1.6　波能发电的关键技术和难题

1.6.1　国内外研究进展

波能是可再生能源中最不稳定的能源，波浪不能定期生产，且具有能量强、速度慢、周期变化的特点。现有的有关波浪发电技术的不足在于：波能捕获的效率低，被转换的二次能不稳定，以及对海域环境的适应性差等。

目前，波能捕获装置的研究主要是波能捕获效率问题。波能捕获效率过低是目前迫切需要解决的问题。例如使用空气叶轮机的波能装置，其叶轮机部分的效率仅约10%～30%，所以整体机组发电转换效率非常低。效率较高的振荡浮子式波能捕获装置的工作效率也只能达到30%左右。为了提高波能捕获装置的转换效率，经典的研究方法以装置发生共振（如浮子、摆、压缩空气等与波浪产生共振）为最高目标。但实海况中的波浪是由不同频率波浪组成的，基于共振理论设计的装置，很难在变化的频率范围内都保持较高的波能捕获效率。为此，许多学者通过设置控制系统来提高装置适应波浪的能力，保证装置具有较高的波能转化效率，但复杂的控制策略、实时的检测系统对装置的成本、耐久性和可靠性都提出了更高的要求。因此，波能控制系统必须采用新的研究策略，简化控制的复杂度。

为了增加能量的捕获，国内外学者研究了很多提高能量捕获效率的控制算法。主要是相位控制算法和无功控制算法，相位控制算法主要分为两类：锁存控制和离合控制，锁存控制最先由Budal和Falnes提出，而后Babarit、Korde和Greenhow对此类算法进行了深入的研究。离合算法最先由Salter提出，Babarit进行了后续的研究。相位控制是基于时域的控制方法，通过优化浮子的相位来实现共振，对浮子的振幅不做优化。无功控制算法是基于频域的控制算法，不但优化浮子的相位，而且优化浮子的幅值。无功控制具有非因果的特性，就是需要预先知道未来某一时段的浮子速度和来波条件，所以有一定的实现难度。相位控制和无功控制都是通过波能转换环节的控制增加波能捕获环节和转换环节的效率，没有对波能捕获环节和能量转换环节解耦，所以不是波能捕获效率不高（相位控制），就是算法实现难度大（无功控制）。

控制算法研究的难点不仅在于波浪的随机性，而且要考虑波浪和装置之间的相互作用。所以目前大部分研究集中在规则波（正弦波或简谐波）的研究上，针对实海况的研究很少。有研究表明，振荡浮子+液压系统的相位控制在规则波时，能够多吸收50%的波能，但在不规则波时，仅能多吸收4%～8%的波能。因此，对如何增加波能的捕获效率要寻找新的途径，这点对我国这种具有低波能密度的国家尤其重要。文献研究表明，无功控制捕获的波浪能是锁存控制的两倍以上，由于无功控制对相位和振幅都进行了优化，无功控制的波能捕获效率能够达到85%左右。

1.6.2　我国波能发电装置研究的重点在于解决下列主要问题

（1）我国波能主要由周期为4～6s的波浪所构成。装置的固有周期也应当介于4～6s之间。

（2）现有的波能捕获装置，在其工作范围内，装置的固有频率基本上是不变化的，而入射波频率集中在一个频带内，无法保证总是发生共振。所以，如何保证装置在波浪谱主频带内都具有较高的波能捕获效率是一个需要研究的问题。

（3）对发电环节的控制系统来说，水体振幅和转子相位一起控制的系统过于复杂，难于实现。研究两者如何解耦，并实现振幅和相位的同时优化是一个需要解决的关键问题。

（4）在漂浮式波能发电装置的安装方面，装置的垂荡和纵摇是关系到装置发电效率的关键因素。装置柔性锚固在海底的情况下，研究如何减小装置的垂荡和纵摇，增加转子和水流的相对运动，直接关系到装置的波能捕获效率。

总之，我国波浪发电装置的研究必须基于我国近海的实际波能分布情况，研究提高装置波能捕获效率的设计方法和发电控制系统。目前尚有许多问题需要进一步研究。