1.4　波能发电装置的分类

波能发电装置的种类繁多，有关波能发电装置的发明专利超过1500种，大部分的发明专利在日本及北美洲和欧洲申请。但这些装置大部源于几种基本原理：利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动；利用波浪压力的变化；利用波浪的沿岸爬升将波能转换成水的势能等。

波能利用装置可按照所处的位置、类型和运行方式进行分类。

1.4.1　按位置分类

（1）岸线波能发电装置。岸线波能利用装置具有距离电网近、容易维护的优点，不需要锚固和深水电缆。由于在浅水中波浪会变形，所以在极端天气下，岸线波能利用装置不易被损坏。但也有缺点，就是浅水中的波能密度较低，这一方面可能因为近岸地形具有聚波能力而得到改善。另外，对岸线装置来说，潮汐造成的水位变化对装置的应用也是一个问题，因为装置的淹没水深一般会影响到装置的运行效率。而且根据岸线装置的特点，其对岸边的地形和地质也有特殊的要求，还要考虑如何保存海岸风光。所以岸线波能利用装置很难做到大规模量产。

三种主要的波能利用装置为：振荡水柱式（OWC）（图1.4.1）、内聚水道式（TAPCHAN）（图1.4.2、图1.4.3）、岸式摆式（PEDULOR）（图1.4.4、图1.4.5）。

（2）近岸波能发电装置。近岸波能发电装置是指装置位于相对浅的海水中。浅水一般是指水深小于波长的情况。

近岸波能发电装置一般安装在海床上，因此这些装置较漂浮式波能利用装置稳定。同岸线装置一样，由于位于浅水区，波能密度较低，限制了装置的波能捕获能力。

（3）离岸波能发电装置。离岸波能发电装置有不同的定义，有人认为是数十米，还有人认为是波长。离岸波能发电装置的好处是由于深水中的波能存量较大，所以装置能够捕获较多的能量。然而，离岸装置不易制造和维护。由于需要应付极端天气情况，装置需要超标准设计以应对这种情况，所以增加了装置的造价。尽管如此，有人认为离岸波能发电装置可以获得较多的波能，在经济上还是划算的。值得注意的是波能主要集中在海水的表面。接近95%的波能位于海水表面和水下波长范围内。

1.4.2　按类型分类

尽管波能发电装置相关的专利有很多，但是按其对波流影响的原理划分，可以划分为三类。

（1）消耗式。消耗式波能发电装置平行于波浪传播的方向，骑在波浪上。其典型的一个例子是“海蛇号”（图1.4.6）。该类波能发电装置仅能吸收一部分入射能量，背浪一侧仍有绕射的波浪。

（2）截止式。截止式波能技术巧妙利用自身的几何形状避免了波能向后辐射，降低了兴波阻力，出现了许多构思设计精妙的波能发电装置，如点头鸭装置、聚波围堰装置和摆式装置等。

（3）点吸收式。点吸收式波能发电装置相对于入射波来说具有体积小的特点。可以是漂浮结构，随着波浪上下起伏，也可以是水下结构，淹没在水下，利用波浪起伏造成的压力差来工作。点吸收式（也称振荡浮子式）波能技术近年来发展很快，该技术采用浮子俘获波能，通过与浮子连接的液压装置或机械装置将波能转换成某种机械能，再通过发电机转换成电能或通过其他设备制造淡水或冰。

1.4.3　按运行方式分类

按装置的工作原理，有消耗型筏式、点头鸭型截止式、聚波围堰型截止式、摆式截止型、摆式消耗型、漂浮摆式消耗型、振荡浮子式点吸收型、振荡水柱型、直驱水轮机式等。

（1）消耗型筏式波能发电装置。1996年建成的英国麦凯布波浪泵（MWP）波能发电装置（图1.4.7）由三个成直角的钢质浮筒构成，通过横梁铰链在一起，总长度40m，具有自动朝向来波的功能。该装置可驱动海水淡化系统获得可饮用的纯净水，或驱动发电机发电。

消耗型筏式波能发电装置的优点是具有较好的整体性，抗波浪冲击能力较强，具有较好的能量传递效率，发电稳定性好，但其长度方向顺浪布置，迎波面较小，与垂直于波浪方向同等尺度的波能装置比，筏式装置吸收波能的能力较为逊色，单位价值材料所获取的能量较小，导致实体尺寸过大。

另外，这种装置是靠波浪坡度的变化来工作的，它的问题是波浪的波长必须与浮筒长度匹配（图1.4.6）或中间浮体正好位于波峰或波谷上（图1.4.7）麦凯布波浪泵。在波长很长的波浪中，波陡度很小，四个浮筒一起上下运动，就难以利用坡度变化来发电；对于小浪，每个浮筒受力差不多，也不能形成有效的角度变化。在带负载时，由于液压油的不可压缩性，其关节部分会“僵硬”，关节处遇到波谷或波峰形成角度时，海蛇往往不会弯曲，而是通过翻滚来逃避发电，只能把液压降得低一些，而这又降低了输出功率，还有一个就是应力集中的问题，每个圆筒长达几十m，这样会形成很大的弯矩，就不得不靠增加材料强度来提高抗风抗浪能力，增加成本。

2008年9月在葡萄牙里斯本外海5km建设的“海蛇号”波力电站，经过3年开发之后，运行几个星期就问题不断，目前已经宣布失败，功亏一篑。

（2）点头鸭型截止式波能发电装置。英国爱丁堡大学索尔特教授于1974年在他的论文中介绍了一种独特的波能发电方法，如图1.4.8所示，这种装置的形状和运行特性酷似鸭的运动，因而称其为“点头鸭”。该装置用浮子绕中心轴线的纵摇代替升降，利用入射波的运动使得动压力有效地推动鸭身绕轴线转动，此外，流体静压力的改变也使接近鸭嘴的浮体部分作上升和下沉的往返运动，由于这两种压力所产生的运动是同相位的，在波浪运动的一个周期内，点头鸭将动能和位能二者同时通过液压装置转化出去，然后再由液压/电力系统把动能转化成电能。在理想运行条件下，点头鸭效率接近90%，在不规则波作用下，系统的效率要低很多。中国科学院广州能源研究所研制的一座300W点头鸭式波能发电装置，采用振荡浮子装置的动力摄取技术，以求降低点头鸭式装置的成本。

索尔特点头鸭虽然是一种有效的波能发电装置，但是它也有明显的缺点：一方面它结构复杂又有许多部件暴露在海水中，易发生腐蚀卡死等现象，可靠性不高；另一方面，索尔特点头鸭长条形的浮式结构太脆弱，在风浪大的时候根本无法抵抗波浪的破坏力，抗浪性较差。

（3）聚波围堰型截止式波能发电装置。聚波围堰型截止式波能发电技术依靠逐渐收缩的波道俘获波能，使波高在逐渐收缩的波道中放大，直到波浪越过波道顶进入高于海面的水库。进入水库的水的势能通过水轮发电机转换成电能。这种转换方法的优点在于波能转换为水的势能的过程中没有活动的部件，可靠性好，维护费用低，且出力稳定。

最早的聚波围堰型波能发电装置是挪威波能公司于1986年建造的一座装机容量为350kW的聚波围堰电站（图1.4.9）。其围堰波道开口约60m宽，经过呈喇叭形逐渐变窄的楔形导槽，逐渐收缩至高位水库。高位水库与外海间的水头落差达3.5m。电站于1986年建成，一直正常运行到1991年。不足之处是电站对地形要求严格，不易推广。

丹麦的波龙公司研建了漂浮式的聚波围堰型截止式波能发电装置（图1.4.10）。该装置由钢结构组成，漂浮于海面上，通过锚链锚泊于海底，两侧具有导浪浮体，采用低水头的卡普兰水轮机组发电。该装置不受潮位影响，在大浪时可以稳定发电，导浪浮体具有较好的聚波能力，可根据波高调整装置的吃水深度，具有较好的水动力学性能。

（4）摆式截止型波浪能转换装置。摆式波能转换装置是利用装置的活动部件，在波浪的推动下，将其从波浪中吸收的能量转换成机械能或势能，最先由日本的度部富治教授提出，其原理是波浪在水室中形成立波，在立波的驻点处，水质点做往返运动，表现在宏观上即水团的往返运动，将波能转换成摆轴的动能，与摆轴相连的通常是液压装置，它将摆轴的动能转换成液力泵的动能，再由液压马达带动发电机发电。

日本室兰工业大学于1983年在北海道室兰附近的内浦湾建造了一座装机容量为5kW的推摆式波力电站，原理简图如图1.4.11所示。电站通过一个能在水槽中前后摇摆的摆板吸收波能。摆板的运行很适合波浪大推力和低频特性，它的阻尼是液压装置。利用两台单向作用的液力泵驱动发电机便可吸取全周期的波能。试验电站的摆宽为2m，最大摆角为35°。波高1.5m、周期4s时的正常电能输出约为5kW，总效率约为40%，是日本电站中效率较高的一座。同年又在烧究岛的西浦港建造了一座20kW的推摆式波力装置，用来向渔民公寓提供热水。现在日本室兰工业大学又准备建造一座300～600kW摆式波能装置。在“八五”“九五”期间，我国国家海洋局海洋技术中心分别研建了8kW和30kW岸式悬挂摆式波能发电装置，为岛上居民供电。如图1.4.12所示为国家海洋局海洋技术研究所研制的坐落于山东省即墨市大管岛的30kW岸基摆式波力电站，于1999年6月开始实海况试验。电站所发的电首先对蓄电池充电，然后再供给用户使用，在入射波高1～6m时电站功率约为1～30kW，该电站按照抵抗20年一遇台风的标准建造，目前运行状况良好。

摆式波能发电装置也可分为悬挂摆式和浮力摆式两种。摆体的运动很适合波浪大推力和低频的特性。因此，摆式波能装置的转换效率较高，但机械和液压机构的维护较为困难。虽然悬挂摆式波能装置能将波浪所携带的能量合理的施加于整个水深，但是受摆板后去流段长度的影响较大，在设计周期下，其去流段的波和入射波的相位差较大，甚至接近180°，此时效率较高；而在非设计周期时，去流段的波和入射波的相位差较小，甚至接近0°，此时效率较低。而且在恶劣的海洋环境下，摆式波能装置的可靠性较差，易损坏。

对于悬挂推板式，存在这样一个问题，就是不同的位置水质点的速度不同，而摆板则要求水质点的速度矢量分布是离摆板的转动轴线越远，速度越高，越近则越低，而波浪中的水质点速度是随着水深的增加而变小的，这就必然导致上部水团速度较大，但是摆的运动角度小，水团使不上劲，而下部水团速度小，但摆的运动角度却要求大，水团没有力量，甚至拖累摆板的转动。再一个就是摆板的高度难以设定，高度大了，则摆板沉重，小浪推不动；高度小了，大浪直接盖过去了，摆板很难发挥效率。

（5）摆式消耗型波浪能发电装置。由于以上原因，芬兰AW能源公司总结发明并研制出全球第一台利用海底波能来发电的装置——浪轮，是一种浮力摆。其原理：在波浪的推动下，使装置的浮力摆随着波浪的运动而来回摆动从而产生动能，经液压缸加以收集后，再由设置在岸上的发电机转换为电能。2003年首先在芬兰一海湾进行了小型样机实海况试验，如图1.4.13所示。2005年又分别在厄瓜多尔和英国奥克尼郡太平洋沿海进行了改进后的1∶3样机实海况试验。2007年在葡萄牙佩尼什对波轮1号样机进行了最新一轮的实海况试验。浪轮1号浮力摆的尺寸为3m×1.8m，该装置的平均捕获功率可达13kW。这种装置的特点是只能安装在浅水区域，这样随着水深的增加，流体质点的速度不断变小，这一点与倒立摆的运行幅度一致。装置的安装方式是水下安装，现在西方很多国家研究这种波能发电方式，避开海面的大浪，想躲到水下采集波能，可是水下的建造成本是非常高昂的，维护也很困难，需要派潜水员下去维修。

“牡蛎”波能发电装置是由英国碧海能源公司和贝尔法斯特女王大学合作在英国贝尔法斯特研发的一种浮力摆波能发电装置，如图1.4.14所示。“牡蛎”是由装有活塞，并固定在近岸海床底的振荡浮力摆组成。流经的波浪通过激振振荡浮力摆，由活塞通过海底管道将高压水输送上岸，在海岸上再通过常规的水力发电机将传输上来的高压水转换成电力以供用户使用或连接淡水装置进行脱盐海水淡化作业。“牡蛎”波能发电装置的摆宽为18m，置于10～12m的水深中，平均淡水生产能力为102m3/h，相当于输出功率为175kW/h。

英国兰开斯特大学早在20世纪80年代初就开始对波能发电装置进行研究，蛙式装置是其发明的第一代浮力摆波能发电装置，它只能吸收波浪垂荡方向上的能量，效率不高，后来又在其基础上改良发明了蛙式装置，如图1.4.15所示，可吸收波浪纵荡和纵摇中的能量，效率较蛙式装置有了较大提高；WRASPA（Wave-driven Resonant，Arcuate-action Surging Power Absorber）是由兰开斯特大学新近发明设计的一种浮力摆波能发电装置，如图1.4.16所示，可工作于20～50m的水深区域，它利用摆运动吸收波浪纵荡和纵摇中的能量，转换成机械能，进而转换为电能。该试验装置经过概念验证和一系列的试验室水槽试验表明其达到了设计预期目标，并于2011年进行全比例样机实海况测试。

浙江大学的张大海博士研究了倒立摆式波能发电装置的若干关键技术难题，通过理论分析、仿真试验并结合试验样机厂房试验等手段，研究论证装置双行程全周期做功的可行性，大幅提高其工作效率和在不确定波况下的生存能力和可靠性，优化倒立摆结构，通过对机组的功率控制实现最大能量捕获和功率稳定输出等。

（6）漂浮式摆式消耗型波能发电装置。漂浮式摆式消耗型波能发电装置的典型代表是SEAREV，该装置是完全封闭的，浮动窗体内部有一个可以移动的质量体，当波浪作用在移动船体上时，移动船体和其内部的移动质量体开始做相对运动，两者的相对运动通过液压装置（PTO，Power Take Off）驱动发电机发电。装置有以下几个优点。

1）所有的移动部件都在浮动船体内，移动部件不与海水接触，避免了海水的侵蚀。所以，维护费用较少，抗击自然灾害的能力较强。

2）如图1.4.17所示，内部质量体的运动压缩液压油，不论质量体如何运动，液压缸都不会满冲程，所以避免对液压缸端点的冲击，这样也增强了装置适应恶劣海况的能力。

3）装置不需要任何外部参考点，只借助于内部移动元件之间的相对运动。不必限制浮动装置的运动，只需要松散的锚固即可，从而降低了装置安装方面的造价，这一点至关重要，因为安装成本占装置总成本的比例很大，而且安装方式也影响装置的发电效率。

虽然漂浮式摆式装置有以上优点，但也有以下几个缺点。

1）为了在波浪作用时产生共振现象，需要将装置的尺寸设计得很大，直径大约20m，重量也很大，约1000t，如此巨大的装置，建设成本很高。

2）节奏上的合拍问题，摆的摆动时间难以跟不断变化的海浪运动时间保持一致，需要加入控制，但是这种控制是非因果控制，需要提前预测海浪的变化，而海浪的运动是不规则的，很难预测。

（7）振荡浮子式点吸收型波能发电装置。振荡浮子式装置是在振荡水柱式装置的基础上发展起来的一种点吸收式波能发电装置，自提出以来就受到各国波能发电界研究人员的重视，是目前世界上较为流行的一种波能发电装置，并成功地在商业上得到应用，为导航设备（如浮标灯）提供电力。

阿基米德波浪摆装置（图1.4.18、图1.4.19），由英国AWS海洋能源公司（AWS Ocean Energy）设计。其水底浮标利用海浪的起伏所产生的不同压力来发电。由于水压的大小跟水深成正比，海浪升高，水压增大，海浪降低时，水压又会减小。这种波能发电系统正是利用了这种水压的大小变化来达到产生电能的目的。

该装置至少安装在海面以下6m处，位于波浪中的充气套管与底部缸体可像活塞一样相对上下运动，将动能转化为电能。当海浪位于波峰时，活塞向下移动压缩中空结构内部的空气，当海浪位于波谷时，活塞向上移动将空气释放出来。浮标内的空气受到挤压后，被压缩的气体穿过漂浮物内部的发电机发电。AWS海洋能源公司称，在0.5km2的河床范围内放置100个这样的浮标发电机产生的电力可供55000个英国家庭使用。该公司于2009年在苏格兰海域投放5个浮标用于测试。并于2010年在苏格兰海域建立第一个小型的阿基米德波浪摆装置试验电站。

美国海洋能源技术公司研制的发电航标波能发电装置（图1.4.20、图1.4.21）通过控制浮力，控制能量的吸收。2006年2月，海洋能源技术公司在英国北部康沃尔郡对该装置进行第六次试验。2007年2月，获得联邦能量结构委员会（FERC）批准，建立50MW示范装置场。2007年10月，海洋能源技术公司获得美国海军190万美元的资助，在夏威夷安装发电航标装置系统。

我国于1990年在大万山岛建成国内第一座3kW岸式振荡水柱式波力电站，后来又于1996年在原3kW结构基础上建成20kW岸式振荡水柱式波力电站，2001年，又在广东汕尾建成了我国第一座100kW级岸式振荡水柱式波力电站。在“七五”到“九五”期间，中国科学院广州能源研究所又研建了5kW后弯管漂浮式振荡水柱式波力电站一座（图1.4.22）、10W点吸收式波力发电装置航标灯700余台（图1.4.23），出口26台。

加拿大温哥华的菲纳韦拉可再生能源公司开发了一种振荡浮子式波能发电装置（AquabuOY）。该装置使用了振荡浮子技术，由一个浮子和软管泵组成，在波浪质点上下运动时，会推动里头的一个活塞，通过一对软管泵产生高压水流，带动一台涡轮机发电。如图1.4.24和图1.4.25所示。2007年这个装置的模型在美国俄勒冈州海岸附近研建并进行了测试。

AquabuOY 2.0是把一个3m宽的浮标连接在21.3m长的轴上，随着上下波动，水进入加速管道，推动活塞运动。活塞的运动使得加强的塑料软管扩张，然后水被泵入涡轮机，带动发电机发电。发出的电能通过海下电缆传送到岸上。

菲纳韦拉可再生能源公司初步开发的2MW波能发电项目建设在美国加利福尼亚州洪堡郡海岸外约4km，这个波浪发电项目采用Aquabu OY发电机组。

另外，菲纳韦拉可再生能源公司于2008年2月中旬宣布，将在美国加利福尼亚州洪堡郡沿海建设100MW波能项目。这将成为美国第一个商业化波能设施。

波浪浮子公司正在研究一种叫波浪浮子的波能发电装置（简称“波浪浮子装置”），如图1.4.26和图1.4.27所示。该装置是物理学家威廉·迪克发明的，该工作开始于1997年。这种装置是一个自由浮动对称的点吸收装置，它在不改变附体设置方案的情况下，用一个特有的系统去改变装置的共振频率，从而实现与入射波频率特性的最佳匹配（惯性聚波）。此外，数字控制的能量输出允许装置动态地改变阻尼，这样可以最大化地将捕获的波能转化为电能。据称这种设计装置的发电量要比一般的波能发电装置多3倍以上。

振荡浮子发展迅速的原因如下：

1）相对于其他俘获波能的系统，振荡浮子制造最为简单。

2）可以采用液压系统或机械系统传递能量，效率比振荡水柱装置高。

3）采用液压系统，能量容易汇集，便于形成大规模发电系统。

4）采用液压系统，可以发电，也可以输出非电力的动力，如海水淡化，实现一机多用。

振荡浮子式的主要优点是其建造方便，投放点机动灵活，缺点是其水动力学性能不佳，装置前面的反射波很大，装置背后的波能仍然很大，未能达到较高的转换效率，抗冲击性也较差。

（8）振荡水柱式波能发电装置。振荡水柱式波能发电装置可分为漂浮式和固定式两种。目前已建成的振荡水柱式波能发电装置都利用空气作为转换的介质。其一级能量转换机构为气室，二级能量转换机构为空气透平。气室的下部开口在水下与海水连通，气室的上部也开口（喷嘴），与大气连通。在波浪力的作用下，气室下部的水柱在气室内做强迫振动，压缩气室的空气往返通过喷嘴，将波能转换成空气的压能和动能。在喷嘴安装一个空气透平并将透平转轴与发电机相连，则可利用压缩气流驱动透平旋转并带动发电机发电。振荡水柱式波能发电装置的优点是转换装置不与海水接触，防腐性能好，可靠性较高；工作于水面，便于研究，容易实施，维护方便，因而受到人们更多的重视，成为1980—2000年的主流装置。其缺点是二级能量转换效率较低。

振荡水柱式波能发电装置之所以受到波能界的普遍重视，是因为该类型装置以气室里的空气作为媒介传递波能，避免较脆弱的机电部分直接与波浪接触，减少了波浪的破坏性，使装置的可靠性增加。但该类型装置目前存在的缺点也很明显：

1）建造费用昂贵、施工困难。振荡水柱式波能发电装置需要建造气室，而建造气室所花的费用占了波能发电装置总费用的1/3以上。若是岸式振荡水柱式波能发电装置，还存在着建造难度大、风险大的问题，许多装置在建造过程中都遇到问题，很少有一年内建成的。

2）转换效率低下。该装置通过压缩空气驱动透平对外做功，往返流中空气透平的效率较低（约为30%）。振荡水柱式波能发电装置由于存在造价昂贵、转换效率较低两大缺点，在价格上用户难以承受，不易形成市场。

对于振荡水柱，其存在问题的根源在于：空气可压缩、类似于打气筒，打气筒压到一半的时候，轮胎气嘴部分才刚开始进气，相当于一半波浪行程没有做功，而在打气筒压到底再拔上来的那一刻，气筒里还有余留的压缩空气，这又相当于一部分压缩能的损失，还有空气压缩产生大量的热量，这都是损失。另外振荡水柱式波能发电装置空气透平，相当于中途转换成气流再发电，损失大。再就是需要建造很大的混凝土气室，这一切决定了振荡水柱的效率很差，经济性很差。

（9）直接驱动水轮机。振荡水柱的一级转换效率是不低的，只是空气介质环节的转换效率太低，而且空气轮机的噪声也较大。因此，用水为介质的直接驱动式水轮机的振荡水柱式波能发电装置自然引起研究人员的注意。特别是Y.H.Lee及C.G.Kim的研究基于双击式水轮机的波能发电装置，采用岸式固定式安装，没有考虑流道水体固有频率与波浪入射波之间的关系，没有对流道形状做优化研究。这种装置的优点在于水流的能量密度远远高于空气，而且水流的阻尼也远大于空气，在后面的研究中可以知道，大阻尼的系统对波能捕获的影响是很大的，有利于对装置相位的控制。