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1千瓦改進(jìn)型船拋錨波浪能發(fā)電試驗(yàn)現(xiàn)場

■吳必軍

海洋蘊(yùn)藏著豐富的可再生能源，是一個(gè)誘人的寶庫。地球表面70%以上被海洋覆蓋，因此海洋收集了大量入射到地球上的太陽能。太陽輻射產(chǎn)生風(fēng)和風(fēng)暴，繼而在水面形成風(fēng)浪，這些波浪在傳播過程中以最小耗散將能量帶向海岸。

由風(fēng)暴產(chǎn)生的海浪可能需要數(shù)天才能到達(dá)海岸，因此波浪能比風(fēng)能更容易被預(yù)測(cè)。而水的質(zhì)量密度幾乎是空氣密度的800倍，海浪的能量密度更高。

由于世界上大多數(shù)人都住在海岸附近，而海洋表面能夠收集太陽能，海浪又將大部分能量帶向海岸，因此海洋波浪能量轉(zhuǎn)換利用將給人類帶來巨大福利。

波浪能利用裝置產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢

目前，波浪能利用技術(shù)種類繁多，其中基于漂浮式技術(shù)發(fā)展的裝置由于可以低成本批量生產(chǎn)、建造受海洋環(huán)境影響較小、適用面廣，因而成為國際發(fā)展的主流。

漂浮式波浪能利用技術(shù)絕大部分是靠結(jié)構(gòu)物（浮子）的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換（即振蕩浮子技術(shù)）。漂浮振蕩浮子技術(shù)又可分為單浮體和多浮體兩類。

采用結(jié)構(gòu)物與支撐平臺(tái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換波浪能量的是多浮體技術(shù)，如美國的OPT、英國的Pelamis，這類技術(shù)后續(xù)能量轉(zhuǎn)換一般采用液壓或機(jī)械直接傳動(dòng)系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外對(duì)多浮子技術(shù)投入的人力和物力都非常大，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件多，并受海洋惡劣環(huán)境影響嚴(yán)重，因此產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程至今仍很緩慢。

基于漂浮多浮體振蕩浮子技術(shù)發(fā)電原理，早在2011年，科學(xué)家便設(shè)計(jì)了兩種具備自航能力的波浪能發(fā)電船。它們駛回港口可以躲避極端海況，降低了對(duì)裝置生存性能和安全性能的要求，并提高了布放時(shí)空的靈活性。發(fā)電船既可采用常規(guī)電纜送電上岸，也可采用蓄能進(jìn)港送電上岸，還可為其他生產(chǎn)活動(dòng)提供平臺(tái)和電力。裝有波浪能發(fā)電裝置的船舶，航行時(shí)可將裝置浮體部分收起，避免增加船舶航行阻力。不過，這些目前都只是一種設(shè)想，技術(shù)可行性仍未知。

用一個(gè)結(jié)構(gòu)物通過海水在管道內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)波浪能轉(zhuǎn)換的技術(shù)稱為單浮體振蕩水柱技術(shù)，該技術(shù)后續(xù)能量轉(zhuǎn)換一般采用氣動(dòng)系統(tǒng)，通過空氣實(shí)現(xiàn)波浪能到電能的轉(zhuǎn)換，主要轉(zhuǎn)換部件是空氣透平發(fā)電機(jī)，如后彎管技術(shù)、中心管技術(shù)等。其典型的示范電站有1290噸“巨鯨”示范裝置、29噸OE Buoy1：4比例后彎管裝置、即將展開海試的826噸1.25MW OE Buoy后彎管原型機(jī)和已小規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的中心管航標(biāo)燈用波浪能發(fā)電裝置等。29噸OE Buoy1：4比例樣機(jī)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行兩年以上。

振蕩水柱技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、受海生物附著影響小，小型發(fā)電裝置已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作，但大型裝置因?qū)D(zhuǎn)換機(jī)理認(rèn)識(shí)不足而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率不高、性價(jià)比低，發(fā)展緩慢。

新技術(shù)解決系統(tǒng)諸多問題

長期以來，波浪能發(fā)電系統(tǒng)的研究重點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率、轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)特性等，系統(tǒng)布放一般采用拖航或船運(yùn)，顧及到系統(tǒng)自航性的研究較少。由于系統(tǒng)不能自航、布放位置不能靈活變動(dòng)，必將面臨發(fā)電量受季節(jié)和地理環(huán)境影響，臺(tái)風(fēng)破壞風(fēng)險(xiǎn)性高以及大規(guī)模、大面積應(yīng)用受限多等問題。

為解決系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性問題，筆者團(tuán)隊(duì)基于對(duì)振蕩水柱轉(zhuǎn)換原理的認(rèn)識(shí)，開展了可以靈活轉(zhuǎn)場的自航單浮體波浪能發(fā)電系統(tǒng)機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)研究。自航單浮體波浪發(fā)電系統(tǒng)主要由船型浮力艙、水平管道、垂直管道、閘門、空氣透平、發(fā)電機(jī)、舵和推進(jìn)器等組成，通過閘門實(shí)現(xiàn)水平管道和垂直管道的分離和連接，實(shí)現(xiàn)高效波浪能量轉(zhuǎn)換、低阻力航行，進(jìn)一步通過閘門可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)換效率、安全和發(fā)電功率的控制。

在該技術(shù)中，當(dāng)閘門關(guān)閉，水平管道和垂直腔體形成 “L”形彎管后，整個(gè)結(jié)構(gòu)物就是一個(gè)后彎管發(fā)電系統(tǒng)。國家海洋技術(shù)中心出具的測(cè)試報(bào)告表明，此種狀態(tài)下，該技術(shù)使波浪到電的轉(zhuǎn)換率高達(dá)50.73%，打破了日本學(xué)者創(chuàng)造的波電轉(zhuǎn)換率49%的自測(cè)世界紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了波電高效轉(zhuǎn)換，今后還有望突破60%、70%甚至更高的波浪能量轉(zhuǎn)換率。

在該技術(shù)中，當(dāng)閘門打開，水平管道和垂直管道分離，水平管道就成為一個(gè)流道，航行阻力變小，整個(gè)系統(tǒng)類似一個(gè)重心偏低的水面船。閘門打開時(shí)，如果垂直管道內(nèi)的水柱在波浪作用下引起往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同樣能實(shí)現(xiàn)波浪能量轉(zhuǎn)換。該技術(shù)特點(diǎn)是閘門無論開還是關(guān)、錨泊還是航行，只要垂直管道內(nèi)的水柱同船體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，都會(huì)實(shí)現(xiàn)波浪能量轉(zhuǎn)換，主要區(qū)別就在于轉(zhuǎn)換效率的高低。

由近岸走向遠(yuǎn)海

基于航行和高效、簡單振蕩水柱技術(shù)轉(zhuǎn)換理念，經(jīng)國家自然科學(xué)基金和廣東省科技項(xiàng)目多年支持，筆者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出1千瓦可航波浪能發(fā)電船，并對(duì)其進(jìn)行了建造。2017年5月22日，1千瓦原始型自航波浪能發(fā)電船運(yùn)抵廣東省陽西縣沙扒鎮(zhèn)進(jìn)行航行試驗(yàn)和拋錨發(fā)電試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間為同年8月23日，期間記錄到最大輸出電功率為140瓦。由于發(fā)電船投放在網(wǎng)箱周圍，波浪能資源偏小，因此發(fā)電功率不高。

2019年，團(tuán)隊(duì)在廣東省中山市粵新船廠對(duì)原始型波浪發(fā)電船進(jìn)行改進(jìn)，形成一個(gè)改進(jìn)型發(fā)電船，由電力推進(jìn)器提供航行動(dòng)力。改進(jìn)后樣機(jī)長5.2米、寬2.3米、重4.5噸，波浪能發(fā)電裝機(jī)容量1千瓦，樣機(jī)尾后部裝有電力推進(jìn)器兩臺(tái)，裝機(jī)容量各5千瓦，并在船廠的河面上進(jìn)行了航行試驗(yàn)。同年8月至12月，建造好的裝置在深圳市大鵬灣區(qū)中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所深圳試驗(yàn)基地進(jìn)行了航行和拋錨發(fā)電試驗(yàn)，12月5日14:39至15:15期間，記錄到平均發(fā)電功率為28.2瓦，最大發(fā)電功率為204.5瓦。

自航振蕩水柱技術(shù)繼承了振蕩水柱技術(shù)簡單、可靠的特點(diǎn)，同時(shí)提高了波浪能量轉(zhuǎn)換效率，大幅減低了裝置建造和持有成本。該技術(shù)使波浪能發(fā)電裝置由傳統(tǒng)單一定點(diǎn)使用方式向流動(dòng)使用方式轉(zhuǎn)變，使波浪能裝置由近岸走向遠(yuǎn)海變成了可能。

技術(shù)成熟后，其發(fā)展的小型無人波浪發(fā)電船可用于海上通信、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、水文調(diào)查等，大型波浪發(fā)電船可供海島用電、海水淡化、制冰、制氫等使用，也可作為海上流動(dòng)應(yīng)急電源使用，并可根據(jù)需要自航回港檢修或避臺(tái)風(fēng)，降低惡劣海況破壞風(fēng)險(xiǎn)，延長使用壽命。該成果將極大推進(jìn)波浪能利用技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)高效、低成本、風(fēng)險(xiǎn)可控的波浪能利用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，是波浪能利用技術(shù)的一次躍進(jìn)。

（作者系中國科學(xué)院廣州能源研究所研究員）