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波浪能是海洋能中最主要的能源之一，是一种易于直接利用、取之不竭的可再生清洁能源。 海水由无数的质点组成，在外力作用下，海水质点在其平衡点位置附近作周期性运动，这就形成了波浪。潮汐运动或者风的作用都会使海水质点相对海平面发生位移，使波浪具有势能，而海水质点的运动，又会使波浪具有动能。故波浪能是海洋表面所具有的动能和势能的总和。另外，波浪能的大小还与风速、风的持续时间、流速等因素有关。 波浪能发电分为能量采集和能量转换两部分。采集系统的作用是捕获波浪能。能量转换系统的作用是把获得的波浪能转换为某种形式的机械能或电能。能量转换系统主要由空气叶轮、低水头水轮机、液压系统、机械系统、发电机等组成。 目前世界上已经研究开发了多种波浪能转换装置，用于波浪能的转换。波浪能技术主要分为三种，即振荡水柱技术、振荡浮子（点吸收）技术、越浪技术。振荡水柱技术是利用一个水下开口的气室吸收波能的技术。波浪驱动气室内水柱往复运动，再通过水柱驱动气室内的空气，进而由空气驱动叶轮，得到旋转机械能，或进一步驱动发电装置，得到电能；振荡浮子技术包括鸭式、筏式、浮子式、摆式、蛙式等诸多技术。振荡浮子技术是利用波浪的运动推动装置的活动部分-鸭体、筏体、浮子等产生往复运动，驱动机械系统或油、水等中间介质的液压系统，再推动发电装置发电；越浪技术是利用水道将波浪引入高位水库形成水位差，利用水位差直接驱动水轮发电机组发电。  Wave for Energy是一家致力于波浪能和海上风能技术应用的公司，该公司成立于2010年，总部位于都灵。该公司在机电一体化、海洋建筑和近海作业方面拥有强大的技术实力。 （一）技术简介 从意大利都灵理工大学（Politecnico di Torino）衍生出来的Wave for Energy公司开发出了意大利首个利用海浪发电的1:1比例装置，该装置于2015年8月8日停泊在距离潘泰莱里亚岛（Pantelleria Island，位于意大利南部）海岸850米的地方。在第一操作阶段，系统不会连接到岛上的电网，但会通过一系列电阻消散。在9至10月，Wave for Energy将铺设电缆管道，随后将其连接到电网，为地中海内外不直接与大陆电网连接的较小岛屿提供能源的部分补充。这些研究活动始于2006年，由都灵理工大学机械和航空航天工程系的Giuliana Mattiazzo和Ermanno Giorcelli领导的小组进行，带动了Wave for Energy工业化技术的发展，推进了第一台商用前机器的建造。 图1 由飞轮、陀螺和发电机组成的陀螺系统 波浪能转换器是波浪发电的核心技术。在过去的十年里，Wave for Energy将波浪能转换器ISWEC（惯性波浪能转换装置）从概念发展到一个100kW的设备。ISWEC属于振荡浮子技术中鸭式的延伸。如图所示，ISWEC主要由一个松弛系泊于海床的浮体构成，浮体内的核心装置是陀螺系统，陀螺系统的主要组件有飞轮（红色）、陀螺（蓝色）和取力器（PTO，绿色）。其中PTO固定在船体上，陀螺固定在陀螺系统上，飞轮、陀螺和PTO三者的重心一致。海浪作用到浮体上使其产生摇摆运动，摇摆运动被传递到浮体内部的陀螺系统，诱导飞轮以角速度ε旋转，飞轮的运动在x轴周围产生陀螺力矩，PTO利用这种扭矩来产生电能。如果ISWEC的陀螺速度在不同波浪状态下是恒定的，陀螺转速为600r/min的情况下，最大的年均产能为207.1MWh。如果优化陀螺速度，年均产能可增加19.3%，年均产能有可达到244MWh。 Wave for Energy在ISWEC转换装置方面申请了相关的专利。下表为专利的详细信息。 表1 Wave for Energy波能转换装置专利信息 （二）研究进展 步骤一：该项目于2009年开始小规模开发（1:45），并在爱丁堡（爱丁堡大学）、那不勒斯（Universita Federico II）和罗马（罗马大学）的波浪水槽中进行了测试。小规模测试证明了该系统的强大功能，并验证了用于开发下一个更大原型的单色线性数值模型。 步骤二：2012年研制了比例为1:8的中等模型。中等规模的测试可以评估ISWEC在规则和不规则波下的工作状况，并使用非线性陀螺仪对康明斯模型进行微调。 步骤三：得益于前两个阶段获得的知识，Wave for Energy凭借最先进的模型和实际的操作知识设计了最后阶段的设备。在Pantelleria岛上全面运行了额定功率100kW的全尺寸演示原型。该演示器已获得RINA（意大利船级社）的认证。 （三）ISWEC特性 1.密封船体 ISWEC没有活动部件暴露在海洋环境中。由于所有技术部件都被封闭在受保护的环境中，因此提高了设备的可靠性。这个特性在WEC（波能转换器）中几乎是唯一的。 2.对海浪气候变化的适应性 ISWEC具有两种适应波浪气候的方法，即飞轮速度和PTO控制律。飞轮速度由天气波预报算法控制，以适应长期海洋变化的条件。PTO在一个短期回路上进行控制，以适应下一个输入波（该公司制定的规则，工业机密）。 3.对环境影响小 该设备在外部看起来像是密封的船体，与环境没有任何相互作用。ISWEC松弛系泊于海床，无需在海床上安装刚性连接装置或地基，以减少对环境的影响并降低系泊成本。ISWEC运行平稳，不会产生任何可能干扰海洋动植物的噪音或振动。 4.减少维护 该设备的所有组件均在受保护的清洁环境中工作，因此从本质上实现了更高的可靠性。该设备增加了MTBF（平均故障间隔时间）并降低了MTTR（平均修复时间），普通维护之间的最小间隔为十年。 （四）ISWEC技术评价 同传统WEC相比，ISWEC将机械构件（PTO系统）放置在了浮子内部，机械系统完全与海水隔离，因此耐久性高；装置构造简单，维护容易；浮体部分的设计自由度高。但是ISWEC也存在一些问题，如成本高、效率低；飞轮作为ISWEC的核心部件需要经常转动，故对飞轮的构造强度要求高；大型化以后难以保证较高的能量转化率、耐久性等。目前ISWEC只进行到了全尺寸演示阶段，在实际海况中的工作情况未知，故是否具备推广价值还有待观察。 都灵理工大学作为Wave for Energy公司的技术来源方，在ISWEC转换装置方面做了诸多研究如：惯性波浪能转换器的模型预测控制、虚拟传感器的预测器的设计、单向陀螺波能转换器的设计、惯性波浪能转换器的系泊系统设计、基于计算流体动力学的惯性波浪能转换器数值波箱模型的开发、被动控制技术在ISWEC中的应用、用于模拟ISWEC波浪能设备的谐波平衡框架、全向陀螺波能转换器的设计及优化、ISWEC的液压动力输出装置的设计和控制等。其中，由Giuliana Mattiazzo团队设计的全向陀螺仪波能转换器由整体钢船体构成，船体侧面为半椭圆形，但从上往下看是矩形。实际的ISWEC装置是有方向性的，为了使其正确工作，船体需要在波浪方向上自适应。此次设计的全向装置能够吸收来自各个方向的波的能量，产生5~10kW的功率，并可为未连接国家电网的小岛或被排除在海洋系统之外的渔场提供能源；Massimo Canale团队研究的ISWEC的模型预测控制课题以模型预测控制（MPC）技术为基础，设计了ISWEC系统的控制器。通过使用ISWEC的线性模型实现MPC的优化，获得一种快速反应的ISWEC处理器控制单元，从而最大限度地提高系统的发电量。 同时都灵理工大学在ISWEC转换装置方面申请了相应的专利。下表为专利的详细信息。 表2 都灵理工大学波能转换器专利信息 （一）意大利Eni公司 2019年10月Eni、Cassa Depositi e Prestiti、Fincantieri和Terna签署了协议，成立一家公司来开发和制造波浪能发电厂。该协议计划在2020年下半年将首个ISWEC工业装置安装在西西里海峡Eni的Prezioso平台附近，并将其产生的电能输送到工业规模的电站中。 （二）意大利ARIS公司 ARIS公司是一家主要从事于车辆和特殊设备的设计、制造、维护和升级，该公司在民用和军用特殊产品生产领域占有重要地位。ARIS公司也和都灵理工大学合作共同建造并测试了ISWEC装置。ARIS负责生产ISWEC使用的PROMO和REMOTE陀螺发电机组，并和都灵理工大学建造测试了整个系统的比例模型。 2010年至2018年，全球部署了大约19MW的波浪能发电设备，不过一些设备在试验后已经停用。大部分项目都在欧洲，其他设备则部署在中国、日本、美国、澳大利亚和新西兰。美国能源部的一份报告显示，美国海岸的波浪能理论年发电量约为2.64万亿千瓦时，相当于美国2018年发电量的约三分之二。 （一）美国 2019年1月9日，美国能源部（DOE）为下一代海洋能源设备的项目研究资助了2500万美元，共有12个项目获得了资助。这些被资助的项目将通过测试新概念来降低技术成本并加速创新周期。12个项目中涉及的企业和高校有Oscilla Power、缅因大学、Atargis能源公司、哥伦比亚电力技术公司、夏威夷大学马诺阿分校、德州农工大学大学城研究中心等。其中Oscilla Power正在开发一种低成本的波浪能转换器，以释放世界海洋的巨大可再生能源潜力。该公司的Triton WEC是一种高效的多模式点吸收器，与其他WEC相比，它具有多模式能量捕捉、高效能捕捉和转换（平均效率>75%）、低成本的“拖曳”安装、高生存能力和可靠性等优点；Atargis Energy进行的一项最新研究—CycWEC（摆线波能转换器）。CycWEC直径为12m，翼弦长为5m，翼跨为60m，总最大发电功率为2.5MW。经过优化后，在年平均波浪功率30kW/m的波浪气候条件下，CycWEC平均将38%的波浪能转化为电能，年发电量约5.4GWh；哥伦比亚电力技术有限公司（Columbia Power Technologies）开发了“RAY”系列浮动式波浪发电系统。该系统涉及三类产品且应用各不相同，如用于船舶传感器和传感器阵列的DataRAY（<1kW）；适用于无人水下航行器的SeaRAY（1~5kW）；满足兆瓦级需求（>500kW）的StingRAY。 同年10月美国能源部选择了四个感兴趣的项目资助了2490万美元。其中一个项目是推进波能设备设计。该项目将推动WEC设备的性能改善，为开放水域测试做准备。获得该项目的企业有哥伦比亚电力技术有限公司、CalWave Power Technologies、IDOM和史蒂文斯理工学院。其中CalWave将设计其下一代潜水压差WEC；IDOM将建造下一代振荡水柱装置，该装置先前已在西班牙沿海进行过测试，这次将通过使用高级控件，改进结构设计和改进涡轮机设计，开发更具成本优势的设备；史蒂文斯理工学院将设计一个年平均100kW的WEC，该WEC采用了安装在单个浮力平台上的两个浪涌装置，这些浪涌装置将由一个集成的控制系统控制，根据波浪情况最大化发电量。 美国能源部能源效率和可再生能源办公室（EERE）还与爱尔兰可持续能源管理局（SEAI）共同为Ocean Energy和Vigor资助了1200美元，用于“OE Buoy”振荡浮子式转换器的研发制造。该项目生产的1.25MW的发电设备将停泊在60米深的泊位上，通过一条海底电缆将把它连接到夏威夷电网。目前爱尔兰“OE Buoy”装置在海上稳定运行了三年多，并经受了8.4m浪高的考验。 除了以上能源部资助的企业外，西北能源创新公司（Northwest Energy Innovations，NWEI）也从事海洋可再生能源开发。NWEI生产的WET-NZ是一种创新的“多模式”波能转换器，可以连续旋转360°或随意摆动，以最大程度地捕获能量。第二代1:2尺寸的WET-NZ设备已于2012年8月部署在俄勒冈州纽波特市西北部的西北国家海洋可再生能源中心（NNMREC）海洋测试点，并成功完成了测试。NWEI研发的20kW的Azura原型波浪发电设备于2015年5月部署在夏威夷，并通过海底电缆传输到电网为夏威夷提供电网电力，实现了美国首次采用波浪能发电装置为美国电网供电。 （二）日本 日本一直非常重视波浪能发电技术的研究与应用，在波浪能发电技术方面走在世界的前列，目前已建造1500多座波浪能发电装置。 日本在波浪能方面的研究机构较多，如冲绳科学技术大学院大学、广岛大学、日本大学、丰田工业大学、佐贺大学、山口大学、九州大学、东京大学、NEDO等都涉及波浪能发电装置的研发生产。其中日本冲绳科学技术研究所（OIST）2017年的一个项目计划将涡轮机与四角锥体块结合起来，不仅可以消耗波浪能量，还可以收获它。这些波能转换器（WEC）涡轮机将锚定到海底，并具有系泊缆索。每个涡轮机将具有五个直径为70厘米（27.6英寸）的叶片，并使用直驱永磁发电机。所产生的电能将通过支撑杆中的电缆引导回岸，以进入电网；2016年10月岩手县在久慈市的久慈港安装了波浪发电所，该项目主要成员是东京大学。这是日本第一个向电力公司输配电网供电的波浪发电站。该发电站宽为7米，高和深12米，重约80吨，固定在海底的岩盘上，浪接板高2米，宽4米。预计年发电量约为9万kWh，换算成一般家庭的用电量（3600kWh），相当于25户家庭用电量；2015年NEDO开发了空气涡轮式波力发电系统，在山形县酒田港进行了实证试验。该系统是将波浪的振动转换为空气的流动（一次转换）后，通过空气的流动使涡轮旋转发电（二次转换）的系统。该项目最大达到15kW级，验证半年左右。 日本也有不少企业涉及波浪能发电装置的研发和生产。2017年5月，三井造船在日本首次安装了“机械式波浪发电装置”，开始波浪发电试验。装置的主要规格为：装置额定输出功率为3.0kW，全长约13m，浮层直径2.7m，螺旋直径1.0m，空中重量约10吨。假设实证期间的平均发电量为600W，在这次的实证试验中不与电网连接，而在各种仪器类、通信设备中使用。剩余的电力作为备用，可随时供给容量为20kWh的锂离子电池；2017年5月Wave Energy Technology公司在神户进行了世界首个悬浮式波浪发电（Green Power Island，GPI）试验。试验机器长14米，直径14米，由铝制成，圆筒随着波浪上下活动发电，电力将通过输电电缆运输到陆地。该公司的技术可以利用低波浪，发电成本约为5~7日元/kWh，具有寿命长、不需要防污油漆处理、可远程监控操作情况等优点，可以用于零售、工厂等自主发电等场景。2018年4月，直径24米的GPI正式开始商业投产；2019年4月，平塚市与东京大生产技术研究所达成合作协议，2020年2月将在平塚新港建设名为“平塚波浪发电所的装置”，利用海面1.5米高的波浪，电力将达到45千瓦。 （三）欧洲 欧洲目前在波浪能技术方面处于世界领先地位，拥有全球60%的波浪能开发商。2015年欧洲委员会“地平线2020”计划为“海浪清洁能源（2015~2020）”（CEFOW）项目资助了1700万欧元，旨在部署具有改进发电能力的先进波浪能转换器，以提高波浪能的发展速度，并将海洋能源的平均成本降低30%。该项目在Fortum公司的领导下，得到了Wello Oy、Green Marine（UK）Ltd、埃克塞特大学和欧洲海洋能源中心（EMEC）等众多项目合作伙伴的支持。该项目预计在EMEC的苏格兰奥克尼西海岸的并网波浪测试站点上部署三只由Wello Oy公司生产的兆瓦级波浪能转换器，并已于2017年成功地将一台波能转换器并网到了奥克尼西海岸附近的国家电网中。 欧洲开展波浪能技术研究的院校主要有英国普利茅斯大学、爱尔兰国立大学梅努斯分校、瑞典乌普萨拉大学、英国爱丁堡大学、丹麦奥尔堡大学和英国伯明翰大学等。乌普萨拉大学对基于线性发电机的点吸收波浪能转换器方面的研究拥有丰富的经验，且一直在运营Lysekil波浪能试验场，并在与波浪能有关的环境研究领域做出了巨大贡献。普利茅斯大学作为英国研究波浪能最好的学校之一，在新兴波浪能技术的发展与长期环境问题等方面进行了研究。该学校的Robert Sutton团队通过使用流体力学软件对振荡水柱波浪能转换器进行建模，研究了如何使用控制工程技术来增加该设备的能源产量；Deborah Greaves团队通过开发用于WEC和系泊的非线性耦合动力分析的数值方法，研究WEC和系泊系统在极端波浪条件下的生存能力，为极端波浪载荷下的WEC和系泊系统优化提供解决方案。 欧洲企业在波浪能发电装置方面多集中在点吸收式波浪能发电装置。如苏格兰AWS海洋能源公司（AWS Ocean Energy）成功开发了点吸收式阿基米德海浪发电装置和AWS-Ⅲ波浪能转换器。阿基米德海浪发电装置适合部署于超过25m的水深中，并且可以将其额定功率配置在25kW至250kW之间。该技术于2004年在葡萄牙近海进行了测试，并于2017年中期开始在商用领域提供25kW的阿基米德海浪发电装置。AWS-Ⅲ是一种用于公用事业规模的波浪发电机，目前开发出的设备为4MW。2014年11月，AWS在奥克尼Lyness码头完成了单个AWS-Ⅲ发电装置的大规模安装；瑞典CorPower Ocean公司主要生产点吸收式波能转换器，该公司研发的直径为8米的浮标发电约250kW，足够200户家庭使用。2018年1月，CorPower Ocean在EMEC上成功测试了C3波能转换器；瑞典Ocean Harvesting Technologies公司2017年设计研究了一款新型的点吸收式波能转换器InfinityWEC。该装置具有先进的控制系统和飞轮能量存储装置，平均每年输出功率可达500kW，预计2020年进行海上测试。 （四）中国 我国拥有广阔的海岸线，海洋资源丰富，波浪能的理论存储量达到7000万千瓦左右。近年来在国家政策和资金支持下，尤其是2010年海洋能专项资金设立以后，先后有十几个研究所和大学开展了振荡浮子式、摆式、筏式等波能转换装置的研究。。目前开发的波浪能装置约40个，装机容量范围在10W到300kW之间，截至2018年底，波浪能电站总装机0.2MW，累计发电量超15万千瓦时。 2012年，广州能源研究所成功研制了“鹰式一号”，该装置启动波高为0.5m，最大工作波高2.5m，总装机容量20kW，鹰式波浪能发电装置实现了我国大型波浪能转换技术由岸式向漂浮式的成功转变；2015年，广州能源所研制的鹰式波浪能发电装置“万山号”在珠海市万山岛并网发电。该装置装机容量120kW，实际平均发电功率135kW，后续将继续扩大其发电装机量；2018年，广州能源所建成的“先导一号”装机容量260kW，通过2000米长的电缆由电站连接至岸上电力接入点，成功并入三沙市永兴岛电网；2018年11月，国家海洋技术中心能源室研制的漂浮式浮力摆波浪能发电装置完成了对装置液压系统的测试，在此前已完成的浮式平台和波浪能装置加工制造的基础上，开始进行安装调试工作。 目前世界上波浪能发电技术种类繁多，但真正在海洋中进行实海况实验的很少，并网应用的更是凤毛麟角。就现有的波能发电技术而言，可重点发展振荡浮子式波浪能发电装置。振荡浮子式因其效率高、成本低、可靠性好且建造不受海况影响，中国、英国、日本、瑞典、美国和丹麦等国不同程度地开展了振荡浮子式波能转换器的研究工作。
Wave for Energy的ISWEC虽然属于振荡浮子式波浪能发电装置，但是有专家指出我国的海况和国外海况有所不同，该装置是否适合我国的海况还需进一步考察与验证。如若要开发适合我国海况的ISWEC装置，需要针对我国近海波浪的特点，着重验证低波高短周期时的能量转化率。 |
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