「千足踏浪」海浪發電技術介紹報告
北京國際能源專家俱樂部[1]
海洋能指依附在海水中的可再生能源，這些能量以潮汐、波浪、溫度差、鹽度梯度、海流等形式存在於海洋之中；海洋能還包括海面上空的風能、海水表面的太陽能和海裡的生物質能等。這些能源都具有可再生性和不汙染環境等優點，是一項亟待開發利用的具有戰略意義的新能源。
海洋能在海洋總水體中的蘊藏量巨大，但單位體積、單位面積、單位長度所擁有的能量較小，也就是說海洋能的能量密度較小，要想利用大量的海洋能，就得從大量的海水中獲得。海洋能有較穩定與不穩定能源之分。較穩定的為溫度差能、鹽度差能和海流能。不穩定能源分為變化有規律與變化無規律兩種。屬於不穩定但變化有規律的有潮汐能與潮流能。人們根據潮汐潮流變化規律，編制出各地逐日逐時的潮汐與潮流預報，預測未來各個時間的潮汐大小與潮流強弱。潮汐電站與潮流電站可根據預報表安排發電運行。既不穩定又無規律的是波浪能。
全球海洋能的可再生量很大。據科學家推算，地球上波浪蘊藏的能量可發電能高達90萬億千瓦時。根據聯合國教科文組織1981年出版物的估計數字，五種海洋能理論上可再生的總量為766億千瓦。其中溫差能為400億千瓦，鹽差能為300億千瓦，潮汐和波浪能各為30億千瓦，海流能為6億千瓦。但至今各種海洋能大都沒被大量利用，原因一是經濟效益差、成本高，二是一些技術問題還沒有突破。儘管如此，不少國家一面組織研究解決這些問題，一面在制定宏偉的海洋能利用規劃。個人、大學和較小企業等，也是海洋能利用技術研發的有生力量。從發展趨勢來看，海洋能必將成為沿海國家的重要能源之一。部分海洋能發電技術簡介見附件一，國內外部分典型波浪電站或裝置簡介見附件二。
作為系列評估的第三個項目，北京國際能源專家俱樂部的「清潔能源技術評估與推廣平臺（簡稱TAD）」於2016年10月22日組織專家對北京千足踏浪海浪發電研究院有限公司「千足踏浪」海浪發電技術進行了評估與推廣。
本文就該技術的性能屬性、發展前景等作一簡要介紹。
1、「千足踏浪」海浪發電裝置研究
海水吸能器 （海上浮漂，可以是各種形式的漂浮器），通過槓桿連接主軸上，發電機主軸可以聯接延長，這些浮漂也可以延長連接，達到所要求的動力。原理： 機械單項軸承，浮力，勢能，槓桿，擺動等原理。
發電機軸轉動，由於單向軸原理是單項做功，一邊回落是將不產生使發電機轉動的動力，也就是浮力做功； 另外一側，浮漂向上不產生使發電機轉動的浮力，當回落時由於單向軸原理是浮漂的自重力做功。一邊向上是浮力做工，一邊向下是重量做工。每個浮漂是獨立的，互相之間無幹擾。
歐洲丹麥曾經於2000年發明了類似技術，並於2009年建設了基於此原理的Wave Star Energy 海浪發電裝置（www.wavestarenergy.com），簡單介紹見附二。
2、實用新型專利
「千足踏浪」海浪發電是一種完全新型的裝備，由北京千足踏浪海浪發電研究院有限公司董事長劉德綱先生發明，並已經獲得國家知識產權局的專利授權。
3、劉德綱先生製作的能產生8W輸出功率的海浪發電模擬器
二、 2.5萬千瓦「千足踏浪」海浪發電系統設計
目前「千足踏浪」海浪發電系統在國內尚沒有實際的工程項目。據北京千足踏浪海浪發電研究院有限公司介紹，根據目前現有的工業產品和工程水平，設計建設「千足踏浪」海浪發電系統地裝機容量達到幾十兆瓦是沒有問題的，今後有可能達到幾百兆瓦，達到中型火電廠規模。北京千足踏浪海浪發電研究院有限公司根據理論推導，並按照相關環節部件的工程實踐，對有關參數進行了估算，初步設計了2.5萬千瓦「千足踏浪」海浪發電系統。
1、投資效益估算
根據北京千足踏浪海浪發電研究院有限公司的設想和提供的相關估算數據，並對部分數據進行修正。具體參數如下：
（1）長度：2000米
（2）寬度：100米
（3）海浪吸能器總重：2萬噸
（4）發電轉機容量：2.5萬千瓦
（5）總投資：3億元
（6）年發電量：5260萬千瓦時
（7）年收入：4200萬元
（8）財務內部收益率：12%
（9）投資回收期：7-8年
初步測算，該專利項目具有商業投資價值。需要指出的是，財務內部收益率、投資回收期等參數，受各項基本參數的影響很大，需要在今後理論計算、試驗場試驗、中小型示範工程等數據積累中不斷修訂，並落實電價等財稅政策，以提高工程的經濟效益。
2、發電系統布局示意圖
發電機主軸安裝在由岸邊延伸至海裡的棧橋上，發電機設置在海岸邊的發電廠或者在海上建造的房屋裡。
3、「千足踏浪」海浪發電系統的特點
（1）利用可再生能源、儲量大、分布廣；應用範圍廣。理論上講，適合海上風電的海域就適合海浪發電，前提是不能結冰的海域。實際上，越惡劣氣候條件的海域，越不利於海上商業養殖開發，越不利於海上航行，越有利於海浪發電。所以海浪發電的海域不會對海上環境造成破壞，也不會佔用有商業價值開發的海域。
可選擇適當海域建設海浪發電中型實驗項目。國家海洋局已經建立了3個海浪發電實驗基地，包括廣東的萬山群島、浙江的舟山群島和山東的青島。「千足踏浪」海浪潮汐發電項目也非常適合三沙市建設。
未來全世界的很多島嶼都建成千足踏浪海浪發電裝置，「千足踏浪」海浪發電可與儲能結合。為電力船（遊艇）、能源運輸船、海上休閒度假船屋等提供電力，世界遊艇俱樂部的成員可以開著他們的電力船在世界自駕旅遊。「千足踏浪」海浪發電棧橋也是觀光瀏覽棧橋，也是巨大的夜景照明藝術作品。
（2）可與碼頭建設、跨海大橋等項目融合，多重利用，降低投資成本；在海岸附近，容易維護。
理論保守計算 2.5兆瓦海浪發電需要2500噸的海浪吸能器，海浪吸能器每個5噸，500個海浪吸能器要分布在500米長的棧橋上，分布在兩端每隔2米一個，一邊250個海浪吸能器。25兆瓦海浪發電需要25000噸的海浪吸能器，海浪吸能器每個25噸，要分布在2500米長的棧橋上，分布在兩端每隔5米一個，一邊500個海浪吸能器。
「千足踏浪」海浪發電裝置就是分布式吸能和分布式做功，使所有能量匯聚在一根主軸上，從而產生合力合頻，長期穩定不間斷的吸收海浪能源。本專利中眾多的海浪吸能器，實際是利用海浪微動分布吸收海浪能，而後疊加產生合力合頻。每個吸能器連接在槓桿上，每個都相當於微動的鐘擺，好像一個鐘擺變身出幾百上千個鐘擺，所有設備都是機械傳動能量。本專利裝置採用棧橋固定支點從而最大可能的吸收海浪能量提高效率；理論上機械傳動損耗是3%-5%，是所有傳遞能量損耗最低的。
海浪發電主要投資花費是要建立海上棧橋，有了棧橋就有了支點，就會不浪費海浪的動能吸收。所以如果與利用海上風電基樁與海上風電結合，效益會更高。如果利用跨海大橋的橋墩，效益也會更高。如果利用海上碼頭的基樁，也會效益更高。
本專利裝置棧橋將採用上下兩層設計，上層用於維修車輛和人員的巡視，維修人員可以方便的經過通道到達第二層的設備層維護，下層是設備層和主軸。
（3）離海面較高，不受到海洋災害氣候的侵襲；與海水接觸只有不容易腐蝕的浮漂，使用年限長。由於海浪吸能器連接槓桿和單項軸承是上下自由行程，設計連接槓桿長度時考慮到了海面的歷史最大落差（比如：10米），採用槓桿長度超出潮差高度的設計，所以完全沒有問題。並且採用單向軸，使得吸能器和槓桿具有自由高度行程，像一個翅膀一樣在海面飛舞，適應各種海面高度。即使海嘯來臨，海面變換超過20米，最多是淹沒主軸。這也是本專利的巧妙之處和保護範圍。海浪吸能器可以更換維修。至於發電機將會在發電廠內與主軸之間有密封裝置。由於本專利裝置僅有抗腐蝕的海浪吸能器與海水接觸，極大的避免了海水的腐蝕。主軸可以採用多種防腐技術。比如：鎳基合金防腐、鋰基脂、密封橡膠、塑封噴塗等。
（4）本專利裝置原理簡單，全部使用現有的工業標準設備，組合成本較低，發電規模在現有的工業技術水平上可以達到萬千瓦級別，可以建成全世界最大的海浪發電裝置。
（5）由於後期轉換設備少，廠房佔用土地很少，節約用地；浮漂僅佔用一部分海面面積，對海洋環境零汙染；轉換過程少，效率高；簡化發電過程，減少很多輔助設備，降低投資成本；可以使用二手小漁船作為浮漂，充分利用淘汰設備，綠色環保。
對於該技術的技術吸引力、市場潛力、政策環境和HSE影響分析等，將在《千足踏浪發電系統評估報告》中作出。
風能部分轉化成了海浪的動能，因此海浪動能來源之一是風能,。太陽，地球，月亮由於萬有引力的作用相互吸引，加上地球的自傳，使得每天都會發生海水的潮漲潮落。地球四季的溫差，白天黑夜的溫差，日出日落的溫差，使得海面的溫度與海底溫度有了差別，使得海水產生了海流，也是形成海浪的動能之一。說海浪是人類取之不竭，用之不盡的綠色能源。世界上現有多種利用該能源的發電技術，這裡簡要介紹幾種。
（1）振蕩水柱技術
（a）利用原理：振蕩水柱技術通常指採用氣室俘獲波浪能的裝置。氣室是一個下方開口的結構，當波浪作用在開口時，氣室內的水柱就會上下運動（振蕩水柱因此而得名），從而俘獲波浪的能量。典型的振蕩水柱技術由氣室、空氣葉輪、發電機構成，振蕩水柱推動氣室內空氣往復運動，通過葉輪，驅動發電機發電。
（b）優缺點：振蕩水柱波能利用技術的優點是裝置在大浪下易於控制，缺點是二級轉換效率偏低。
（c）技術利用情況：從1984年開始，振蕩水柱波能利用技術是波能界的研究重點，世界上迄今建成的大部分波浪電站均是振蕩水柱式的。
(岸式振蕩水柱波浪電站示意圖)
（2）筏式波浪能技術
（a）利用原理：筏式波浪能技術是將漂浮在水面的、類似木筏的若干浮體鉸接在一起，通過浮體之間的角位移吸收波浪能，再通過液壓系統驅動發電機發電。
（b）優缺點：優點是轉換效率高；缺點是尺寸太大，大浪下的系留費用太高。
(筏式波能裝置示意圖)
（3）收縮坡道式波能技術
（a）利用原理：依靠逐漸收縮的導浪牆俘獲波浪能（繞射聚波），使之在逐漸收縮的導浪牆中放大，直到越過導浪牆頂進入高於海面的水庫。進入水庫的水的勢能通過水輪-發電機轉換成電能。
（b）優缺點：優點是轉換效率高；缺點是受地形限制。
(收縮坡道式波能裝置示意圖)
（4）其他波能利用技術
（a）擺式波能利用技術
(擺式波能裝置示意圖)
（b）點頭鴨式波能利用技術
(點頭鴨式波能裝置示意圖)
附件二、國內外部分典型波浪電站或裝置簡介
這裡簡要給出幾個國內外波浪發電項目概況。
（1）英國Limpet波浪電站
電站類型：振蕩水柱式
電站裝機：500kW
電站站址：蘇格蘭的ISLAY島
建成時間：2000年
研建單位：WaveGen公司和女王大學
電站地位：世界上第一座商業化電站
特殊處理：前港聚波、變速恆頻
(英國500kW Limpet波浪電站)
（2）澳大利亞Energetech波力發電裝置
裝置類型：振蕩水柱式
裝機功率：500kW
實驗站址：Kembla港
建成時間：2005年10月
研建單位：Energetech公司
特殊處理：拋物凹面聚波
裝置效率：52%-81%
裝置尺寸：40m×35m
(Energetech波力發電裝置)
（3）中國100kW波浪電站
電站類型：振蕩水柱式
裝機功率：100kW
電站站址：廣東汕尾遮浪海域
建成時間：2000年12月
研建單位：廣州能源研究所
裝置地位：中國最大的波浪示範電站
特殊處理：喇叭口地形聚波
電站效率：20%左右
(廣東汕尾100kW波浪電站)
（4）英國750kW Pelamis波浪電站
裝置類型：筏式
裝機功率：750kW
電站站址：奧克尼郡歐洲海洋能中心
實驗時間：2004年8月試發電
研建單位：蘇格蘭OPD公司
電站地位：第一座漂浮式商業電站
裝置效率：20%-40%
裝置尺寸：150m
(英國Pelamis波能裝置)
（5）丹麥的StarWave Energy波浪發電裝置
2004-2005年，在Aalborg 大學（Aalborg University）的測試樣機，大小：1/40，浮漂直徑：0.25米；
2006-2010年，在NissumBredning的測試樣機，大小：1/10，浮漂直徑：1.0 米；
2009->，在Roshage的試驗機（在實際的海浪環境），大小：1/2，浮漂直徑：5.0 米。2010年2月開始併網發電。
（丹麥海浪發電系統）
[1]免責申明：本報告是北京國際能源專家俱樂部秘書處根據自己掌握的信息和北京千足踏浪海浪發電研究院有限公司提供的材料，並結合2016年10月22日清潔能源技術評估與推廣會議討論的結果而撰寫。對於任何商業機構或個人依據本報告的結論性意見所做出的投資或其他商業決定可能導致的任何風險、損失、損害、成本支出、索賠或其他權利主張，北京國際能源專家俱樂部不承擔任何法律責任。