在传递到坡度很小的浅水区后，海水表面的水质点会以比波浪更快的速度接近海岸。这种转变在“破浪区”出现，水平往复式发电装置通常设在破浪区，即利用这种海水的水平运动做功、发电(见图2-18)。

5.聚集波浪能的设施及发电装置

由于波浪能的能量密度较低，让波浪能转换装置占用大面积的海岸水域毕竟存在一定困难，因此工程师们设计了一些使波浪能量集中起来，提高能量密度的方案。

图2-18　水平往复式波浪能开发装置

(1)人工岛式

1946年，R.S.阿瑟提出了所谓“坝礁”的方案。这种坝礁是一个略呈半球形的人工岛，受岛的曲面外形影响，流经这个岛的波浪传递方向不断改变，最后能量集中到人工岛的顶部，海水通过设在人工岛顶部的导向叶片流人岛内推动水轮机做功(见图2-19)。

图2-19　“坝礁”对波浪的折射(左)和横截面示意图

(2)透镜式

在水面下设置一个曲面形状的障碍物，当波浪流经这个障碍物时，由于波的折射作用汇聚到一个焦点上，在焦点上设置波浪能转换装置即可获得很高的能量密度(图2-20)。

图2-20　“透镜”式波浪能集中装置示意图

(3)喇叭形聚波式波浪能发电装置

用喇叭形的引水道，把波浪引入岸边的共振室，以产生“共振”的方法，使波高增大到15～30m，再使这种高水头的水流冲击水轮机转动，带动发电机而发电，这个设想处在研究、试验阶段。

在阿尔及尔沿岸曾成功地建造一座波浪能发电站的实验装置，其中包括有一条水坝、一个储水池、一部水轮机组和一座电厂。波浪“溅出”，进入一个“V”形的开口，在角落的最狭窄处超过水坝，使水进入下面的储水池。凡是“滚来”的浪峰高出于水坝的坝高，都会产生上述现象。储水池中水平面比海平面高，利用这个压力差在水流回大海时穿过一台设在中间的涡轮机从而获取电能，这种波浪能发电的实验确实提供了实际应用的可能性。

但是，从经济的角度来考虑这种类型还没有实现的可能性。一个根本困难在于：为了使这种装置操作经济，全年都要有几乎一致的高波，这在实际上是非常困难的。