摘要：为缓解能源紧张、开发利用波浪能已成为全球共识。本文分析了一种摇荡式波浪能发电装置的经济性和适用范围，该波浪能发电装置具有成本低，发电高效，稳定可靠等优点，具有重要价值。
关键词：摇荡式发电装置 经济性 适用范围
0 引言
随着煤炭、石油和天然气等传统化石资源日渐枯竭,太阳能、风能以及波浪能等可再生能源的开发和利用逐渐引起人们的重视。波浪能是一种储量丰富、分布广泛且清洁无污染的可再生能源。目前国内外学者已经提出多种形式发电装置, 比如振荡浮子式、摆式、筏式以及鸭式发电装置等[1]。在经济性上，现有波浪能发电装置普遍存在装置制作成本高，发电效率低，等缺点。
本文提出的摇荡式波浪能发电装置可以利用各个方向波浪能,通过内部传动结构将装置摇荡运动转化为稳定的转动,从而带动发电机产生电能。基于自适应系泊系统,保证装置潮位适应能力。由于采用简化传动过程,提高了装置能量转化效率。本装置从外箱体设计、自适应控制波浪能收集和机械传动三个方面来提高波浪能的收集效率，从而提高发电效率。该发电装置将波浪能转化为机械能，再将机械能转化为电能，实现能量的转化。
1 适用性分析
1.1水动力外形
本装置的水动力外形可有效增加外壳对波浪能的吸收，提高其发电量。
半球形的结构简单、成本低、易加工、并有市场易采购和安装简便的特点， 且在波长等于外壳直径长度的长度及合适波高的条件下，可形成共振效果，显著增加外壳对波浪能量的吸收效率，增加百分数可达 53%。鉴于半球形外壳的以上优点，现有的摇荡式波浪能发电装置可通过优化水动力模型的方式，提高波浪能捕获效率，提高其发电量。
1.2适用于低能量密度区域
针对我国附近低波能密度海域设计的波浪能发电装置，适用于我国东海、南
海中北部、琉球群岛及台湾以西等海域。
以上海域波浪能密度较高，有效波高范围在 0.5m~3m，波浪周期范围在
5.0~6.0s；近海波浪方向受季风的影响主要来自两个方向，主浪向随季节变化明显，具有良好的天然波浪能开发条件。在该海域安装摇荡式波浪能发电装置阵列有利于提高装置的经济性，并推动我国波浪能开发的商业化进展。
1.3可为偏远海岛供电
在生产成熟阶段，摇荡式波浪能发电装置可作为独立平台，如图 1 所示。
作为海洋发电站，它的安装位置受限程度小，适用的海洋空间广，可利用的波浪能数量大，且供电质量高。将所产生的电能并网输送到附近岛屿，可有效解决海岛供电问题，并保护了当地自然环境，有利于我国各种政治、军事活动的开展， 具有重要战略意义。
图 1 发电装置概念图
1.4有助于节能减排
现有船舶多利用柴油取电，大气、油污污染严重，且会产生影响生活居住的
噪音，本装置可充当远洋航行船舶的“海上充电桩”，使船不必靠港充电，为航线较长的船舶在途中提供清洁的电力能源，促进“绿色船舶”发展。
2 经济性分析
2.1 成本与年发电量估算
（1）试验样机制作成本
试验样机直径 0.5m、吃水 0.25m，成本约 5 千元，如表 6-1。
表 1 模型样机制作成本明细表
（2）实际海域发电装置的成本估算
以南海北部海域为例，对实际发电装置进行投产建造成本的估算，该海域有 效波高 1.5 米，有效周期 5.0 至 5.5s，工作水深在 30m 左右，离岸约 20 公里。装置阵列总长 300m，宽为 8m，，共设有 300 个单体装置，装置直径 2m，吃水 0.5m。
在海上浮式平台建造费用中，各部分所占比例约为：设计费 10％、采购费
10％、预制费 30％、安装费 50％[2]。可见，费在浮式海上平台的中所占比例很高，要降低费必须设法降低安装费。
在生产前期，摇荡式波浪能发电装置作为发电平台，可修建在经过改造的废置支架上以避免复杂的海底抛锚，布放重物环节，既可原地重复利用废置的支架， 又能大幅度降低其海上安装费用。
针对将实际发电装置集成于闲置支架平台的设计方案，并参考上述海上平台各部分建造费用比例，确定该发电平台的各部分费用所占比例为：设计费 20%， 采购费 20%，预制费 30%，安装费 30%。
其中，采购费及预制费可根据试验样机的制造原材料费及加工费等方面进行估算，并根据采购费及预制费在平台建造总费用中的比例估算出建造总费用。采购及预制的主要包括系泊系统，机械转化系统，水动力系统，电路系统。
试验样机总重约 0.02 吨，机械部分采购及加工费约 0.52 万元，考虑工厂的
轻量化设计，以机械转化系统的材料价格 2 万/吨为例，重锤组和齿轮组所需钢
材的采购费及预制费预估 0.15 万。实际发电装置所需的外壳，固定板等均购买市场现有型号，可节约试验样机制作过程中定制元件造成的高额成本。综合考虑加工原料采购与预制及机械安装、机电元件的费用，实际发电装置的采购及预制费预估 1 万。
在对装置采购费及预制费估算的基础上，得到平台建造费用如表 2。
表 2 摇荡式波浪能发电装置阵列实际产品预算
经过对摇荡式波浪能发电装置建造成本的估算，本装置的实际产品总成本约为 360 万元，建造周期为 1 年。
年发电量估算
以南海海域为例，该海域平均波高 1.5 米，平均周期 5.2s，水深 30m，本装置进行投资生产，并对其进行经济性分析。为了充分利用海洋波浪能，设计实际产品的数量为 300 个，单个发电装置的尺寸为直径 0.5m、吃水 0.25m。
本装置理论计算仿真得到的发电功率为 20%，水池造波样机发电实验测得发电功率在 15%左右，与传统阵列浮子式波浪能发电装置 10%~30%的发电效率相比，并无差别。
对外壳运动进行仿真计算得，选用直径为 2m、吃水 0.5m 的半球形外壳时的平均输出功率为 P＝kW，半球遮蔽效应造成系数根据相关文献取为[3]，则单个摇荡式波浪能发电装置个体有效功率为 1.5kW,则 300 个单个装置的输出功率为：
P1=450kW (2-1)
实际产品的直径为试验样机的 4 倍大小，并可实现自适应迎浪转向、升降适应潮位的变化，则理想有效工作时间为 24h，因此本发电装置的理想日发电量为：
W 理想 1=P1×t=450×24=10800kW•h (2-2)
由于本装置在工作过程中存在机械摩擦以及转换效率等影响因素，其实际日
发电量为：
W 实际 1=W 理想 1×η1×η2×η3×η4 (2-3) 式中，1 —齿轮组传动效率，取值为 0.71；
2 —发电机转换效率，取值为 0.90；
3 —转换电路效率，取值为 0.7；
4 —传输电缆效率[4]，取值为 0.99； 可得装置能量转换效率为：
η=η1×η2×η3×η4=0.443 (2-4)
则实际发电功率为：
P 实际=P1×η=199kW (2-5)
则实际日发电量为：
W 实际 1 =P 实际×24=4776kW•h(2-6) 则实际年总发电量为：
W 年 1 =P 实际 1 ×365=1743000kW•h(2-7) 若家庭平均月用电量以 200 度/月计算，则本装置的实际日发电量可满足一
户家庭 2 年的用电量，年净发电量可供 726 户家庭使用 1 年。2.2 市场前景分析与经济性指标
（1）市场前景分析
目前，南海海岛供电主要有联网与离网两种模式，对于中大型群岛而言，由于对电力需求总量和可靠性均有较高的要求，因此往往通过海缆与大陆联网。而对于其他偏远小岛而言，由于最大负荷有限、输送距离较远、岛屿面积狭窄，铺
设海缆在技术与经济方面需要付出更大代价，因此需要开发清洁可靠的海岛电网。 联网型一般是通过海底电缆实现大陆与海岛连接，且在岛上装设柴油机备用。
联网工程往往总投资巨大，仅海底电缆的铺设每公里费用达 30-35 万，此外，联网模式的运行维护困难，海底电缆故障判别与定位、封堵与打捞、电缆头接续等技术极其复杂，且技术核心被国外公司所垄断。
而利用实际海域的摇荡式波浪能发电装置为海岛提供电力，既可有效节省数 亿元的海缆铺设费用，又能充分发挥海岛的地理及海洋能资源优势，实现清洁电 力的供应。与联网模式类似，岛上可装设备用蓄电池以避免电力供应的波动性。
与大陆电价相比，海岛的居民用电价格普遍偏高，约为 1.5~1.8 元/度。结合实际装置的年发电量1743000 度，以一户家庭平均月用电量以200 度/月计算，
一组本装置可为拥有 726 户常住人口的小型海岛提供持久的电力。以 1.5 元/度
的电价计算，其投资的年收益为 261.45 万元。在生产初期，需采用各种维护措施对装置进行保护以延长其使用寿命，可采用的维护措施有进行表面涂装、定期清洗与更换零件、及时更新设备等。若本装置每年的固定费用（如设备维修、更
新费等）为 10 万元，则本装置每年的净收入为 251.45 万元。
（2）经济指标分析
实际产品的现金流量为：第一年投入 360 万并开始售电，年收入 261.45 万，
年维护费为 10 万，残值为 10 万，装置设计寿命为 50 年，现金流量图如图 2 所示。
图 2 实际装置现金流量图
① 净现值分析
NPV=-360+251.45/(1+i)+251.45（P/A,i,15）+10(P/L,i,15) (6-9)
考虑资金的时间价值，折算率取 2.35%，在发电装置使用寿命结束时，项目预估可获利 万元，考虑资金的时间价值后，项目的净现值 NPV 为 万元，NPV >0 说明项目在其经济计算期内可实现获利。
② 动态回收期分析
表 3 投资偿还期分析计算表（单位：万元）
装置的动态投资回收期：
PBP=2-1+114.33/240.04=1.48 年 (2-10)
3 与现有装置的经济性对比
3.1与现有波浪能发电装置对比
以多浮子波浪能发电装置为例，同样使用 300 个半径为 2 米浮子进行发电,
单个浮子发电功率约为 P3=10kW，由于其本身没有自适应姿态调控的能力，所以其每天有效工作时间为 20h，则理想日发电量为：
W 理想 2 =n×P2×t=300×10×20=60000kW•h(3-1) 计入发电过程中存在摩擦与损耗，则实际日发电量为： W 实际 2=W 理想 2×η=60000×0.71=42600kW•h (3-2)
年发电量为：
W 年 2=W 实际 2×365=1.56×107kW•h(3-3) 因多浮子发电机需要预先在海底打桩，其硬件成本会远高于本作品，预估实
际发电平台建造成本为 2.8 亿元，以 15 年为计算期，则单位发电成本为：
C2=2.8×108÷（1.56×107）÷15=1.20 元 / 度 (3-4) 而本装置的单位发电成本为：
C3=1.2×104÷（5.82×103）÷15=0.14 元 / 度 (3-5)
3.2本装置与现有装置的经济行对比
摇荡式波浪能发电装置与上述波浪能发电装置相比，其优势十分明显(如表
2-4)：与普通多浮子波浪能发电装置相比，本装置可节约建造成本，单位发电成本存在明显优势。
表 4 本装置与现有振荡浮子式波浪能发电装置的经济性对比
4结束语
随着全球对能源的需求急剧增长，海洋作为占地球面积 70%的主体，蕴含着巨大的能源[5]。本发明装置所产生的电能可并入电网进行使用，为不同海域的工作平台和沿海地区的居民提供电力支持，体现了本装置具有广泛的适用性；其次， 本装置在与已有的波浪能发电装置相比较时，经济性上具有显著的优势。尤其是现在波浪能发电装置中传统波浪能发电装置仍占主要地位，对本装置的开发研究与生产应用可大大降低发电成本，用于解决偏远海岛的供电问题和减缓沿海地区的用电紧张问题。另外，世界正面临着一场新能源革命,新能源的开发与利用将会改变整个世界的能源结构。用本装置开发利用波浪能可在某种程度上替换传统能源，对遏制气候变化、发展战略经济以及改善人类生存环境起着巨大作用。
参考文献:
[1]张丽珍,羊晓晟,王世明,梁拥成. 海洋波浪能发电装置的研究现状与发展前景
[J]. 湖北农业科学,2011,50(01):161-164.
[2]李怀印, 李宏伟. 不同类型海上平台的建造费用[J]. 油气田地面工程,2010,29(2):34-35.
[3]杨力杰. 新型浮子式波力发电装置研究[D].西南石油大学,2012.
[4]加大海底电缆产品创新 提高能源传输效率.中国财经时报网,2015,09,17. [5] 肖宇,王学军,徐静文. 一种基于定滑轮组的波浪能发电装置[J]. 中国高新区,2017(23):22.
论文作者:王浩宇,吉健
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：装置论文; 波浪论文; 海岛论文; 浮子论文; 成本论文; 万元论文; 海域论文; 《电力设备》2018年第24期论文;