海洋可再生能源是解决能源短缺与环境污染问题的重要方案之一，也是进行深远海开发、海岛建设及国防建设的重要支撑。
在众多海洋可再生能源中，波浪能具有品质好、易利用、能流密度较大、分布广泛等优势，被广泛研究应用。
本文以各种型式波浪能发电装置为出发点，综述了海洋波浪能研究进展，介绍了波浪能发电装置的工作原理、主要类型、技术、工程实例，指出波浪能发电装置发展趋势为以大型化及阵列化为基础进行商业化开发。
海洋能指海水中的可再生自然能源，包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能和盐差能等。
据评估，全球波浪能资源总量达3.7 TW，波浪能因其储量庞大、能流密度较大、易获取及环境影响小等优势，成为海洋能研究与开发的焦点。
20世纪70年代，为应对石油危机及气候变暖等问题，各国已提出并研究多种型式的波浪能利用装置。
波浪能发电装置工作原理及技术
波浪能发电装置工作的基本原理：通过捕能机构捕获波浪中的能量，再利用能量转换-传递系统将捕获的能量进行传递、存储、变换等处理，最终以电能型式输出。
波浪能从获取到利用一般包含三级能量转换过程：一级转换是利用捕能机构将波浪能转换为可供装置利用的其他能种形式（空气动能或水体势能）或装置持有的机械能；二级转换是通过能量转换传递系统将捕获的波浪能转换为发电机所需的能量；三级转换主要是通过发电机及电力变换设备输出用户所需的电能。
波浪能发电装置原理示意
波浪能装置子系统主要包括水动力子系统、能量摄取子系统、反作用子系统及控制子系统等。虽然波浪能发电装置种类繁多，但从能量转换原理看，已收敛至振荡水柱式、聚波越浪式及振荡体式三大类。
波浪能装置分类
- 振荡水柱波浪能发电装置
振荡水柱波浪能发电装置是发展最早的波浪能发电装置，整体获能效率可达29%。
该类型装置的优点是能量转换系统结构较简单，对地形的依赖性较小；无水下活动部件，减弱了波浪的破坏性，避免了海水腐蚀及发电机组密闭性问题，可靠性高。
装置以气体为能量转换介质，由于其能量密度较低，因此转换效率不高；此外，由于气室所需体积一般较大，基建费用较高。
振荡水柱波浪能发电装置原理示意
目前对于振荡水柱波浪能发电装置的研究方向主要集中于两方面：
（1）对气室结构及空气透平能量转换机理研究，对其进行结构设计及优化，提高各级能量转换效率；
（2）进行海洋能-电能的各级能量转换过程耦合研究，设计并优化全过程控制策略，提升装置整体获能效率。
- 聚波越浪式波浪能发电装置
聚波越浪式波浪能发电装置作为一种典型的波浪能发电装置，其整体获能效率可达到17%。
聚波越浪式波浪能发电装置以水体为能量转换介质，能够将较不稳定的波浪能转换为蓄水池内相对稳定的水体势能，发电出力相对平稳；该类型装置活动部件少，抗风浪能力强，可适应于各种极端海况，具有较高的稳定性及可靠性。
聚波越浪式波浪能发电装置原理示意
聚波越浪式波浪能发电装置关键技术包含波能高效收集及高效转换技术，对蓄水池结构形式及参数进行优化设计以提高越浪量，对出水管道及低水头轮机进行设计优化提高能量输出，提高系统兼容性及系统性，提高装置整体获能效率。
- 振荡体式波浪能发电装置
振荡体式波浪能发电装置近年来发展较快，且结构型式多样，已成为一种新的研发趋势。
该类装置以捕能机构本身作为转换介质，直接与波浪作用，通过机械或液压系统传递能量，因此能量转换效率通常较高。
振荡体式波浪能发电装置原理示意
装置可利用锚固系统在不同水深条件下工作，结构灵活，且体量相对较小，易于向深水阵列布置型式推广。
振荡体式波浪能发电装置的研究方向主要包括装置结构形式设计优化、多自由度、系统控制及获能谱理论研究，提高系统获能效率及装置可靠性。
国外波浪能发电装置样机实例
早期，在挪威、日本、印度、葡萄牙和英国等国实施了实海况原型机测试的波浪能发电装置多为固定式振荡水柱装置，且均采用了威尔斯透平技术驱动发电机发电。
振荡水柱装置与岸式防波堤相结合可降低工程造价，具有明显开发优势。
典型工程为西班牙穆特里库港口的300 kW波浪能电站，该电站于2011年投入使用，截至2018年6月电站总发电量为1.6 GW·h，目前仍在并网发电。
穆特里库波浪能电站
近年来，离岸漂浮式振荡水柱装置正成为研究热点。
由美国海洋能源公司制造的500 kW后弯管式振荡水柱装置计划在夏威夷的波浪能试验场开展长期测试。
该项目由爱尔兰可持续能源管理局和美国能源部共同支持。前期，在爱尔兰戈尔韦湾试验场进行了多次1/4比例样机测试，实海况测试时间累计超过24000小时。
后弯管式振荡水柱装置
典型的聚波越浪式装置有丹麦Friis-Madsen公司开发的波龙（Wave Dragon）装置。
最初，公司在Nissum Bredning试验了装机容量为20 kW的样机，初步实现了并网发电。后期，针对大波浪环境的比例样机投入运行，成为世界上首座漂浮式越浪式波能发电装置。
Wave Dragon的进一步应用开发包括在威尔士建设的7 MW波浪能示范项目和在葡萄牙开展的50 MW波浪能发电厂。
Wave Dragon装置1:4.5比例样机海试
应用振荡体式设计的发电装置实例较多，其中典型代表为美国Ocean Power Technologies公司研发的OPT PowerBuoy装置。
该装置获得了多个测试项目资助，并已完成了装机容量40 kW（PB40）与150 kW（PB150）原型样机的海上实测。目前该公司主推3 kW的全自动化PB3型设备。
OPT PB3 PowerBuoy装置样机海试
芬兰AW-Energy公司于2019年秋季在葡萄牙佩尼切海域布放了首台350 kW波浪能装置WaveRoller，并实现了并网测试。
该装置属于淹没摆式结构，可部署在8至20米深度的近岸区域（距海岸约0.3—2公里），根据潮汐条件，装置大部分或完全淹没并锚定在海床上，并可根据需要形成阵列布置。
WaveRoller装置
通过与海底系泊连接的浮式结构代表为丹麦Crestwing公司开发的Tordenskiold装置。该装置的设计、研究、优化与测试工作于2005年开始进行，后续进行了模型样机测试工作。
装置原型样机于2015年开始建造，其尺寸为30×7.5 m，由钢制成，重量为65吨。2020年2月至11月，装置在丹麦希尔斯霍姆岛附近完成了第二阶段海试，下一步将在汉斯特霍尔姆海北部开展锚固及发电系统的优化测试。
Tordenskiold装置样机
WEPTOS装置为漂浮式多浮体结构装置，由丹麦Weptos A/S公司开发。
该装置于2016—2017年开展了“WEPTOS OFFSHORE #1”样机的海上建设、测试与并网发电工作，目前该公司正在开展1 MW级装置的开发与商业化产品的融资合作。
“WEPTOS OFFSHORE #1”样机海试
波浪能发电装置发展趋势
波浪能装置的进一步商业化应用面临着3个主要的问题：
（1）从能量转换率来看，波浪能转换的技术发展还处在不成熟的阶段；
（2）波浪俘获海域的环境条件带来的能源开发不确定性；
（3）波浪能开发在目前阶段存在经济性问题。
现今，波浪能利用正处于一个关键的转折期，各国科研机构、新能源企业的研发突破重点从机理技术研究转变为如何降低波浪能开发的能源成本，以获取与其他各类新能源进行市场竞争的机会。
为解决高成本问题，首先需要继续深入研究各类主流波浪能发电装置的机理，优化控制策略，提升捕能效率。
其次多元化和综合利用是波浪能发展的新方向，可将波浪能发电装置与其他海上结构耦合开发，综合利用。
最后需广泛开拓波浪能利用领域，可利用波浪能进行海水淡化、制氢、提取海洋贵重金属等，可将海岛供电作为市场需求的突破口，利用海岛周边自有的波浪能解决传统能源供电不便，海能海用。
随着波浪能发电装置高效性、可靠性、生存性、可维护性等技术的日趋成熟，波浪能发电与传统能源发电的电力成本差距会被进一步缩小，进而吸引政府和能源企业投资，在合适的区域补充或替代传统能源发电。
结论
目前，波浪能开发面临诸多挑战，如波浪能装置获能效率不高、装置结构安全性、稳定性要求较高等。
因此，各类波浪能发电装置研究目标主要在于优化装置整体发电性能（包括发电稳定性及效率），提高装置可靠性及可维护性，增强装置在极端海况下生存能力。
随着研究技术不断发展，波浪能发电技术日益成熟，从基础研究逐渐发展至示范阶段，部分装置已进入商业化运行阶段。在波浪能商业化开发利用中，波浪能发电装置逐渐向大型化、阵列化方向发展以降低成本。
作者简介：
史宏达，中国海洋大学青岛市海洋可再生能源重点实验室、青岛海洋科学与技术试点国家实验室，教授，研究方向为海洋能利用技术；
刘臻，中国海洋大学，教授，研究方向为海洋可再生能源开发与利用。
论文全文发表于《科技导报》2021年第6期，原标题《海洋波浪能研究进展及发展趋势》，本文有删改，欢迎订阅查看。
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