路 晴史宏達

(1.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100;2.山東省海洋工程重點實驗室，山東 青島 266100)

煤炭、石油等傳統(tǒng)化石燃料儲量有限且嚴重污染環(huán)境，為緩解傳統(tǒng)能源供需緊張關(guān)系，應(yīng)對能源危機以及嚴峻的環(huán)境問題，研究者們一直致力于尋求可以替代傳統(tǒng)能源的可再生清潔能源。波浪能作為可再生清潔能源中的一種，因其分布廣、儲量巨大受到了研究者們的重點關(guān)注。我國自20世紀60年代起開展波浪能發(fā)電研究工作，至今已有約60 a的時間。經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)與突破，波浪能發(fā)電技術(shù)整體研發(fā)水平顯著提升，電能轉(zhuǎn)化效率顯著提高。波浪能研發(fā)機構(gòu)也不斷發(fā)展壯大，主要有中國科學(xué)院廣州能源研究所(以下簡稱廣州能源所)、國家海洋技術(shù)中心、各大高校和科研院所等。第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要提出推進海洋能規(guī)?；茫ㄔO(shè)現(xiàn)代化海洋產(chǎn)業(yè)體系目標[1]。在此戰(zhàn)略背景下，波浪能研究隊伍不斷壯大，研發(fā)投入不斷增加，對豐富的波浪能資源的開發(fā)利用之勢更是方興未艾。

本文介紹了波浪能資源儲量和典型的波浪能發(fā)電技術(shù)形式及其原理，在已有的波浪能發(fā)電裝置中列舉了具有代表性的裝置，通過對其關(guān)鍵技術(shù)進行分析，總結(jié)歸納了我國近十年波浪能技術(shù)的進展?；谀壳安ɡ四芗夹g(shù)現(xiàn)狀及難點，探討了波浪能技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

1 波浪能概述

1.1 波浪能資源儲量

地球表面積約71%是海洋，海洋中不僅有豐富的石油、水產(chǎn)資源，更蘊藏著巨量的可再生能源，主要包括波浪能、溫差能、潮汐能、鹽差能、潮流能和海洋風(fēng)能等[2]。我國沿岸和近海及毗鄰海域的各類海洋能資源理論總儲量約為6.11×1011k W，其中波浪能占比最大，約為5.74×1011k W[3]，可開發(fā)量巨大，具體儲量詳見表1。

表1 我國海洋能資源儲量Table 1 Reserves of marine energy resources in China

未來20 a能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生巨大變化，天然氣消耗量快速增長，可再生能源發(fā)展強勁，到2035年可再生能源的需求量將翻兩番[4]。因此在目前波浪能技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)創(chuàng)新與突破，開發(fā)儲量豐富的波浪能，推進波浪能規(guī)?；?、商業(yè)化利用，是有效緩解能源枯竭、電力供應(yīng)緊缺的重要途經(jīng)，是實現(xiàn)“碳達峰”與“碳中和”目標，加速我國能源轉(zhuǎn)型，建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系的必經(jīng)之路。

1.2 波浪能技術(shù)形式及其原理

波浪能發(fā)電技術(shù)形式多種多樣，根據(jù)安裝形式可分為固定式和漂浮式，根據(jù)工作原理的不同分為振蕩體式、振蕩水柱式和越浪式三類。此外，常見的波能發(fā)電技術(shù)形式還可以根據(jù)安裝位置、波能吸收類型等進行分類，具體如表2[5]所示。

表2 常見的波浪能發(fā)電技術(shù)形式Table 2 Common forms of wave energy converter

波浪能技術(shù)的基本原理[6](圖1)為:波浪能從捕獲到發(fā)電一般經(jīng)過三級能量轉(zhuǎn)換，一級轉(zhuǎn)換為波浪蘊含的能量通過捕能機構(gòu)在波浪下的運動轉(zhuǎn)換為傳動系統(tǒng)所需能量，二級轉(zhuǎn)換為將捕能機構(gòu)捕獲的能量通過傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成發(fā)電機所需的能量形式，三級轉(zhuǎn)換為通過發(fā)電機等設(shè)備將能量以電能形式輸出。不同形式的波浪能發(fā)電裝置其技術(shù)原理又有所不同。

圖1 波浪能發(fā)電裝置基本原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the basic principle of wave energy converter

振蕩體式波浪能發(fā)電裝置(圖2)技術(shù)原理為利用捕能機構(gòu)在波浪作用下所做的單自由度或多自由度運動將波浪能轉(zhuǎn)換為捕能機構(gòu)的機械能。裝置主要包括質(zhì)量體和發(fā)電機等，此類裝置結(jié)構(gòu)簡單，造價成本低，可適應(yīng)性強，可擴展性好。通過優(yōu)化俘獲體的質(zhì)量、形狀、半徑和吃水等參數(shù)，可以達到較高的俘獲寬度比，技術(shù)開發(fā)難度低，是目前研究最為廣泛的波能轉(zhuǎn)換裝置[7]。

圖2 振蕩體式波能發(fā)電裝置技術(shù)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of oscillating wave energy converter

振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置(圖3)主體結(jié)構(gòu)為中空氣室，氣室上部與空氣連通，氣室下部與水體連通，波浪往復(fù)運動帶動氣室中的空氣被壓縮和膨脹，空氣流過透平驅(qū)動渦輪機高速旋轉(zhuǎn)，進而驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。此類裝置結(jié)構(gòu)簡單，能量轉(zhuǎn)換部件位于水面上方，不與海水接觸，裝置不易腐蝕，維護較為方便，但由于二級能量轉(zhuǎn)換效率低，導(dǎo)致發(fā)電成本較高[8]。聚波越浪式波浪能發(fā)電裝置(圖4)一般利用呈喇叭狀的收縮坡道或斜坡形成聚波效應(yīng)將波浪引入高位蓄水池，利用水面高度差產(chǎn)生的勢能驅(qū)動水輪機轉(zhuǎn)動，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。此類裝置一級轉(zhuǎn)換過程沒有轉(zhuǎn)換部件，減少了過程中的能量損耗，可靠性較高。但受收縮坡道或斜坡地形限制，對建造選址要求較高，而且在小波海況下，裝置發(fā)電效率偏低，無法大規(guī)模建設(shè)，可擴展性差[9]。

圖3 振蕩水柱式波能發(fā)電裝置技術(shù)原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the principle of oscillating water column wave energy converter

圖4 聚波越浪式波能發(fā)電裝置技術(shù)原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the principle of wave-crossing wave energy converter

2 我國波浪能技術(shù)進展

2.1 振蕩體式

相比振蕩水柱式和聚波越浪式，我國對波浪能技術(shù)探索較多的是振蕩體式，振蕩體形式種類繁多，技術(shù)手段較其他類型也更為成熟。其中具有代表性的裝置有以下幾種。

1)鴨式波浪能發(fā)電裝置

2009年至2013年，廣州能源所先后研制了“鴨式Ⅰ號”、“鴨式Ⅱ號”和“鴨式Ⅲ號”波浪能發(fā)電裝置(圖5)，并進行了海上測試。鴨式系列裝置由主軸部分、鴨體部分和水下支撐部分組成[10]，鴨體部分在波浪作用下上下擺動以捕獲波浪能，同時驅(qū)動內(nèi)部液壓系統(tǒng)做功，進而帶動發(fā)電機發(fā)電?！傍喪舰蛱枴毕噍^于“鴨式Ⅰ號”，液壓系統(tǒng)的壓力等級得到了提高，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率有明顯提高[11]?！傍喪舰筇枴毕啾惹皟纱b置，經(jīng)過技術(shù)改進后，可根據(jù)波浪條件匹配發(fā)電功率，實際最大輸出功率達25 k W，裝機容量達100 k W[12]，但由于裝置整體質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量過大，鴨式波能發(fā)電技術(shù)的進展受到了一定限制。

圖5 鴨式波浪能發(fā)電裝置Fig.5 Duck wave energy converter

2)哪吒波浪能發(fā)電裝置

2011年，廣州能源所在大萬山島進行了我國第一套10 k W 漂浮點吸收直線發(fā)電波力裝置“哪吒一號”(圖6a)的海試，該裝置采用雙圓柱體漂浮結(jié)構(gòu)，振蕩浮子為蝶形，浮子中間直筒與水下阻尼板剛性相連，浮子振蕩運動帶動直筒內(nèi)直線發(fā)電機發(fā)電。經(jīng)實海況測試，發(fā)電機輸出最高電壓可達381 V[13]。此后廣州能源所又對該裝置進行了優(yōu)化研究，研制出了“哪吒二號”(圖6b)，并在指定海域完成了海試。哪吒波浪能發(fā)電裝置的海試經(jīng)驗使得漂浮點吸收直線波浪能發(fā)電裝置在能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、生產(chǎn)裝配、錨泊技術(shù)、密封防腐等關(guān)鍵技術(shù)和工藝方面取得了突破，為后續(xù)漂浮式裝置的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。

圖6 哪吒波浪能發(fā)電裝置Fig.6 Nezha wave energy converter

3)鷹式波浪能發(fā)電裝置

為了克服鴨式系列裝置的缺點，廣州能源所將鴨式裝置與半潛駁船相結(jié)合，研發(fā)出鷹式波浪能轉(zhuǎn)換裝置，裝置主要由鷹式吸波浮體、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和半潛船體構(gòu)成?！苞検揭惶枴辈ɡ四馨l(fā)電裝置(圖7a)采用液壓式與直驅(qū)式組合的發(fā)電系統(tǒng)，總裝機容量為10 k W，于2012年正式海試，并在無人值守的條件下單次無故障連續(xù)運行超過180 d，甚至在臺風(fēng)“海燕”來臨時也能在風(fēng)暴中正常發(fā)電[14-15]。鷹式裝置“萬山號”(圖7b)作為大型漂浮式波浪能發(fā)電裝置，采用兩套獨立并行的液壓系統(tǒng)進行波浪能的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)配備4臺由液壓馬達驅(qū)動的30 k W 永磁發(fā)電機，可在不同浪況下分級啟動發(fā)電。“萬山號”設(shè)計最大輸出功率為100 k W，于2015年成功進行海試，最大發(fā)電功率為128.32 k W，整機能量轉(zhuǎn)換效率基本在20%以上，最高可達37.7%[16-17]。2018年，繼“萬山號”之后，260 k W“先導(dǎo)一號”海上可移動能源平臺(圖7c)通過海底電纜成功并入三沙市永興島電網(wǎng)，成為海島能源電力能源的一個重要補充?！跋葘?dǎo)一號”可移動能源平臺并網(wǎng)技術(shù)的成功實現(xiàn)，使我國成為了全球首個在深遠海布放波浪能發(fā)電裝置并成功并網(wǎng)的國家，“先導(dǎo)一號”平臺也在海上波-光-儲互補技術(shù)上實現(xiàn)了重大突破[18-19]，為其他海上多功能互補平臺提供了成功經(jīng)驗。

廣州能源所研制的我國首座半潛式波浪能養(yǎng)殖網(wǎng)箱“澎湖號”(圖7d)于2019 年交付使用，可提供10 000 m3養(yǎng)殖水體，具備20人居住空間，同時搭載了太陽能發(fā)電系統(tǒng)，擁有120 k W 海洋供電能力，集旅游觀光和養(yǎng)殖發(fā)電功能于一體，在海洋裝備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上實現(xiàn)了突破[20]，截至到目前?！芭旌枴币堰B續(xù)無故障運行3 a。2020年由廣州能源所研發(fā)設(shè)計的我國首臺500 k W 波浪能發(fā)電裝置“舟山號”(圖7e)正式交付，該裝置采用四角拋錨方式錨固于海底，裝置內(nèi)部采用雙套液壓發(fā)電系統(tǒng)互為備用，吸波浮體經(jīng)技術(shù)改造后，俘獲性能得到了有效提升?！爸凵教枴睘槠h海島清潔能源供電提供了技術(shù)和裝置支撐，并為其他波浪能發(fā)電裝置并網(wǎng)運維積累了豐富的經(jīng)驗，是服務(wù)我國海洋強國建設(shè)的優(yōu)良范例[21]。2022年1月，由廣州能源所研發(fā)的半潛式波浪能深遠海智能養(yǎng)殖旅游平臺“閩投1號”(圖7f)開工建設(shè)，平臺采用波浪能、太陽能等清潔能源供電，可實現(xiàn)零碳源供給。相較于“澎湖號”，“閩投1號”居住空間增加到可容納36人，并增加了網(wǎng)衣清洗和魚群與環(huán)境監(jiān)測等設(shè)備[22]。

圖7 鷹式波浪能發(fā)電裝置Fig.7 Eagle wave energy converter

鷹式裝置將波浪能轉(zhuǎn)換設(shè)備與半潛船相結(jié)合，可適應(yīng)不同海域條件，有利于規(guī)?；嚵胁贾茫c養(yǎng)殖網(wǎng)箱、旅游平臺相結(jié)合，可實現(xiàn)集多功能于一體的智能海上漂浮式波浪能利用裝置，為漂浮式波浪能發(fā)電裝置商業(yè)化開發(fā)奠定了堅實的理論和實踐基礎(chǔ)。

4)振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置

振蕩浮子式裝置作為典型的點吸收式波浪能發(fā)電裝置，具有可靈活布置、易于陣列化擴展等優(yōu)點，一直是各大科研院所研究的重點，我國近十年在振蕩浮子式波浪能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域也取得了許多進展。

山東大學(xué)研制了裝機容量為120 k W 的漂浮式振蕩浮子波浪能發(fā)電裝置“山大一號”(圖8a)，于2012年在山東榮成成山頭海域進行了海試，裝置在電能輸出方面進行了技術(shù)改進，利用雙定子、雙電壓結(jié)構(gòu)平穩(wěn)輸出電能，提高裝置轉(zhuǎn)換效率[23]。東南大學(xué)研制了裝機容量為1 k W 的振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置(圖8b)，并于2014年在連云港黃海海域進行了海試，裝置設(shè)計為雙浮體結(jié)構(gòu)，外浮子可通過調(diào)整吃水實現(xiàn)與入射波共振，固定在內(nèi)浮子上的阻尼板在周圍水體作用下增加阻尼效應(yīng)，內(nèi)外浮子垂直相對運動帶動永磁線性發(fā)電機發(fā)電[24]。浙江海洋學(xué)院研制的“海院一號”裝置(圖8c)具有自動升降系統(tǒng)，可適應(yīng)水位變化[25-26]，作為陣列式發(fā)電場的嘗試，“海院一號”的海試為后續(xù)波浪能發(fā)電裝置的陣列化研究提供了實測數(shù)據(jù)和技術(shù)依據(jù)。

中國海洋大學(xué)自主研制的“海靈號”組合型振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置(圖8d)是陣列化的又一嘗試，裝置總裝機容量為10 k W，吸波部分由4個錐底圓柱型浮子構(gòu)成，浮子呈陣列式排布，在波浪作用下沿樁柱上的導(dǎo)軌上下往復(fù)運動從而帶動發(fā)電機發(fā)電。該裝置于2014年在青島齋堂島海域投放，最大工作水深可達40 m，安全海試運行時間超過一年[27]。集美大學(xué)研制了“集大一號”振蕩式點吸收波浪能發(fā)電裝置(圖8e)，其搭載漂浮式平臺進行波浪能轉(zhuǎn)換發(fā)電，在我國臺灣海峽進行了長達3個月的實海況測試，測試期間裝置最大發(fā)電功率達36 kW。研究發(fā)現(xiàn)浮子垂蕩運動和永磁發(fā)電機的瞬時和平均輸出功率在很大程度上受振蕩浮子數(shù)量的影響，多個振蕩浮子同時吸收波能可有效增加裝置發(fā)電量，但在大周期波況下能量轉(zhuǎn)換效率較低[28]。

圖8 振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置Fig.8 Oscillating buoy wave energy converter

5)其他振蕩體式波浪能發(fā)電裝置

除了上述典型的振蕩體式波浪能發(fā)電裝置外，我國學(xué)者還研發(fā)了一些其他形式的振蕩體式波浪能發(fā)電裝置。2012年，國家海洋技術(shù)中心研制了100 k W 底鉸擺式波浪能發(fā)電裝置(圖9a)，在山東即墨大管島海域投放運行。該裝置安裝時需要將鉸擺底座固定，受潮差影響較大，波浪能轉(zhuǎn)換效率較低，對小波高海況的海域適應(yīng)性較差[29]，在技術(shù)實用性方面還有待進一步加強。同年廣東海洋與漁業(yè)服務(wù)中心和華南理工大學(xué)聯(lián)合研制了漂浮式陣列擺式波浪能發(fā)電裝置(圖9b)，并在南海海域進行了海試，裝置包含9個吸波擺板，交錯排列于浮式基礎(chǔ)上。區(qū)別于傳統(tǒng)擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的單一運動模態(tài)，該裝置首次實現(xiàn)了對波能裝置在搖擺和垂蕩方向同時進行波能轉(zhuǎn)換的復(fù)合模態(tài)實海況測試[30]，為擺式波能轉(zhuǎn)換裝置的實用化提供了技術(shù)支持和工程經(jīng)驗。中國船舶重工集團公司第701研究所研制了筏式液壓波浪能發(fā)電裝置“海龍一號”(圖9c)，于2014年進行海試，裝置由4節(jié)漂浮式圓柱浮子和個連接部件構(gòu)成，總長86 m，重約400 t[31]。

圖9 其他振蕩體式波浪能發(fā)電裝置Fig.9 Other types of oscillating buoy wave energy converter

2.2 振蕩水柱式

振蕩水柱式波能發(fā)電技術(shù)早在20世紀80年代就開始用于研制航標燈的BD 系列微型波浪能發(fā)電裝置(圖10a)，經(jīng)過多種裝置類型的研制，成功實現(xiàn)了該類航標燈的商業(yè)化投產(chǎn)。BD102G 型裝置在BD102B 型裝置的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了較全面的更新?lián)Q代，將原來平鋪于鋁合金地板上的控制器改為雙層鋪設(shè)，從而極大縮小了裝置體積，將保護帽與發(fā)電機的緊固螺栓合二為一減輕了裝置的質(zhì)量，外形也更美觀流暢。經(jīng)過技術(shù)改進后，BD102G 型裝置實測平均功率達到7.547 W(額定功率10 W)[32]，既降低了制造成本又提高了發(fā)電效率。

隨著微型航標燈振蕩波能發(fā)電技術(shù)趨于成熟，學(xué)者們開始研究后彎管波力發(fā)電裝置技術(shù)。5 k W 后彎管波力發(fā)電浮體是當時世界上裝機容量最大的后彎管波力發(fā)電裝置，在技術(shù)方面裝置采用前方后圓浮室后伸型后彎管波力發(fā)電浮體，浮體采用船板制造，不僅峰值功率大，而且特性較為平緩，響應(yīng)波周期寬[33]。中水道1號燈船波力發(fā)電裝置(圖10b)采用前開口直管和后彎管兩種振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，經(jīng)過水池模型試驗后，在瓊州海峽中水道1號標位成功進行了海上試驗，實測裝置的輸出功率超出了額定功率，運行良好[34]。

位于珠海市大萬山島的我國第一座振蕩水柱型波力電站(圖10c)經(jīng)過3 a海上運行測試后，被改建為一座裝機容量為20 k W 的波力電站，于1996年試發(fā)電成功，峰值功率可達14.5 k W，電站的總能量平均俘獲寬度比為10%～40%[35]。隨后，廣州能源所在廣東省汕尾市建造了我國第一座并網(wǎng)波浪能電站，電站采用了岸式振蕩水柱波能發(fā)電技術(shù)，裝機功率達到100 k W，安全運行超2 a[36]。

圖10 振蕩水柱式波能發(fā)電裝置Fig.10 Oscillating water column wave energy converter

在此之后，由于大型振蕩水柱式波能發(fā)電裝置建造和運行成本居高不下，研究人員對振蕩水柱式波能發(fā)電裝置的重點也轉(zhuǎn)向了空氣透平的優(yōu)化、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)氣室壓強特性、結(jié)合振蕩水柱的防波堤等研究領(lǐng)域。段春明和朱永強[37]研究了一種新型振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置，該裝置利用振蕩浮子吸收波能，浮子連接杠桿運動轉(zhuǎn)換為活塞動能，活塞產(chǎn)生的空氣動能和振蕩水柱產(chǎn)生的空氣動能同時壓縮、抽吸空氣形成更強風(fēng)能帶動空氣透平旋轉(zhuǎn)。王鵬等[38]提出了一種帶水平底板的振蕩水柱式新型防波堤，經(jīng)過物理模型試驗研究了波高對振蕩水柱防波堤水動力參數(shù)的影響。張真等[39]通過構(gòu)建在葉片尖端安裝有環(huán)結(jié)構(gòu)的沖擊式透平的三維數(shù)值模型開展了一系列仿真計算，研究了不同環(huán)結(jié)構(gòu)厚度對沖擊式空氣透平輸入系數(shù)、扭矩系數(shù)及透平效率的影響規(guī)律，最終確定了最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，該優(yōu)化結(jié)果可為實際工程應(yīng)用中沖擊式空氣透平的結(jié)構(gòu)選型提供可靠依據(jù)。

2.3 聚波越浪式

由于聚波越浪式裝置受到安裝位置、海岸線地形、潮差等諸多因素的限制，其波浪能利用率遠低于深水區(qū)。研究機構(gòu)對聚波越浪式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的研發(fā)和投入不及振蕩體式和振蕩水柱式，有關(guān)裝置大多只進行了水池物理模型試驗。

陳兵等[40]研究了在不同波況下聚波越浪式發(fā)電裝置的越浪量以及坡道壓力分布，并在試驗水槽中進行了模型試驗。研究表明裝置的越浪量基本符合Van der Meer越浪量模型，并給出了坡道在不同波況下受力的變化規(guī)律及裝置的水力效率，該試驗為研究越浪式裝置的水力性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析提供了依據(jù)。Liu等[41]研究了圓形坡道溢流波浪能轉(zhuǎn)化器，并在中國海洋大學(xué)進行了波浪水槽物理模型試驗的初步研究。研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流葉片可有效引導(dǎo)波浪從坡道進入水庫，導(dǎo)流葉片的角度和坡道的平緩程度對過頂流量有顯著影響，該試驗為樣機冠形結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計和優(yōu)化提供了依據(jù)。龔怡慧[42]在傳統(tǒng)越浪式發(fā)電裝置基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型碟型越浪式波浪能發(fā)電裝置，并對該碟型發(fā)電裝置的整體結(jié)構(gòu)和工作原理進行了詳細介紹。該碟形裝置可自由漂浮在水面，平穩(wěn)性好，成本低且能量轉(zhuǎn)換率高，為越浪式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了借鑒。

目前波浪能發(fā)電技術(shù)形式還未達到收斂，在深遠海、近岸、漂浮式或海底安裝方面各類轉(zhuǎn)換裝置形式尚未達成一致標準，優(yōu)化設(shè)計也各有針對性，且波浪能發(fā)電場的開發(fā)速度各不相同。學(xué)者們在研發(fā)各種形式的波浪能發(fā)電裝置的同時也在積極尋求可實現(xiàn)波浪能發(fā)電裝置大規(guī)模商業(yè)化的有效途徑，對波浪能發(fā)電裝置的研究也從一開始的廣泛涉獵轉(zhuǎn)向了具體細分領(lǐng)域。針對我國波浪能資源功率密度較低的特點，研究人員以小功率波浪能發(fā)電裝置為著力點，在此基礎(chǔ)上不斷擴展適用于不同海域不同工況的大型波浪能發(fā)電裝置。以鷹式系列波浪能發(fā)電裝置為代表，我國目前已有超過50臺波浪能發(fā)電裝置進行了海試，裝機容量達兆瓦級的波浪能發(fā)電裝置也正在緊鑼密鼓地研發(fā)中。目前我國已掌握的波浪能發(fā)電技術(shù)可實現(xiàn)微型航標燈波浪能發(fā)電裝置商業(yè)化投產(chǎn)，初步實現(xiàn)為偏遠海島供電，太陽能和海上風(fēng)能、波浪能等多能互補技術(shù)正在探索中，打造基于波浪能發(fā)電技術(shù)的觀光旅游、網(wǎng)箱養(yǎng)殖、海水淡化等多功能綜合平臺[43-44]也是未來波浪能技術(shù)發(fā)展的新方向。

3 波浪能技術(shù)未來趨勢

波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展至今，由于技術(shù)成熟度不一致，距離實現(xiàn)波浪能發(fā)電商業(yè)化仍有很長一段路要走。針對以往裝置發(fā)電效率低、適應(yīng)性差、生存時間短等不足之處，研究者們一直致力于裝置技術(shù)與開發(fā)手段的創(chuàng)新研究。未來波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢不再僅限于單一的裝置發(fā)電研究，而是逐步轉(zhuǎn)向多自由度、陣列化發(fā)電、多能互補耦合發(fā)電、多功能綜合平臺利用等方面。

3.1 多自由度、陣列化發(fā)電

1)多自由度

以往開發(fā)的大部分波浪能轉(zhuǎn)換裝置一般只在單一自由度進行波能捕獲運動，經(jīng)過模擬和試驗研究表明，多自由度裝置捕能效率較單自由度裝置高，釋放裝置自由度可有效提高裝置的捕能效率[45]。目前我國多自由度波浪能發(fā)電裝置的研究大多處于理論研究和物理模型試驗階段，但實際海浪具有高度隨機性和不可重復(fù)性，簡化模擬試驗會降低結(jié)果的準確性，增加裝置在實海況中的運行風(fēng)險。若要更好地實現(xiàn)波浪能發(fā)電裝置的多自由度獲能，還需要在獲能體形式、獲能體耦合方式、能量提取系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)難點方面進行突破。多自由度波浪能轉(zhuǎn)換裝置可適應(yīng)我國海域能源密度低的環(huán)境，有效增強系統(tǒng)的波能捕獲能力，具有巨大的開發(fā)潛力和應(yīng)用前景。未來波浪能轉(zhuǎn)換裝置將不再局限于單一自由度吸能，而是將裝置多個自由度耦合，可以在不同海況條件下實現(xiàn)波浪能的最大化獲取。

2)陣列化

單個波浪能發(fā)電裝置單機容量小，發(fā)電成本高，無法滿足大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電要求。而陣列化布置可使裝置全方位、連續(xù)均勻吸收各種海況下的波浪能，實現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)穩(wěn)定的電能輸出和高效的能量轉(zhuǎn)換，在提高電能轉(zhuǎn)換效率的同時極大降低發(fā)電成本。波浪能轉(zhuǎn)換裝置模塊化設(shè)計，有利于擴展成兆瓦級發(fā)電裝置陣列。根據(jù)投放海域選擇釋放裝置自由度以達到最優(yōu)輸出功率，根據(jù)波浪場條件合理設(shè)計陣列布局形式以得到最優(yōu)型式的陣列布局。陣列浮子式波浪能發(fā)電平臺和以陣列浮子式波浪能發(fā)電平臺為單元的陣列式波浪能發(fā)電場可有效擴展波浪能發(fā)電的規(guī)模，顯著增大波浪能發(fā)電裝置的單機容量。多自由度和陣列化是波浪能發(fā)電技術(shù)在未來的研究趨勢，也是波浪能發(fā)電裝置在未來的開發(fā)趨勢。

3.2 多能互補耦合發(fā)電

波浪能開發(fā)利用目前的主要問題在于開發(fā)成本高、單一能源開發(fā)效率低、無法規(guī)?；虡I(yè)使用等。海上風(fēng)能發(fā)電技術(shù)比波浪能發(fā)電技術(shù)更為成熟，但是由于波浪能和風(fēng)能都有各自的技術(shù)局限性和技術(shù)難點。如何將兩者結(jié)合，降低技術(shù)開發(fā)難度，促進理論研究成熟化和耦合裝置(圖11)實用化是亟需研究的重點。海上風(fēng)能和波浪能作為具有伴生關(guān)系的海洋能源，進行波浪能和海上風(fēng)能聯(lián)合開發(fā)、協(xié)同利用，可有效增加海洋空間利用率，減少海纜等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與維護費用，降低單位發(fā)電成本，是解決海上能源利用的高效途徑。波浪能發(fā)電裝置依托漂浮式風(fēng)機平臺或風(fēng)機依托漂浮式波浪能發(fā)電裝置，實現(xiàn)風(fēng)能和波浪能一體化聯(lián)合發(fā)電。風(fēng)機和波浪能發(fā)電裝置布置在臨近區(qū)域協(xié)同定位，實現(xiàn)海上風(fēng)能和波浪能協(xié)同化組合發(fā)電。風(fēng)能和波浪能耦合發(fā)電是當前海洋能領(lǐng)域研究的熱點，在此方向上的技術(shù)突破會使我國海洋可再生能源利用率達到新高度，是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑。

圖11 風(fēng)浪耦合裝置Fig.11 Wind-wave coupling generation device

3.3 多功能綜合平臺

我國是一個海洋大國，也是一個海島大國。我國面積大于500 m2的海島有7 300多個，有人居住的島嶼約400多個[46-47]，海島兼?zhèn)湄S富的海、陸資源，在海洋經(jīng)濟和沿海經(jīng)濟發(fā)展中有重要的作用。未來對波浪能發(fā)電裝置的研發(fā)將會在“澎湖號”的基礎(chǔ)上繼續(xù)擴展，成為集波浪能發(fā)電、網(wǎng)箱養(yǎng)殖、觀光旅游和環(huán)境監(jiān)測等為一體的新型智慧海洋可再生能源利用多功能綜合平臺?；诖祟惼脚_的高適應(yīng)性，可將波浪能發(fā)電裝置向深遠海推進，進行平臺陣列化投布，擴大海洋開發(fā)范圍，獲取優(yōu)質(zhì)的海洋資源。擴展此類平臺在偏遠海島的使用也是發(fā)展趨勢之一，將利用波浪能產(chǎn)生的電力并入海島電網(wǎng)補充海島居民生活用電，利用平臺進行海水淡化滿足海島居民生活用水，海能海用。

4 結(jié) 論

我國波浪能發(fā)電技術(shù)經(jīng)過不斷完善，在波浪能利用中取得了顯著成效。波浪能發(fā)電裝置單機功率逐漸增大，裝置生存能力越來越好，能量轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)步提升，裝置的功能綜合性日益凸顯。未來波浪能發(fā)電技術(shù)必將在多自由度陣列化發(fā)電、多能互補耦合發(fā)電、多功能綜合平臺利用等方面取得新突破。

未來的能源結(jié)構(gòu)布局中新能源必定將占有舉足輕重的地位，合理分配使用傳統(tǒng)能源，著力研發(fā)波浪能等新型可再生清潔能源是發(fā)展大勢。波浪能作為可再生清潔能源的一種，前景十分廣闊，波浪能發(fā)電技術(shù)也將隨著波浪能的進一步開發(fā)和利用更加成熟。