文献综述(或调研报告):
1.波浪发电与直驱式波浪发电系统
随着世界经济的发展,人口的激增、社会的进步,人们对于能源的需求日益增长,原有石油资源已经不能满足可持续发展的需求。作为新能源的一种,海洋能(潮汐能、波浪能、洋流能、温差能)得到广泛关注和研究。其中,波浪能能量密度大,有较大的的开发空间。
海浪能单位小时变化小,可预测性好,且能量密度较高,全球储量丰富。研究表明:全球海岸线附近可被转换的波浪能源保守估计可以为人类提供 25 亿 kW 的电力,可解决全球 10%的用电量。我国海岸线长达 18 000 多公里,大小岛屿 6 960 多个,受季风控制,从黄海到南海形成一条东北—西南走向的波浪带。根据海洋观测资料统计,我国台湾及福建、浙江、广东、山东部分沿海海域年平均浪高在 1~2m 左右,渤海海域年平均浪高 0.5~1m左右;台湾及福建、浙江、广东、山东部分等沿海海岸波浪能密度 5~8kW/m,渤海海岸波浪能密度3~5kW/m。我国整个海岸线波浪能源十分丰富,总量约有 5 亿 kW,可开发利用的约 7 000 万~1.7 亿kW,具有广阔的开发利用前景。目前我国海上风力发电已经如火如荼地开展,潮汐发电也得到了较多应用,而波浪发电技术研究和应用相对落后,已经引起了决策层和业界的高度重视。
波浪发电研究目前在商用化方面的进程落后于风能和潮汐能,主要原因在于各类波浪发电技术都存在这样或那样的缺陷,由此带来的成本、效率、可靠性问题还没有完全解决,这些关键技术问题是目前学界和业界关注的焦点。
在利用波浪能发电过程中能量转换必然会造成能量的损耗,而且在波浪能的捕获过程中,也有能量的损失,因此如何提高波浪能的捕获率及减少转换过程中能量的损耗是波浪发电中必须要解决的问题。能量转换中间环节的存在使得系统复杂性增加,系统能耗增加,考虑到波浪发电装置所处工况,复杂的系统使得其稳定性和使用寿命也难以保证,在海上进行系统的维护极其复杂和危险。
直驱式系统一般采用直线发电机直接将波浪的机械能转换为电能。相对于现时的其他波浪能发电装置,直驱式 WEC 所需的离岸维护最少,被认为是现有的波浪发电系统中最具可行性的海上发电方式之一,具有很好的发展前景,因此,近 20 多年来得到了越来越多的研究。
目前,应用于波浪能发电的直线发电机较为常见的是永磁直线发电机,下文将近 30 年来国内外开展的主要相关项目叙述如下。
1993 年,Archimedes Wave Swing(AWS)项目组开始对永磁直线电机波浪发电进行研究,实现了全浸式浮体与发电机同体驱动发电。2004 年,首台原型机在葡萄牙海域投放,直至 2017 年,AWS 项目研发并测试了额定功率为 25kW 的 AWS-III,机理与早期 AWS 的区别在于采用了点式海底平台,降低了投放与组装成本。2004 年,瑞典 Lysekil 项目提出半浸式浮体外接发电机驱动发电方法,并于2006年在瑞典西海岸投放第一台功率为10kW的原型机,至 2017 年底为止,共投放总量接近 20 台的发电装置。美国俄亥俄州立大学连同 ColumbiaPower Inc 合作项目自 1998 年开始研究永磁直线波浪能发电机理,于 2008 年投放并测试了第一台10kW 原型机,随后于 2010 年研发了 1kW 的SeaBeav,采用圆筒型永磁直线发电机进行电能转换。罗德岛大学 Gemme 团队研究了新型半浸式浮体直驱永磁直线发电机,设计 5kW 原型机,命名为 DC2,并于 2013 年成功投放测试。中国在直线波浪能发电方向,最有代表性的研究成果是吴必军团队于2011年在珠海大万山岛外投放的额定功率为 10kW 的哪吒一号;2016 年,该团队提出了新型的漂浮式直线发电原理,并进行了水槽实验。此外,东南大学胡敏强教授带领的研究团队对永磁直线波浪能发电也进行了长期的研究。
2.直驱式波浪发电系统中的整流电路和直流变换电路
