陈喜龙，王志平，谷汉斌，熊　玮，潘桂凰

（1.神华国华（舟山）发电有限责任公司，浙江　舟山　316000；2.舟山港股份有限公司，浙江　舟山　316000；3.浙江海洋大学，浙江　舟山　316000）

0　引言

目前，全球不可再生能源占能源消耗比例极大，存在枯竭的危险。因此，可再生能源成为未来解决能源问题的重要来源，包括水能、太阳能、风能、海洋能、地热能等。其中，海洋波浪能是主要的海洋能源之一，全球储量约25亿kW[1-2]。尽管海洋波浪能大部分分布在西风带海洋水域[3]，但是我国海岸线很长，很大范围海岸水域波浪能处于可开发利用范围，总可开发利用功率约3 000～4 000万kW[2，4-6]，由此，海洋波浪能源利用成为我国重要研究开发领域。

1799年法国吉拉德父子获得最早波浪能利用机械发明专利。1854—1973年119年间，英国登记了波浪能发明专利340项，美国61项。在法国，可查有关波浪能利用技术有600多种。1910年，法国布索·白拉塞克建了第一座气动式波浪发电站。1960年代，日本研制成功用于航标灯浮体上气动式波浪发电装置。从1970年代以来,中国也开展了此项研究[1]，英国、日本、挪威等国为波浪发电研究投入大量人力物力，成效最显著。目前欧洲、澳洲和美国等更是对波浪能源利用给予更大期望，一方面进行科学试验研究，一方面进行了许多波能转换装置海洋试验，以提高波浪能捕获，能源转换和并网等技术。我国也开始投入更多的资金，参考发达国家经验，以期获得关键技术突破。

浙江海域年平均波浪能功率5.32～7.31 kW[7-11]；近海年平均波浪能功率2～6 kW[12-13]；该海域波浪能利用有效时间长[14]，具有很好的开发利用前景。舟山群岛由1 390个大小岛屿组成，海洋经济新区的成立，带动新一轮发展，势必极大增加能源需求[15]；而其海洋能源资源丰富，有条件充分利用海洋能源。所以，在此探讨舟山海域波浪能利用方案与设想是非常有意义的。

1　波浪能发电原理与波浪能利用技术发展

为了利用波浪能发电，目前人们提出各式各样波浪能源转换装置[16-24]。按地理位置，可分为岸式[25-27]、近岸式和离岸式[28]。按波浪能转换装置结构形式分为漂浮震荡式、点吸收式[29]和平台式[30]。按波浪能转换装置的操作形式，分为淹没压差式、 摇摆式[31-32]、 OWC（震荡水柱式）[33-34]和越浪式装置[35]。

然而，一些装置可能带有几种分类特性。Babarit对能够收集到详细数据资料的各种波浪能装置捕能效率采用波浪能捕捉宽度比（装置捕捉波浪能/单宽理论波浪能/装置特征宽度）[36]进行了比较。各类装置波浪能捕捉宽度比范围在3%～182%，每类装置效率有高的也有低的，不同类型转换装置特性统计见表1。因此，无法判断哪类装置有明显优势或劣势，在实际应用时，应该根据具体装置的特性进行选择。

国内外波浪能转换装置发展呈现几种趋势：

（1）从装置本身来说，完善单体装置水动力特性，提高波浪能量吸收效率。

（2）降低波浪发电成本，研究波浪装置阵式布置，形成规模化，便于商业化运营。

（3）进行波浪能源装置海上测试。

（4）完善储能方式。

（5）安装海上波浪能、风能、潮流和太阳能复合装置等。

2　舟山波浪能资源分析

舟山位于浙江省东北部，东邻东海，西面杭州湾，南面与浙江省大陆相距3 km左右，北面长江入海口。该海域众多外岛面临广阔东海，海域波浪资源丰富，是我国波浪能量储量最大的海区之一（见图1）。有居民的海岛能源都十分紧缺，这些海岛多远离大陆，供电、供水紧张，严重制约了海岛经济发展。因此，在深远海及边远海岛充分开发利用波浪能、海上风能资源，使之由近岸走向深远海和边远海岛，加速产业化、规模化，打破能源困境，缓解能源危机，促进舟山地区可持续发展，迫在眉睫，意义深远。

图1　舟山海域岛屿分布

据文献[7]研究表明，东极岛至中块岛之间，谱峰周期7～9 s波浪蕴藏波浪能功率占全年50%左右，0.8～1.8 m有效波高所产生波浪能占全年70%左右；台门镇和虾峙镇以东海域，谱峰周期6～9 s波浪蕴藏波浪能功率占全年70%左右，0.8～1.8 m有效波高所产生波浪能占全年60%以上；壁下乡大嘴岛以东，嵊山以北海域，谱峰周期6.5～8.5 s波浪蕴藏波浪能功率占全年50%左右，特别是6.5～7.5 s波浪能储量较大，0.8～1.8 m有效波高所产生波浪能占全年60%左右，0.8～2.2 m有效波高所产生波浪能占全年75%左右。年均波浪能功率密度在5～6 kW/m，波浪资源丰富。

表1　不同类型波浪能源转换装置特性统计（基于Babarit研究[36]和M4资料）

舟山市陆域面积1 440 km2，海域面积2.08万km2，大小岛屿1 390个，岛屿岸线2 444 km，外岛多位于-20 m等深线以外，这里水深、浪大，是波浪能利用的好场所。外岛分布总体看，从南向北呈SSW（南偏西南）到NNE（北偏东北）走向分布。局部外岛又呈群岛式、孤岛式、环抱式、外突式等等（图2—图5），可以按岛屿特征采用不同波浪能利用方式，综合开发利用。下面依据波浪能装置特点提出一些建议和展望，希望为本地区波浪能利用提供参考。

图2　群岛式

图3　孤岛式

图4　环抱式

图5　外突式

3　舟山海域波浪能的利用方式

尽管舟山海域波浪资源丰富，但每年有4次左右台风登陆，对装置安全存在巨大威胁，因此在波浪能利用的设计、建设、安装和运营维护等方面都要引起足够重视。

另外，可以依据海岛特征利用波浪反射、聚焦、浅水变形和爬坡等特性，提高波浪能利用效率。还要考虑环境影响，尽量减少对环境较大改变，具体方案如下：

3.1　岸式

岸式波浪能转换装置受潮位影响较大，舟山海域可以将波浪能利用和潮汐能利用结合起来，特别在群岛式或环抱式岸线上。该海域外岛至少10个以上海湾面积大于2 km2，具有建成潮汐和波浪能利用发电厂的水域面积和波浪资源。波浪能转换装置可以采用越浪式、震荡水柱式或点吸收式（见图6），可以连接陆域建成封闭水域，使连接的堤坝基本垂直常浪向和强浪向，利用波浪反射增大堤前波高。如采用越浪式波浪能设施，利用深水大浪的同时，堤体结构反射增加了越浪量。也可以利用震荡水柱式装置，在这方面我国具有大型沉箱结构设计、施工建造能力；建造大型底部开孔箱体，上部设汽轮发电机透气孔，即可实现震荡水柱式波能利用装置。或者还可以利用固定点吸收式装置，在堤坝上安装滑杆和振动浮子，利用浮子吸收波浪能。同时设置单向水流进入的流道，涨潮时蓄水发电、落潮时放水发电。形成波浪能和潮汐能综合利用的发电设施。

图6　波浪能潮汐能综合利用场所设想

在孤岛式和外突式岛屿上（见图7），波浪能装置可以采用越浪式、震荡水柱式或点吸收式。可以局部处理岸线使其基本垂直常浪向，利用波浪反射增大堤前波高。或利用岸线夹角，稍作工程处理使其形成局部波浪能集中的区域，提高波浪能利用效率。

图7　利用波浪反射或夹角波浪能集中的波能利用场所设想（岸式）

岸式能源转换装置使用，方便利用海岛电力进行海水淡化，解决海岛淡水不足的问题。在局部海湾筑坝拦水，势必引起其他附近水域水流流速变化，在流速增大的水域可设置潮流发电设施。

波浪能、潮汐能和潮流能的综合利用要以海域资源细致调查为基础，首先了解自然资源，然后进行拟建工程水域内资源重新分配的模拟调查，包括详尽数值模拟和必要物理模拟，指导工程设计、优化和实施。

3.2　近岸式

在相对较浅的水域（一般水深小于1/2波长），通常采用适用于近岸波浪能转换装置，如摇板式、系于海底基础上的点吸收式或安装于固定平台上的点吸收式等。这里也可充分利用波浪传播特性，寻找与波浪入射方向接近垂直的岸线前浅水域、或具有水深沿波浪传播方向陡然变浅的水域、或能够产生波浪能集中的夹角水域，如图8所示。适当处理附近岸线，以便于波浪能量集中，这种处理须尽量减少对环境的影响。为了能够充分利用波浪能，波浪能转换装置在浅水水域按阵列布置，形成规模、降低单位成本。同时考虑阵列布置方式时，使该布置每一个装置的波浪能吸收能够达到最大化。这种布置方式的比较需要有数值或物理模型试验来提供科学支持。

图8　利用波浪反射或夹角波浪能集中的波能利用场所设想（近岸式）

在这类水域还可以考虑波浪能和潮流能、风能的综合利用，提高海洋能利用效率。如采用固定平台上点吸收式浮子装置吸收波浪能，平台上部可设风机塔，支撑平台的结构下部安装低水头水轮机，利用潮流能发电。

3.3　离岸式

漂浮震荡式波浪能转换装置适用于离岸深水区。如前所述，有各种各样的漂浮震荡式波浪能装置，其中M4（系泊多浮体多模式），见图9，波浪能转换装置具有很高的波浪能捕获效率[37-40]，按Babarit对装置波浪能捕捉宽度比的定义，其波浪能捕捉宽度比最大达182%。该装置设计适用于离岸深水海域，物理试验模拟显示能在16 m巨浪情况下生存。它由3个吸收波浪能的浮体沿波浪传播方向一字排开，迎浪为最小尺度浮体，锚链系于该浮体上；中间为中尺度浮体，和小尺度浮体刚性连接；第3个为大尺度浮体，其上部刚性连接一钢梁与中间浮体上的立柱铰接；发电机构是连接立柱和钢梁的气缸。该装置不同尺度浮体对应不同自振频率，可较好利用共振原理吸收海上不同频率波浪。系泊多浮体多模式M4波浪能转换装置已完成大量理论分析、数值和物理试验研究，具有完善的研究基础，因此，设想在舟山外岛深水海域使用。以岛屿为支撑，提供陆域支持，浮式多模式波浪能装置设于深水大浪区，可以较好利用波浪资源，使电力转换最大化。同时考虑阵列式布置，提高电量生产、降低单位电价；设想布置见图10。该装置的研究仍在进行中，包括浮式多连体物体运动数学模型、锚泊系统模型和流体水动力学模型及相关物理模型，并有效地结合；进一步优化装置机构；研究各种海况情况下装置波浪能捕捉宽度和极端海浪条件下结构受力等，为设计提供科学依据。

图9　M4波浪能源转换装置

图10　浮式、多模式、潜浮的波浪能装置在深水区波能利用场所设想

离岸深水区也可以考虑波浪能、潮流能、风能、甚至太阳能的综合利用，但综合利用的设施复杂，海上环境条件又非常恶劣，在装置研究不很成熟的情况下，考虑单一装置比较实际。

4　结语

以上首先介绍了波浪能利用的发展现状和趋势；然后分析了舟山海域波浪资源，介绍了舟山4种岛屿特征形式；结合国内外波浪能源装置研究和舟山海域外岛特征及波浪资源，提出了适用岛屿岸式、近岸和离岸式波浪能利用设想和展望。特别是近岸围湾筑坝综合利用潮汐、波浪能和潮流能，试图寻求能源最大化的利用模式，及离岸漂浮多模式波浪能转换装置既能高效捕捉波浪能又具有抗台风浪能力，为波浪能源开发利用提供参考。