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利用装置|乘风“收浪” 走向远海

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利用装置|乘风“收浪” 走向远海
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1千瓦改进型船抛锚波浪能发电试验现场
【利用装置|乘风“收浪” 走向远海】海洋蕴藏着丰富的可再生能源 ， 是一个诱人的宝库 。 地球表面70%以上被海洋覆盖 ， 因此海洋收集了大量入射到地球上的太阳能 。 太阳辐射产生风和风暴 ， 继而在水面形成风浪 ， 这些波浪在传播过程中以最小耗散将能量带向海岸 。
由风暴产生的海浪可能需要数天才能到达海岸 ， 因此波浪能比风能更容易被预测 。 而水的质量密度几乎是空气密度的800倍 ， 海浪的能量密度更高 。
由于世界上大多数人都住在海岸附近 ， 而海洋表面能够收集太阳能 ， 海浪又将大部分能量带向海岸 ， 因此海洋波浪能量转换利用将给人类带来巨大福利 。
波浪能利用装置产业化进程缓慢
目前 ， 波浪能利用技术种类繁多 ， 其中基于漂浮式技术发展的装置由于可以低成本批量生产、建造受海洋环境影响较小、适用面广 ， 因而成为国际发展的主流 。
漂浮式波浪能利用技术绝大部分是靠结构物（浮子）的往复运动实现能量转换（即振荡浮子技术） 。 漂浮振荡浮子技术又可分为单浮体和多浮体两类 。
采用结构物与支撑平台相对运动转换波浪能量的是多浮体技术 ， 如美国的OPT、英国的Pelamis ， 这类技术后续能量转换一般采用液压或机械直接传动系统 。 目前 ， 国内外对多浮子技术投入的人力和物力都非常大 ， 但由于其结构复杂、部件多 ， 并受海洋恶劣环境影响严重 ， 因此产业化进程至今仍很缓慢 。
基于漂浮多浮体振荡浮子技术发电原理 ， 早在2011年 ， 科学家便设计了两种具备自航能力的波浪能发电船 。 它们驶回港口可以躲避极端海况 ， 降低了对装置生存性能和安全性能的要求 ， 并提高了布放时空的灵活性 。 发电船既可采用常规电缆送电上岸 ， 也可采用蓄能进港送电上岸 ， 还可为其他生产活动提供平台和电力 。 装有波浪能发电装置的船舶 ， 航行时可将装置浮体部分收起 ， 避免增加船舶航行阻力 。 不过 ， 这些目前都只是一种设想 ， 技术可行性仍未知 。
用一个结构物通过海水在管道内相对运动实现波浪能转换的技术称为单浮体振荡水柱技术 ， 该技术后续能量转换一般采用气动系统 ， 通过空气实现波浪能到电能的转换 ， 主要转换部件是空气透平发电机 ， 如后弯管技术、中心管技术等 。 其典型的示范电站有1290吨“巨鲸”示范装置、29吨OE Buoy1：4比例后弯管装置、即将展开海试的826吨1.25MW OE Buoy后弯管原型机和已小规模商业化应用的中心管航标灯用波浪能发电装置等 。 29吨OE Buoy1：4比例样机已经稳定运行两年以上 。
振荡水柱技术结构简单、可靠性高、受海生物附着影响小 ， 小型发电装置已实现商业化运作 ， 但大型装置因对转换机理认识不足而导致转换效率不高、性价比低 ， 发展缓慢 。
新技术解决系统诸多问题
长期以来 ， 波浪能发电系统的研究重点是转换效率、转换机构特性等 ， 系统布放一般采用拖航或船运 ， 顾及到系统自航性的研究较少 。 由于系统不能自航、布放位置不能灵活变动 ， 必将面临发电量受季节和地理环境影响 ， 台风破坏风险性高以及大规模、大面积应用受限多等问题 。
为解决系统机动性问题 ， 笔者团队基于对振荡水柱转换原理的认识 ， 开展了可以灵活转场的自航单浮体波浪能发电系统机理和关键技术研究 。 自航单浮体波浪发电系统主要由船型浮力舱、水平管道、垂直管道、闸门、空气透平、发电机、舵和推进器等组成 ， 通过闸门实现水平管道和垂直管道的分离和连接 ， 实现高效波浪能量转换、低阻力航行 ， 进一步通过闸门可实现对转换效率、安全和发电功率的控制 。
在该技术中 ， 当闸门关闭 ， 水平管道和垂直腔体形成 “L”形弯管后 ， 整个结构物就是一个后弯管发电系统 。 国家海洋技术中心出具的测试报告表明 ， 此种状态下 ， 该技术使波浪到电的转换率高达50.73% ， 打破了日本学者创造的波电转换率49%的自测世界纪录 ， 实现了波电高效转换 ， 今后还有望突破60%、70%甚至更高的波浪能量转换率 。
在该技术中 ， 当闸门打开 ， 水平管道和垂直管道分离 ， 水平管道就成为一个流道 ， 航行阻力变小 ， 整个系统类似一个重心偏低的水面船 。 闸门打开时 ， 如果垂直管道内的水柱在波浪作用下引起往复运动 ， 同样能实现波浪能量转换 。 该技术特点是闸门无论开还是关、锚泊还是航行 ， 只要垂直管道内的水柱同船体产生相对运动 ， 都会实现波浪能量转换 ， 主要区别就在于转换效率的高低 。
由近岸走向远海
基于航行和高效、简单振荡水柱技术转换理念 ， 经国家自然科学基金和广东省科技项目多年支持 ， 笔者团队设计出1千瓦可航波浪能发电船 ， 并对其进行了建造 。 2017年5月22日 ， 1千瓦原始型自航波浪能发电船运抵广东省阳西县沙扒镇进行航行试验和抛锚发电试验 ， 试验结束时间为同年8月23日 ， 期间记录到最大输出电功率为140瓦 。 由于发电船投放在网箱周围 ， 波浪能资源偏小 ， 因此发电功率不高 。
2019年 ， 团队在广东省中山市粤新船厂对原始型波浪发电船进行改进 ， 形成一个改进型发电船 ， 由电力推进器提供航行动力 。 改进后样机长5.2米、宽2.3米、重4.5吨 ， 波浪能发电装机容量1千瓦 ， 样机尾后部装有电力推进器两台 ， 装机容量各5千瓦 ， 并在船厂的河面上进行了航行试验 。 同年8月至12月 ， 建造好的装置在深圳市大鹏湾区中国水产科学研究院南海水产研究所深圳试验基地进行了航行和抛锚发电试验 ， 12月5日14:39至15:15期间 ， 记录到平均发电功率为28.2瓦 ， 最大发电功率为204.5瓦 。
自航振荡水柱技术继承了振荡水柱技术简单、可靠的特点 ， 同时提高了波浪能量转换效率 ， 大幅减低了装置建造和持有成本 。 该技术使波浪能发电装置由传统单一定点使用方式向流动使用方式转变 ， 使波浪能装置由近岸走向远海变成了可能 。
技术成熟后 ， 其发展的小型无人波浪发电船可用于海上通信、海洋环境监测、水文调查等 ， 大型波浪发电船可供海岛用电、海水淡化、制冰、制氢等使用 ， 也可作为海上流动应急电源使用 ， 并可根据需要自航回港检修或避台风 ， 降低恶劣海况破坏风险 ， 延长使用寿命 。 该成果将极大推进波浪能利用技术的发展 ， 为实现高效、低成本、风险可控的波浪能利用打下坚实基础 ， 是波浪能利用技术的一次跃进 。
（作者系中国科学院广州能源研究所研究员）
[责任编辑: 张梦凡 ]

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