波浪能发电技术及其相关专利_王伟宏.pdf

-11-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 7 期专利分析波浪能发电的概述党的二十大提出：加快发展方式绿色转型、积极稳妥推进碳达峰碳中和，根据中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见国务院关于印发 2030 年前碳达峰行动方案的通知等重大战略决策，围绕“双碳”目标，推进绿色低碳技术创新和专利产业化，2022 年 12 月，国家知识产权局印发了绿色低碳技术专利分类体系，绿色低碳技术一级技术分支包括化石能源降碳技术、节能与能量回收利用、清洁能源、储能技术、温室气体捕集利用封存等 5 个技术分支，其中，清洁能源包括水能、太阳能、风能、海洋能、地热能、氢能，生物质能、核能等8 个二级技术分支。同时，国际能源短缺危机以及全球气候问题日益突出，可再生能源被全球越来越重视，我国双碳目标的提出，给可再生能源系统的发展注入了强大动力。在“双碳”目标的推动下，清洁能源逐渐成为能源未来发展的主流方向。海洋能源是一种极具潜力的再生能源。国际能源总署认为，海洋能源每年的发电量，分别为：海洋温差发电 10 000MWh、波浪发电 8 00080 000MWh、海流（包括潮流和洋流）发电超过 800MWh、潮汐发电超过 300MWh、盐差发电 2 000MWh。波浪能的综合利用为人类生存的发展开拓了更广阔的空间。波浪能作为一种蕴含在海洋中的可再生能源，具有可再生性和绿色环保优点。波浪能是海洋能的一种具体形态，也是海洋能中最主要的能源之一，波浪能作为一种清洁可再生能源，它的开发和利用对缓解能源危机和减少碳排放起着至关重要的作用。波浪能发电的工作原理及类型波浪能发电原理是通过波浪能捕捉装置吸收波浪能，吸收的波浪能通过传动机构转换为机械能，最后将机械能转化成电能。波浪能发电系统的装置通常包括三部分：第一，捕获波能的波浪采集装置；第二，把捕获的波浪能转换为如空气或水的压力能、水的重力势能的机械能转换系统；第三，发电系统，其与常规发电装置类似，用空气涡轮机或水轮机等没备将机城能转换为电能。波浪能发电技术类型多样，根据安装形式分为固定式、行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度波浪能发电技术及其相关专利王伟宏 王焕栋王伟宏1 王焕栋21.国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心；2.天津市政工程设计研究总院有限公司中国科技信息 2023 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-12-专利分析漂浮式，根据能量传递方式分为气动式、液压式、机械式、磁动式等。波浪能发电的优缺点波浪能发电原理及自身特点决定了其具有一样的优缺点。优点方面：清洁可再生、能量密度高、分布广、取之不尽用之不竭、防止土地破坏、可以为海岛供电等；同时缺点也比较明显，由于发电过程一般要经过三级能量转换，在此过程中能量损失较高造成能量利用率低；不稳定性，波浪受地理环境、天气等因素无法持续稳定，时大时小时有时无；由于波浪能发电装置需要在海洋中，对装置材料的防腐蚀性和稳固性要求较高；海洋能发电的成本通过要比风能、太阳能高。波浪能发电技术国内外重点技术脉络目前，国外主要波浪能发电技术主要有以下几种：振荡水柱式，摆式，筏式等。英国的 Wavegen 公司 LIMPET振荡水柱式可达到 500kW 的发电，其作为振荡水柱式波浪发电机的代表，该装置的一部分设备浸没在海水，使得海水被罩住，且其为中空设备，被罩住的海水在波浪产生时进行上下运动，波浪运动使得发电装置密封舱内的空气被挤压，进而推动涡轮机进行发电（见图 1），具有代表性的苏格兰研发的“Islay LIMPET”已实现商业化并成功运用于英国电网。摆式分为悬挂摆和浮力摆，摆板在波浪的作用下前后摆动，驱动由液压缸、蓄能器、液压马达、发电机组成的液压式能量转换装置，悬挂摆铰接在水面上，浮力摆铰接在海底，其利用一个能在水槽中前后摆动的摆板来吸取波浪能，摆板相当于一个阀门，链接在顶部。筏式波浪能发电装置（图 2）由铰接的筏体及液压系统组成，筏体随波运动，将波浪转化为筏体运动的机械能，筏式技术的优点在于抗浪性较好，不足是装置顺浪向装置，单位功率下材料的用量比垂直浪向装置大，因此成本较高。采用筏式波浪能发电的有英国 Cork大学和女王大学研究的波浪泵和苏格兰的 Ocean Power Delivery 公司的 Pelamis（海蛇）波能发电装置，该装置漂浮在海面，当其随着波浪进行运动时，波浪经过时两浮体发生相对运动，通过此方式获取波浪能进行发电。英 国 海 洋 动 力 传 递 公 司（Ocean Power Delivery Ltd）开发的海蛇号波浪能发电装置（图 3）外形类似火车，铰接而成的钢壳结构单元形成一个平滑系统，在每个铰接点产生的电力通过一个共同的海底缆线传输到岸上。该装置长度约为 130m，直径达 3.5m。2008 年，美国密歇根大学的 Bernitsas 教授及其团队成功申请了一种低速水流发电装置VIVACE（Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy），从涡激振动原理出发，利用振动机械能，有效地转化为电能，而该装置的启动流速低，0.25m/s 时即可启动，故可有效地利用洋流能与水电站尾水余能，该装置采用单振子振动发电，振子间相互独立，故每个振子均须配备一套传动、发电、传电及变频设备；同时，由于振动一致性差，导致变频成本高。我国自 20 世纪 60 年代起已经开始波浪能发电研究相关工作，经过一定年限的技术积累和科研单位队伍的不断发展壮大，波浪能发电技术取得一定的技术攻破与发电效率的稳步提高；从地区分布来看，波浪能发电技术地区分布主要集中在山东、珠三角等沿海地区。我国目前波能转换装置中最为常见的是振荡体式波浪能发电装置。振荡体式波浪能发电装置作为研究最为广泛的波能转换装置，其装置包括瞄固系统、质量体、振荡浮子、发电机等，该装置的捕能机构在波浪作用下做单自由度或多自由度运动，以此将波浪能转换为捕能机构的机械能，进而将机械能转化为电能。此类装置可通过优化俘获体的质量、形状、半径等参数提供发电效率，技术开发难度低。图 1 Wavegen 公司的“LIMPET”振荡水柱式波浪能发电装置图 2 筏式波浪能发电装置图 3 英国海洋动力传递公司的海蛇号波浪能发电装置-13-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 7 期专利分析图 5 天津大学前沿技术研究院有限公司的基于多振子的同振式涡激振动发电装置图 4 无锡津天阳激光电子有限公司的海蛇式海浪发电机广州能源所在 20092013 年之间，先后推出“鸭式号”“鸭式号”“鸭式号”等波浪能发电装置，其最大输出功率和装机容量均有一定的突破，但由于整体质量过大，使得发电技术的提升受到了一定的限制；2011 年，广州能源所采用双圆柱体漂浮结构，研发了“哪吒一号”漂浮点吸收直线发电波力装置，经过优研制出“哪吒二号”，在能量转换、密封防腐等关键技术取得了突破。2012 年结合鸭式装置与半潜驳船推出鹰式系列发电系统，使得风暴中无人值守的条件下仍可无故障连续运行，并将海底电缆成功并入三沙市永兴岛电网；2019 年到 2022 年，广州能源所将波浪能发电与太阳能发电、养殖相结合，先后研发出“澎湖号”“舟山号”“闽投 1 号”，拥有 120kW 海洋供电能力。无 锡 津 天 阳 激 光 电 子 有 限 公 司 申 请 的 专 利CN104514674A 发明了一种海蛇式海浪发电机（图 4），主要包括海蛇形海浪发电机整体，蛇头浮箱，全密封的橡胶囊筒，蛇尾浮箱等；在蛇头浮箱中依次设置：交流逆变器、蓄电瓶与整流器，整体设置 9 组永磁发电机发电单元，每组发电单元由前后两个永磁发电机与两个连杆组成，每组电单元首尾相连，串联为一个永磁发电机串，连杆上设置骨架，骨架支撑胶囊筒，成为蛇形发电串结构，锚链拉住蛇头浮箱，翻滚的浪涌推动着蛇形海浪发电机整体及斜面蛇尾浮箱，在海中扭动翻滚伸缩，带动全部发电单元连杆摆动，从而带动永磁发电机轴转动发电，经电缆传输到整流器中，转换为直流电，经电缆传输到蓄电瓶中存储，再经过交流逆变器转换为交流电，为深海海洋设施供电，该公司作为高新技术企业，坐落于无锡锡山经济开发区，依托水资源，拥有强大的技术力量与研发经验。天津大学前沿技术研究院有限公司针对 VIVACE单 振 子 涡 激 振 动 发 电 设 备 的 根 本 问 题，申 请 了 专 利CN104061111A，发明了一种基于多振子的同振式涡激振动发电装置（图 5），包括振子、支撑杆、连接杆、线性导轨、线性弹簧、传动杆和直线发电机，支撑固定于水流底部，支撑杆中部设有线性导轨，线性导轨沿竖直方向线性运动；连接杆将所有振子连接成为整体振子群，连接杆前后两端与线性导轨固定，线性导轨上下两端分别设有线性弹簧以使振子与连接杆整体做上下往复线性运动，连接杆中部与传动杆固定连接以使传动杆可随连接杆共同运动；传动杆顶部与直线发电机连接；同时，天津大学前沿技术研究院有限公司申请的专利 CN104005901 A 发明了一种基于多振子的对振式涡激振动发电装置，有效地利用了尾流驰振效应，实现了多个振子能量的统一搜集，规范了振子的运动轨迹，提高了振子群的发电效率，保证了发电质量。天津大学前沿技术研究院有限公司是天津大学与天津市武清区政府共建，着眼科技成果转换，依托天津大学优势学科群，努力建设成为集政产学研一体的前沿技术创新平台。海洋能源系统有限公司申请的专利 CN104024631A 发明了一种波浪能发生器（图 6），包括：至少一个能量捕获漂浮物，其是对波动作出反应而可移动的；位于能量捕获漂浮物下面的反应构件；用于将至少一个能量捕获漂浮物连接到所述反应构件并且限定能量捕获漂浮物与反应构件之间距离的连接线；用于将反应构件和至少一个相应的能量捕获漂浮物的相对运动转化成有用能量的能量转换装置。发生器包括深度设定装置例如被连接到辅助漂浮物的可调整的线或保证反应构件到海底的可调整的系泊线，用于设定反应构件在海中的深度，连接装置的可调节长度的弹性线通过绕相应的磁鼓缠绕该个或每个弹性线来独立地调节能量捕获漂浮物和反应构件之间的距离。这样，波浪能发电装置无论在小波、中波、大波下均能得到高效的发电（图 7）。中国科技信息 2023 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-14-专利分析波浪能技术未来趋势波浪能发电技术由于技术成熟度及发展优势不一，且存在一定的技术壁垒，目前主要集中在研发试验阶段，波浪能发电技术距离发电商业化仍有很长一段路要走。未来波浪能发电技术将从以下方向发展。（1）多自由度装置和阵列化发电多自由度装置通过释放装置自由度提高波能捕获能力，通过多个自由度耦合手段实现不同海况下波浪能的最大化。另外，还通过波浪能转换装置的模块化实现发电装置阵列化。通过多自由度选择以达到最优输出功率，根据波浪场条件来合理优化阵列布局。多自由度和阵列化将是波浪能发电技术未来的研究方向，也是研究难点。（2）多能互补耦合发电波浪能开发由于成本高、不稳定、效率低使得商业使用存在一定困难。波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的，能量传递速率与风的产生、风速有关，也和风与水的作用距离有关。海上风能发电技术更为成熟，且波浪能和风能都有各自的技术局限、难点。将波浪能和海上风能相结合，协同开发利用，降低了发电成本，因此，可一定程度上提高海上能源的利用率。风能和波浪能相辅相成，相互依托，实现风能与波浪能一体化联合发电。风能和波浪能相耦合发电是当前海洋能发电领域研究的热点，是实现“双碳”目标的重要途径。（3）多功能综合平台未来对波浪能发电装置的研发将以广州能源所“澎湖号”为基础，集波浪能发电、养殖等为一体，综合太阳能发电，