對國內外海浪發(fā)電的一點看法

宋文復 0532-85620939

　　一、海浪發(fā)電的現(xiàn)狀：目前，國內外海浪發(fā)電的研究成果幾千項，但發(fā)電成本依然很高，距離商業(yè)市場還很遠！海浪發(fā)電似乎進入一個止步不前的困境，這就引入了我們的思考！

　　因此這就引出了一個【點浮式制約】的理論，指出了問題所在。

　　1、奇怪現(xiàn)象：觀察國內外海浪發(fā)電眾多機組的設計，一般在造浪池、水槽演示或小機組海試時，試驗結果似乎較理想，但進入產品開發(fā)實驗階段，海試結果幾乎都不太理想！

　　2、困惑：還有一個普遍現(xiàn)象，就是當海浪發(fā)電機小試成功后，想采用加大“拾能體”（如浮體、鴨頭等）來增加發(fā)電功率，達到降低發(fā)電成本的目的，但結果往往是：投入激增，發(fā)電功率卻增加的很少，難以實現(xiàn)【大功率、低成本】發(fā)電的目的。這又為什么呢？

　　3、探討：縱觀這么多海浪發(fā)電技術案例似乎發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律——就是拾能體的“大小、投入”和“發(fā)電功率、效率”之間似乎不成正比？

　　二、新理論：【點浮式制約】是一種無法回避的自然規(guī)律。

　　1、圖示說明：下圖顯示了一個置于海上的拾能浮體在海浪中受到【點浮式制約】的現(xiàn)象。

　　請看，左邊海浪是向上作用，而右邊海浪在向下作用，方向相反！很明顯會互相抵消，抵消后的合力才是真正的【拾能】做功的力。

　　2、制約：簡單地講，就是一個拾能體（浮體、鴨頭、葉片等等）在海浪中有時會同時受到海浪的上和下的作用，而相互抵消，我們就叫做【制約】，其發(fā)生的幾率和拾能體的大小成正比，也就是說：拾能體越大，制約（抵消）的幾率越多，拾能就少！這就不難解釋目前國內外海浪發(fā)電技術的困境了。

　　3、不可避免：由于海洋存在風源的遠近、多少無規(guī)律，那么形成海浪的參數(shù)、形狀和大小也就無規(guī)律可言，海浪發(fā)電的拾能體也就無法預先計算或避免【點浮式制約】——這就是大自然的規(guī)律。

　　4、探討：從以上的分析可以說明【點浮式制約】現(xiàn)象不可避免，那么減小拾能體就是減少【制約】的唯一方法！

　　三、相關概念：下面對涉及點浮式制約現(xiàn)象的概念加以介紹。

　　1、海浪是波能：海浪不會自己產生，是風能的產物，海浪是波能而不是動能，其具有波的一切物理特性。

　　2、海浪的分類：共分離岸和近岸兩種性質截然不同、甚至是相反的海浪，近岸海浪是離岸海浪演變的產物。

　　2.1、離岸海浪：離岸海浪叫涌浪，是以【波能】形式存在，不考慮海流和風的影響，海水分子在原地做近似圓周運動，不會流動，離岸海浪是按波的物理特性進行傳導。

　　2.2、近岸海浪：近岸海浪是變形了的“海浪”。

　　由于近岸海域海底具有坡度和復雜的地貌，深海涌浪傳來后，被分解為水平和上下兩種海水運動。每個海浪的波峰形成向岸運動的水流，波谷則形成后退的水流，當相鄰前進和后退海浪相遇時，就“合成”為夸張的一道道從不重復的“海波”（海浪），其大小、長短和位置從不重復。

　　3、海浪的特征：如圖。

　　3.1、海域：由于各個相鄰海域的大氣環(huán)流不同，故海域環(huán)境也是復雜多變的。

　　3.2、海浪的性質：即使同一海域，風區(qū)的性質和個數(shù)，產生或傳來的時間、先后和遠近都是不同的，加上島嶼等物體的反射波，所以海浪的性質是：無序、疊加和紊亂的，其波長、波高和波速是根據(jù)海域自然環(huán)境的變化而變化。

　　4、拾能：拾能是指利用浮體、葉片等等各種物體，在海浪波能的作用下，轉換為自身的上下、搖擺、甚至翻滾的機械能的過程。

　　5、單一拾能體：是指獨立接觸海浪做功的拾能體，其大小和拾能效率成反比，和拾能功率并不成正比。

　　6、點浮式：用“單一拾能體”來轉換海浪波能進行發(fā)電，我們稱之為“點浮式”的設計。

　　四、【點浮式制約】產生的機理：

　　1、受力分析：在海浪中拾能體共受到三種作用形式。如圖示

　　1.1、向上：圖示左側的小浮體接觸的海浪全部處于向上運行，所以浮體受力是單純向上的作用。

　　1.2、向下：圖示右側小浮體所受到的是單純向下的作用力。

　　1.3、制約受力：如圖中示，在海浪中較大浮體的左右兩側會同時受到向上和向下海浪的作用，部分或全部相抵消，這時大浮體受到的合力就明顯變小，甚至為零，這現(xiàn)象就體現(xiàn)出拾能體受力的“制約”——相抵消的現(xiàn)象！

　　2、被忽視的現(xiàn)象：由于海浪的復雜和無序性，一個拾能體在海浪中，必然存在“同時”遇到海浪上或下的作用而相互抵消的現(xiàn)象。其抵消后“合力”的做功往往就和設計或實驗室得出的數(shù)據(jù)明顯不同，在眾多海浪發(fā)電的試驗中，似乎形成了一個普遍的現(xiàn)象，并且被海域環(huán)境的不可測性所掩蓋而被忽視——這就是【點浮式制約】現(xiàn)象，這現(xiàn)象是目前國內外海浪發(fā)電技術所處“困境”主要原因之一。

　　3、自然規(guī)律：有人問【點浮式制約】現(xiàn)象能避免嗎？回答：不能，這是自然規(guī)律，不可違背。分析如下：

　　3.1、必然性：如圖可以看出，單一拾能體在海浪中必然存在同時受到向上和向下作用相抵消的【幾率】。這個幾率和拾能體的大小成正比，和波長成反比。所以，我們認為【點浮式制約】現(xiàn)象是不以人們的意志為轉移的自然規(guī)律！

　　3.2、拾能體優(yōu)選：從圖中還可以看出即使選擇了年平均波長較合適的海域，【制約】現(xiàn)象必然存在，為了優(yōu)化設計，拾能體的取值也不易大于波長的1/3，而且越小越好。

　　3.3、結論：用簡單增加一個拾能體的長度、面積或體積的設計來提高拾能效率和功率的方案是不可行的！不但提高不了拾能效率和功率，還極大地增加了造價和發(fā)電成本！這就是國內外眾多海浪發(fā)電設計失敗的根本原因！

　　4、必然性和規(guī)律：

　　4.1、必然性：由于海浪是波能，具有無序、疊加和紊亂的特征，就導致了海浪發(fā)電中的拾能體不管大小，必然會產生“點浮式制約”。

　　4.2、規(guī)律：在海浪中拾能體受到“點浮式制約”的規(guī)律——拾能體的直徑或長度和【點浮式制約】成正比，和拾能效率成反比。

　　因此就出現(xiàn)了矛盾的現(xiàn)象：若海浪發(fā)電機設計的機型小，受點浮式的制約就少，發(fā)電功率也小，雖拾能效率較高，但發(fā)電成本也高；若海浪發(fā)電機設計的機型大，由于受【制約】較大，拾能效率就降低，發(fā)電功率雖增加，但不多，發(fā)電成本卻奇高。

　　也就是說：依靠簡單的增加拾能體的體積或長度，雖然大大增加了機組的制造成本投入，也增加了拾能體接觸海浪的機會，但是拾能效率卻低了，無法達到【提高發(fā)電功率降低成本】的目的，這就是目前的普遍的【困境】！似乎無解！

　　4.3、【點浮式制約】理論：通過長期研究國內外大量海浪發(fā)電的技術，發(fā)現(xiàn)均跳不出“發(fā)電功率小、成本高”的怪圈，至今尚沒有可行的能夠進入商業(yè)市場的案例，【點浮式制約】理論的產生，比較完美的解釋了這個現(xiàn)象。所以規(guī)避【點浮式制約】是今后海浪發(fā)電設計首要考慮的因素之一。

　　五、海浪發(fā)電設計：海浪發(fā)電的設計應考慮如下因素，優(yōu)化取值，加以平衡設計。（僅供參考）

　　1、單一拾能體：單一拾能體設計要盡量小，當然拾能功率也小。

　　2、拾能體個數(shù)：一個機組的拾能體應盡量多地由較小的單一拾能體構成，實現(xiàn)整體高效、大功率拾能。

　　3、拾能體優(yōu)化：從上面圖中還可以看出，即使選擇了年平均波長較合適的海域，拾能體的設計也不易大于平均波長的1/3。

　　4、集約化布局：由于海浪是波能，用集約式布陣大量機組的方案來來增加總發(fā)電量也是不可取的，除非單機的間距較大，才有利于波能的補充，在此不詳述。

　　六、設計舉例：可變翼海浪波能發(fā)電機比較好地平衡了各種設計因素，實現(xiàn)單機高效、大功率、低成本發(fā)電。如下：

　　1、單一拾能體：本設計采用眾多相互獨立的1*0.8米左右小的可變翼導葉，在圓周密集排列，盡量減少【點浮式制約】的影響。

　　2、拾能體個數(shù)：一個機組巨大葉輪是由眾多小的“單一拾能體—導葉”構成，雖然每個導葉可以高效拾能，但功率小，眾多導葉就組成了大功率的高效拾能。

　　3、海區(qū)適應性：本技術應用于離岸海域，對波長、波速等其它參數(shù)無要求，只要浪高能夠打開單一拾能體（導葉）的可變角度，就可以各自獨立在海浪中拾能，共同產生葉輪的巨大轉矩。

　　4、制約的突波：本技術利用眾多單一拾能體——幾百個1*0.9米可上下改變角度的小導葉組成環(huán)裝巨大的葉輪拾能，每個單一拾能體都各自獨立的將上下復雜無序的海浪波能高效率地轉變?yōu)橥粋€主軸的轉矩，最大限度地減少【點浮式制約】。（待30米樣機海試驗證）

　　5、同比優(yōu)勢：

　　5.1、小機型同比：由于各種海浪發(fā)電的小機型受【點浮式制約】的影響較小，相對拾能效率都較高，所以同比“可變翼海浪波能發(fā)電機”設計來說優(yōu)勢不很突出。

　　5.2、優(yōu)化設計同比：大型可變翼海浪波能發(fā)電機和其他機型設計同比最大區(qū)別是——突破了【點浮式制約】，可以集很多單一拾能體于一身；可以大面積高效率拾能；可以發(fā)出大功率低成本的電能，屬國內外技術首創(chuàng)！

　　編后語：

　　本文闡述了【點浮式制約】是大自然的規(guī)律，是目前國內外海浪發(fā)電技術處于“低潮”的根本原因。分析了用增加一個拾能體的長度、面積或體積來增加海浪發(fā)電的拾能功率的方案不但降低了拾能效率，還極大地增加了發(fā)電成本。

　　本文用【可變翼海浪發(fā)電機】實例說明了一個不違背【點浮式制約】自然規(guī)律的技術方案，以達到“拋磚引玉”的目的。