根据调查和利。用波浪观测资料计算统计,我国沿岸波浪能资源论平均功率为128.52.万兆瓦。其中,台湾省沿岸最多,占全国总量的1/3。其次,是浙江、广东、福建和山东省沿岸较多,在1609~2053兆瓦之间,合计为7062.36兆瓦,占全国总量的55%。广西沿岸最少,仅80.9兆瓦。其他省市沿岸较少,仅在143562兆瓦之间。在此指出,因缺台湾省沿岸的波浪实测资料,其波浪能资源理论平均功率是利用台湾岛周围海域的船舶测报波浪资料,折算为岸边数值后统计计算的,未经岸边实测波浪资料验证,只能作为台湾省沿岸波浪能资源理论平均功率数量级的参考。
全国沿岸波浪能流密度分布,以浙江中部、台湾、福建省海坛岛以北,渤海海峡为最高,达5.11~7.73千瓦/米。这些海区平均波高大于1米,周期多大于5秒,是我国沿岸波浪能能流密度较高、资源蕴藏量最丰富的海域。其次是西沙、浙江省的北部和南部,福建南部和山东半岛南岸等能源密度也较高,资源也较丰富,其他地区波浪能能流密度较低,资源蕴藏也较少。
我国沿岸波浪能能流密度分布是:浙江中部、台湾、福建海坛岛以北,渤海海峡和西沙地区沿岸最高。其次,是浙江南部和北部、广东东部、福建海坛岛以南及山东半岛南岸。渤海、黄海北部和北部湾北部沿岸最低。一般岛屿附近比大陆岸边高,近海外围岛屿比沿岸岛屿高。
波浪能发电的早期利用
20世纪60年代初,日本的益田善雄研制成功航标灯用波浪发电装置,开创了波能利用商品化的先例,也是迄今最成功的商业化波能产品。
70年代,在受到石油危机冲击之后,许多工业化沿海国家陆续开始对波浪能进行有计划的研究开发。以英、美、挪、日为代表的各国专家在对众多的波能转换装置进行了较全面的实验室研究后,筛选出几种有前途的转换方案。80年代以来,波浪能利用不再以在近海、沿岸布放众多转换装置阵列的大规模、商业化开发为目标,而转向以为边远沿海和海岛供电的中小型实用化、商品化装置为目标,进行应用示范研究,并基本建立了波浪能装置的设计理论和建造方法。
70年代末和80年代中期,日本海洋科学技术中心与美国、英国、挪威、瑞典、加拿大等国合作,将几种转换装置安装在漂浮式载体,即著名的“海明”号船上,进行了两期联合试验研究。在降低发电成本、装置载体系泊和向陆地送电等一系列技术问题上取得了一批成果。但“海明”号的发电效率却令人失望,仅约为6.5%。
全世界近30年建造的波能示范和实用装置在30个以上。日本是近年来研建波浪电站最多的国家,先后建造了漂浮式振荡水柱装置、固定式振荡水柱装置和摆式装置10多座。其装置的特点是可靠性较高,而效率较低。
20世纪90年代,在有利的大环境下,波浪能作为海洋能开发技术中较为成熟的一种,因其产品在海岛地区有广阔的市场,据欧盟专家预测在40多个国家的市场潜力约为70亿美元,又在世界范围内重新受到重视。开展波能利用研究的国家有20多个。尤其是英国、日本、挪威等国对波浪发电的研究最为踊跃,其技术已基本成熟。
波能利用技术已经历了装置发明、实验室试验研究、实海况应用示范等几个阶段,设计和建造中的问题也已基本解决,现在已具备应用条件。下一步是建造达到商业化利用规模的波能装置,实现降低成本、提高效率和可靠性的目标。
我国波浪发电研究虽然起步较晚,但在国家科技攻关、“863”计划支持下,发展较快。微型波浪发电技术已经成熟,并已商品化。但是,我国波浪发电装置示范试验的规模远小于挪威和英国,转换方式类型远少于日本,且装置运行的稳定性和可靠性等还有待研究提高。
波浪能发展的前景
波浪比较有利的条件下今后进入能源市场的潜力时,假定的条件是:在今后10年中,对波浪能研究、开发和示范给予适度的支持,以便能在10年后使波浪能技术变得成熟,并有经过验证的可靠而耐用的设备。
如果那样,依靠组件式设备,波浪能就可成为一种在边远地区用以替代柴油和其他能源的新能源。太平洋和加勒比海的一些岛屿将是开发利用波浪能的主要市场。现在那里每人每天的用电量约为2千瓦·小时,其中一半可由新能源代替;到2020年,波浪能发电可占领替代能源市场的1/3。
此外,还有第二市场,即海水淡化,也可由波浪能占领。海水淡化市场包括干旱地区的迎风沿海和一些岛屿。而且这个市场要比替代能源市场大一倍。现在这些地区每人每天的需水量约40升,到2020年,随着人口的增加,50%的用水将来自淡化水。波浪能可能会占领淡化水市场的三分之一。
如果进一步加强研究和开发,使波浪能发电成本进一步下降,从而能在供电系统中取代热力发电的话(这种可能性不大,无需进一步考虑),波浪能的利用程度将会比前面描述的提高一个数量级。
即使在比较不利的条件下,即波浪能研究、开发及示范工作得到的支持很少,核算常规能源成本时不考虑环境代价,并且波能发电的成本与效益比没有什么提高,在波候条件较好的边远地区,波浪能仍有可能取代柴油发电,但在供电市场和淡化水市场中的占有额将会比较小。
从几个方面来看,目前波浪能技术尚不成熟。现在无法比较确切地判断已研制出来的那些装置中是否采用了最好的技术,或者是否还可研制出更好的技术。此外,目前还没有足够的经验来预测现已投入使用的那些设备的寿命,也没有足够的经验来预测运行或维修方面的问题,或预测是否可通过改进设计来减少这些问题。
随着技术的逐步成熟,今后波浪能的成本会明显下降,总体性能会有较大的提高。波浪能技术何时能达到成熟阶段,取决于能否不断地对研究与开发给予适当的支持。当前,开发波浪能资源的风险很大,而投资的回报又很遥远,因此难以吸引私营企业的投资。能否对示范项目给予支持以及能否为初期的商业项目制订鼓励政策,也将影响着波浪能技术成熟的时间。
对波浪能在未来能源市场中的位置所做的估计,虽然不很确切,但是下述结果是很可能的:在较为有利的条件下,到2020年,波浪能每年可提供12亿千瓦·小时;在最好的条件下(但这是不大可能的),波浪能电力可达100亿千瓦。这些电力分别相当于2.5吨油当量,0.2吨油当量和22.3吨油当量。
§§§第四节著名的波浪能发电站
早期的波浪发电站
早期的波浪发电是一种浮标式波力发电装置,此装置多为中心管式的,它虽然具有简单、是由传统浮标改造而成等优点,但也有重量大(达5吨多)、对周期较短的波浪不易做出回应、吃水深等特点,目前只适用于水较深、波高≥0.3米、波周期≥2.5秒的水域。
日本益田善雄之子和西川公一发明的后弯管浮标式波力发电装置,克服了上述缺点。后弯管浮标由弯管和浮室组成,弯管背对来波方向,向后开口,故名后弯管。这种浮标不仅可以利用浮标的升沉运动,还可以利用浮标的纵荡运动,更主要是利用浮标的纵摇运动,激励弯管内的水柱振荡,从而使弯管上部气室发生吸气、排气,把波浪能转换为往复空气动能,推动涡轮发电机组发电。它重量轻,通常只有2~3吨;吃水浅,仅1米左右。目视尺寸相同情况下,其气室面积比中心管浮标式气室面积大得多,在浅水微浪水域的性能也比后者优越得多。月起投放在珠江口伶仃洋北端、上横档岛北面水域,进行实用试验。
“海明号”波力发电船
日本是波力发电实用化的先驱,在空气室内靠波浪造成的K./J变化进行发电,早在1965年就已研制出输出功率10瓦级的浮标灯,已经投入实际应用,现在已有600多台这种浮标在运行中。1970年,日本海洋科技中心依据同样原理研制出最大输出功率达2000千瓦的“海明号”船型发电装置。
第1期海上试验在1978~1980年进行,开始时装3台2阀式空气涡轮发电机组,涡轮直径1.4米,每台机组额定功率为125千瓦,后来增装4阀式机组5台,总共8台机组(发电工艺流程基本上如前面所述)。“海明号”试验的成就是研制了20世纪最大出力的波力发电装置,实现了无故障运行,年发电量19万千瓦时。运行较好的1台机组在有效波高为3米时最大发电功率为110千瓦,每台平均17.5千瓦。验证了系泊安全,实现了小规模的自海上浮体通过海底电缆向陆上送电的计划,有1台机组与陆地电网并网(冬季3个月)。但是,它的发电成本为常规电站的10~20倍。1980年以后,“海明号”又进行过结构与性能的改进试验。
珠江口大万山岛波力试验电站,是我国第一座岸式波力电站,由广州能源研究所研建。波力发电装置的空气涡轮机的转轮叶片是对称结构,转轮外径为1米,采用变速恒频交流发电机,额定转速1780转/分钟,工作转速变化范围900~2200转/分钟。
在研建初期,海水波浪高按3米设计,涌入空气室后水柱可达7米高,涡轮发电机组计划安在空气室上方的台板上,但台风来临后使室内水栓喷射高度达50米左右,并将厂房冲毁。为了电站的安全将原电站结构进行了3项改造。