史宏達，韓治，路晴

（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）

隨著全球人口增長和城市化進程加快，能源需求日益增長[1-3]。目前化石能源在能源消費中占比最大，化石能源的使用會在開采、運輸和使用等環(huán)節(jié)對水質(zhì)和土壤等生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，排放出的二氧化碳亦會引發(fā)溫室效應(yīng)，加劇全球氣候變暖[4-5]。為應(yīng)對氣候危機，加快構(gòu)建我國現(xiàn)代能源體系，推動能源高質(zhì)量發(fā)展，保障國家能源安全，確保如期達成“雙碳”目標(biāo)，國家發(fā)展改革委和國家能源局于2022年1月29日聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，規(guī)劃中指出“堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，壯大清潔能源產(chǎn)業(yè)，實施可再生能源替代行動”[6]。因此，加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型是推動我國能源高質(zhì)量發(fā)展的迫切需要。

我國海岸線總長約為3.2萬km，領(lǐng)海面積約為300萬km2，海洋可再生能源儲量可觀。在海洋可再生資源中，海上風(fēng)能技術(shù)成熟度等級（Technology Readiness Levels，TRL）最高，目前已進入產(chǎn)業(yè)化階段。據(jù)中國國家能源局數(shù)據(jù)顯示，2021年我國海上風(fēng)電新增裝機16.90 GW，同比增長339.53%，增速創(chuàng)歷史新高，海上風(fēng)電累計裝機26.39 GW，居全球第一[7]。國際能源署預(yù)計海上風(fēng)能的發(fā)電量將于2025年和2030年分別達到308 TW·h和606 TW·h[8]。相比陸地風(fēng)能，海上風(fēng)能能流密度大、穩(wěn)定性好，但運營維護成本也較高，約占總投資的25%～50%[9-10]，因此，海上風(fēng)能發(fā)展存在成本限制。波浪能作為另一儲量可觀的海洋可再生能源，具有品質(zhì)好、易利用、能流密度較大、分布廣泛等優(yōu)勢，其技術(shù)類型尚未達到收斂，目前正處于工程化與產(chǎn)業(yè)化的過渡階段[11]。波浪能與海上風(fēng)能具有顯著的伴生關(guān)系，相較風(fēng)能，波浪能穩(wěn)定性更高，因此通過合理配置聯(lián)合開發(fā)兩種能源，可發(fā)揮兩者的協(xié)同作用，既能分擔(dān)基建、運營維護成本，也可提高整體電力輸出的穩(wěn)定性，優(yōu)化電力質(zhì)量，推動海上可再生能源產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

1 海上風(fēng)能、波浪能發(fā)電技術(shù)簡述

1.1 海上風(fēng)能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀簡述

風(fēng)是地球表面受太陽輻射不均導(dǎo)致空氣流動而引起的一種自然現(xiàn)象，通過風(fēng)力渦輪機可將空氣動能轉(zhuǎn)化為機械能或電能滿足生產(chǎn)生活需要。人類在陸地利用風(fēng)能的歷史最早可追溯至公元前4000年的古埃及文明，古埃及人研制出了水平轉(zhuǎn)動的風(fēng)車[12]。1887年7月，世界上第一臺風(fēng)力發(fā)電設(shè)備于英國研制成功。相較陸地風(fēng)能，人類利用海上風(fēng)能發(fā)電的歷史較短，1991年，世界上第一個真正意義上的海上風(fēng)電場才正式投入運營。由于水面比陸地表面更為光滑，因此開闊水域的海風(fēng)具有更大、更穩(wěn)定的風(fēng)速，同時在海上建立風(fēng)電場可減少視覺、噪聲等污染對人類的影響，節(jié)約土地面積，因此近年來海上風(fēng)電逐漸成為研究熱點[13]。

針對海上風(fēng)機的研究目前主要集中于水平軸風(fēng)機與垂直軸風(fēng)機（圖1），水平軸風(fēng)機轉(zhuǎn)軸方向與風(fēng)來向平行，轉(zhuǎn)軸較短，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高，在大型風(fēng)電機組中更為經(jīng)濟，是目前全球風(fēng)電發(fā)展的主流機型[14]。與水平軸風(fēng)機相比，垂直軸風(fēng)機轉(zhuǎn)軸垂直于地面，受尾流效應(yīng)影響較小，可多向受風(fēng)且不需額外的偏航裝置[15-16]，維護成本低，非常適合海上安裝，因此也受到諸多研究者的關(guān)注。

圖1 垂直軸風(fēng)機與水平軸風(fēng)機工作原理對比Fig.1 Comparison of the working principleof vertical axis and horizontal axiswind turbine

風(fēng)機在海上需根據(jù)布置海域水深選擇合適的支撐形式（圖2）。固定式支撐主要分為重力式沉箱基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)及導(dǎo)管架基礎(chǔ)等，漂浮式支撐根據(jù)浮式平臺的差異可分為半潛式、立柱式和張力腿式等[17]。海上風(fēng)機的電力傳輸需布設(shè)海底電纜和電力設(shè)施，這些設(shè)施需要通過專業(yè)工程船只進行建造及維護，因此基建及維護成本高昂，是海上風(fēng)電大規(guī)模部署的主要限制因素[18]。盡管海風(fēng)相比陸風(fēng)更為穩(wěn)定，但微小的風(fēng)速變動仍會對提取功率產(chǎn)生極大影響導(dǎo)致電網(wǎng)波動，因此如何提高海上風(fēng)電輸出的穩(wěn)定性也是海上風(fēng)電研究的熱點[19]。

圖2 海上風(fēng)機主要支撐形式Fig.2 Leading underpinning forms for offshore wind turbines

1.2 波浪能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀簡述

波浪能儲量及能流密度大，可靠性高，且對環(huán)境影響小，極具開發(fā)潛力。據(jù)評估全球海岸線波浪能發(fā)電潛力達1 TW，若考慮公海波浪能，其潛力可達10 TW[20]。波浪能與海上風(fēng)能存在明顯的伴生關(guān)系，海浪的形成源自海風(fēng)與海面的相互作用。海-氣邊界層理論模型表明，海風(fēng)的動量輸入以短重力波為中心，主要將能量轉(zhuǎn)化為波場中的高頻波和慢速波，從而使它們逐漸成長為接近波譜峰值頻率的主頻波浪[21]。

20世紀(jì)70年代，為應(yīng)對石油危機及氣候變暖等問題，各國提出并研究了多種型式的波浪能利用裝置，根據(jù)捕能原理可分為振蕩水柱式、聚波越浪式及振蕩體式三類（圖3）。其中，振蕩水柱式裝置通過波浪運動帶動氣室內(nèi)水柱振蕩，產(chǎn)生的往復(fù)氣流帶動空氣透平轉(zhuǎn)動進而發(fā)電，此類裝置結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。聚波越浪式裝置利用引浪斜坡使波浪攀升并將其導(dǎo)入后方高位蓄水池中，待蓄滿足夠水量后，利用回流管道將水體釋入海中，在此過程中帶動低水頭水輪機進行發(fā)電，此類裝置發(fā)電穩(wěn)定性及可靠性高。振蕩體式波能裝置利用波浪帶動振蕩體往復(fù)運動，將波浪動能轉(zhuǎn)化為振蕩體動能，通過能量轉(zhuǎn)換-傳遞機構(gòu)，將振蕩體動能轉(zhuǎn)化為機械能或液壓能，進而帶動發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電。

圖3 波浪能裝置工作原理Fig.3 Working principle diagram of waveenergy convertor

目前波浪能裝置的研發(fā)目標(biāo)主要為提高裝置發(fā)電效率、增強裝置魯棒性、提高極端海況下裝置的生存能力。波浪能產(chǎn)業(yè)正處于工程化與產(chǎn)業(yè)化的過渡階段，下一步將向大型化、陣列化方向邁進，這對波浪能裝置的成本控制提出了又一挑戰(zhàn)。

2 風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)協(xié)同效應(yīng)研究

波浪能與海上風(fēng)能伴生關(guān)系緊密，建立大規(guī)模陣列化海上可再生能源電場是兩者共同的發(fā)展方向，海上風(fēng)能-波浪能聯(lián)合開發(fā)協(xié)同效應(yīng)（synergy effects）顯著。當(dāng)前研究表明，風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)的協(xié)同效應(yīng)主要有以下4點。

1）分攤并降低成本

波浪能與海上風(fēng)能的開發(fā)所需基礎(chǔ)設(shè)施互通，既要依托可靠的海上支撐結(jié)構(gòu)，同時還需布設(shè)海底電纜、變電站等電力基礎(chǔ)設(shè)施。Castro-Santos等[22]提出了一種評估海上浮式可再生能源系統(tǒng)全生命周期成本的方法，并針對W2Power和Poseidon兩種海上浮式風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)系統(tǒng)進行了案例分析，結(jié)果顯示在全生命周期成本中占比重最重的是建造安裝成本和運維成本。Clark等[23]通過成本模型對風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)陣列與獨立的風(fēng)機陣列和波浪能陣列進行了成本對比，模擬結(jié)果顯示，因成本分攤及發(fā)電量增加，聯(lián)合開發(fā)陣列較獨立陣列更為經(jīng)濟。此外，一些研究也表明在前期調(diào)研和建造過程中同樣可降低因重復(fù)資源評估、施工及資源調(diào)動產(chǎn)生的成本[24-25]。運營及維護成本是目前海上風(fēng)電場的另一重要支出，據(jù)統(tǒng)計，運維成本約占風(fēng)電場總投資的20%～25%[26]。風(fēng)機的可達性（accessibility）是評價海上風(fēng)電場運維成本的重要指標(biāo)。海上風(fēng)機維護工作船工作的極限波高為1.5 m，當(dāng)超過該波高時，保養(yǎng)及維修工作將延期，從而導(dǎo)致維護成本的增加。如圖4所示，風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)可采用波浪能裝置陣列保護海上風(fēng)機陣列的方法，發(fā)揮波浪能陣列的掩蔽效應(yīng)（shadow effect），為風(fēng)機陣列提供良好的泊穩(wěn)條件，從而提高電場檢修的可作業(yè)天氣窗口，降低維護成本[27]。Astariz等[28]使用高分辨率數(shù)值模擬針對Alpha Ventus海上風(fēng)電場進行了15種案例分析，結(jié)果表明在風(fēng)電場外圍布置波浪能裝置陣列后，風(fēng)電場的可作業(yè)天氣窗口最多可增加80%。此外，波浪能陣列的掩蔽效應(yīng)可應(yīng)用于部分風(fēng)能資源優(yōu)異但泊穩(wěn)條件較差的海域以改善波浪條件，提供建立風(fēng)電場的可能性。

圖4 波浪能陣列掩蔽效應(yīng)示意圖Fig.4 Masking effect schematic of wave energy convertor array

2）提升電力質(zhì)量

由于氣候的不可控性，盡管海上風(fēng)能相較陸地風(fēng)能更穩(wěn)定，但也難以避免間隔與波動。風(fēng)力發(fā)電取決于風(fēng)速的立方，體現(xiàn)在風(fēng)機能量輸出上則為輸出功率的隨機性、波動性與不可控性。隨著海上風(fēng)電大量并網(wǎng)，不確定性因素的增加不僅影響電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定性，還將影響電網(wǎng)的潮流分布[29]。Fusco等[30]的研究表明風(fēng)機能量輸出的變動會間接影響電網(wǎng)中熱電廠的能量輸出，顯著影響熱電廠效率，導(dǎo)致度電成本與碳排放量增加。因此將高份額的間歇性電力資源納入電力供應(yīng)系統(tǒng)，被認為是可再生能源可持續(xù)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)之一[31-32]。為解決這一問題，通過可再生能源聯(lián)合開發(fā)以降低發(fā)電功率的整體波動是目前研究的方向之一。相較海上風(fēng)能，波浪能具有更好的可預(yù)測性與穩(wěn)定性，由風(fēng)、浪間的強伴生關(guān)系可知，風(fēng)能資源豐富的海域，波浪能資源也相對豐富，而由風(fēng)、浪傳播速度的差異產(chǎn)生的波浪峰值波高與峰值風(fēng)速間的時差可有效提高電力輸出的穩(wěn)定性。Cradden等[33]對歐洲3個海洋能測試場的綜合海洋能測試平臺的分析表明，由于風(fēng)電場選址海域通常風(fēng)速高、風(fēng)區(qū)長，故隨風(fēng)生成的波浪到達風(fēng)電場的時間延遲正好可彌補風(fēng)力發(fā)電的空窗期，從而可提升電力輸出質(zhì)量。Astariz和Iglesias[34]結(jié)合德國Alpha Ventus和丹麥Horns Rev2個風(fēng)電場的風(fēng)、浪數(shù)據(jù)對風(fēng)-浪聯(lián)合電場的發(fā)電表現(xiàn)進行了研究，結(jié)果表明對于同一位置的海上風(fēng)電場，風(fēng)-浪聯(lián)合電場的停機時間及功率波動分別減少了87%和6%，在風(fēng)、浪相關(guān)性較弱的海域進行聯(lián)合開發(fā)可以更具成本競爭力的方式推動可再生能源發(fā)展。Rasool等[35]針對澳大利亞新南威爾士州附近海域的7個站點進行了風(fēng)-浪聯(lián)合發(fā)電評估，結(jié)果表明50%的風(fēng)、浪發(fā)電混合比是權(quán)衡發(fā)電量與電力輸出波動的最優(yōu)解。

3）增強魯棒性

深海海域（水深<100 m）比近海的風(fēng)能資源更豐富，但同時波浪條件也更嚴(yán)峻。在惡劣海況下，浮式海上風(fēng)機運動響應(yīng)不僅影響風(fēng)機的氣動表現(xiàn)，降低風(fēng)電產(chǎn)量，也會產(chǎn)生額外的結(jié)構(gòu)荷載，威脅整體安全性。針對這一問題，將波浪能裝置設(shè)計為浮式風(fēng)機的被動阻尼系統(tǒng)，通過主動吸收波浪能以降低波浪對浮式平臺的影響成為研究的新方向。Borg等[36]將搭載垂直軸風(fēng)機的Trifloater半潛式平臺與振蕩浮子波能裝置結(jié)合，研究了振蕩浮子裝置固有頻率變化對浮式平臺的影響。結(jié)果表明，當(dāng)振蕩浮子裝置固有頻率與平臺固有頻率匹配時，波浪能發(fā)電效率最高，當(dāng)振蕩浮子裝置固有頻率低于平臺固有頻率時，可有效降低平臺運動響應(yīng)，在特定波況下，平臺的垂蕩RAO（Response Amplitude Operator）降低了29%。Wan等[37-38]設(shè)計了一種基于Spar浮式平臺的風(fēng)-浪聯(lián)合獲能裝置，該裝置在Spar平臺外圍嵌套了一個環(huán)形振蕩浮子波浪能裝置，浮子可在波浪作用下通過與Spar平臺的相對運動發(fā)電，并通過數(shù)值模擬及物理模型試驗針對極端風(fēng)浪條件下振蕩浮子的2種避險模式進行了測試。Michailides等[39]對基于半潛式平臺的風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)裝置SFC （Semisubmersible wind energy and Flap-type wave energy Converter ）進行了生存性能研究，試驗及數(shù)值模擬結(jié)果表明該裝置在極端環(huán)境下?lián)碛辛己玫纳嫘阅堋u[40]利用數(shù)值模擬對與振蕩浮子陣列結(jié)合的半潛式海上風(fēng)機平臺進行了研究，結(jié)果表明振蕩浮子陣列的增加減少了平臺上的最大水平力與俯仰力矩，提高了平臺的安全性。Kamarlouei等[41]將擺式振蕩浮子陣列與半潛式風(fēng)機平臺相結(jié)合并研究了擺式浮子陣列對平臺運動的影響，結(jié)果表明通過調(diào)節(jié)擺式浮子陣列可控制平臺運動，針對平臺類型優(yōu)化PTO（Power Take Off）系統(tǒng)并采取主動控制方式的控制效果更佳。

4）提高用海效率、促進監(jiān)管程序協(xié)同

大多數(shù)海洋活動發(fā)生在約50~100 km的近陸海域，海上風(fēng)能及波浪能的開發(fā)利用活動將與生態(tài)保護區(qū)、航運及漁業(yè)等其他海洋經(jīng)濟用地產(chǎn)生競爭。國家發(fā)展改革委及能源局的相關(guān)意見指出：建立清潔低碳能源開發(fā)利用的國土空間管理機制，優(yōu)化海洋能源開發(fā)用地用海要求[42]。風(fēng)浪伴生關(guān)系使海上風(fēng)能與波浪能開發(fā)具有相近的用海需求，考慮到海上風(fēng)能、波浪能裝置依托結(jié)構(gòu)的相似性，風(fēng)浪聯(lián)合開發(fā)可提高近?？臻g利用效率，在海洋空間規(guī)劃或海岸帶綜合管理中發(fā)揮協(xié)同作用。對處于發(fā)展變革階段的技術(shù)，環(huán)境監(jiān)管政策依賴的“最佳科學(xué)證據(jù)”往往缺乏明確的數(shù)據(jù)且存在影響的不確定性。歐盟等發(fā)達地區(qū)的環(huán)境監(jiān)管部門傾向于對技術(shù)成熟度尚不及風(fēng)能的波浪能電力項目采取嚴(yán)格的風(fēng)險預(yù)防措施，因此波浪能項目的數(shù)據(jù)和監(jiān)測成本高，審批時間長。對此，歐洲智能能源SOWFIA （Streamlining of Ocean Wave Farms Impact Assessment）項目提出了一系列建議，并對歐洲的波浪能影響評估及許可程序進行了深入分析[43]，希望根據(jù)海洋能源之間的相似性簡化評估標(biāo)準(zhǔn)及許可程序。國際能源署-海洋能源系統(tǒng)（International Energy Agency-Ocean Energy Systems，IEAOES）發(fā)布的報告梳理了海上風(fēng)能及波浪能等裝置的環(huán)境影響狀況，以期減少監(jiān)管部門對科學(xué)信息理解的不確定性[44]。根據(jù)我國生態(tài)環(huán)境部頒行的《建設(shè)項目環(huán)境影響評價分類管理名錄》（2021年版）[45]，波浪發(fā)電與海上風(fēng)電工程在一定裝機容量范圍內(nèi)可采用同一類別形式的環(huán)境影響評價，風(fēng)浪聯(lián)合開發(fā)意味著環(huán)評及審批程序上的協(xié)同優(yōu)勢。在關(guān)鍵立法及監(jiān)管政策的更新或細化中，同時考慮不同發(fā)展階段中海洋能源技術(shù)的差異與協(xié)調(diào)，有利于形成技術(shù)發(fā)展規(guī)范化及監(jiān)管完善化互相促進的良性循環(huán)。

3 風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)模式及項目實例

風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)依托單元類型不同，聯(lián)合開發(fā)模式主要分為鄰布型、混合型及能源島型三種。

鄰布型基于獨立的海上風(fēng)機和波浪能裝置，通過在同一海域進行2種裝置的陣列布置實現(xiàn)風(fēng)-浪資源聯(lián)合開發(fā)。根據(jù)波浪能裝置陣列與海上風(fēng)機陣列的布置關(guān)系，鄰布型又可分為獨立陣列、包圍陣列、均布陣列及非均布陣列等型式（圖5）[46]。目前由于波浪能裝置商業(yè)化程度低，針對鄰布型的風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)尚處于理論研究階段，研究主要集中于包圍陣列下波浪能裝置陣列的掩蔽效應(yīng)對海上風(fēng)機陣列的影響[47-49]。

圖5 鄰布型風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)主要陣列型式Fig.5 The leading array typesfor joint wind-wave co-development of the adjacent type

混合型風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)注重將波浪能裝置與海上風(fēng)機集成于同一海洋平臺上，以分擔(dān)基建成本。根據(jù)平臺類型，可分為底部固定式與漂浮式兩類，其中固定式基礎(chǔ)根據(jù)布置水深可分為重力式沉箱基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)及導(dǎo)管架基礎(chǔ)等，漂浮式支撐根據(jù)浮式平臺的差異可分為半潛式、立柱式和張力腿式等。隨著風(fēng)、浪資源開發(fā)的深?；?，漂浮式混合型風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)裝置成為目前研究的熱點。振蕩體式波浪能裝置結(jié)構(gòu)靈活多變，易于與風(fēng)機平臺結(jié)合，是混合型風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)中主要的波浪能捕獲機構(gòu)。振蕩水柱式波浪能裝置結(jié)構(gòu)簡單且可靠性高，也具有與海上風(fēng)機平臺結(jié)合的潛力。

WindWaveStar是丹麥WaveStar公司研發(fā)的固定式風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)裝置（圖6），該裝置依托底部固定式海上平臺，平臺兩側(cè)安裝有懸臂式振蕩浮子陣列，可捕獲波浪能發(fā)電，平臺頂部可安裝海上風(fēng)機，進一步提高發(fā)電效率并降低安裝成本。該裝置1∶2樣機于2009年9月18日在丹麥Hanstholm投放，并于2010年2月成功并網(wǎng)發(fā)電[50]。

圖6 丹麥WindWaveStar固定式風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)裝置概念圖Fig.6 Concept drawing of the Danish WindWaveStar fixed wind-wave co-development device

蘇格蘭Green Ocean Energy有限公司于2010年5月提出的固定式風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)裝置Wave Treader（圖7）主體為導(dǎo)管架基礎(chǔ)海上風(fēng)機，2個長條狀振蕩浮子通過懸臂與基礎(chǔ)相連。條狀浮子在波浪作用下發(fā)生振蕩運動，液壓缸內(nèi)的高壓液壓油驅(qū)動液壓馬達帶動發(fā)電機發(fā)電。懸臂可繞導(dǎo)管架基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)或升降，可最大限度利用來向海浪并適應(yīng)潮差變化。充分利用現(xiàn)有海上風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)最高效率發(fā)電是其設(shè)計宗旨，據(jù)估計其波浪組件發(fā)電功率可達500 kW，與單一布置風(fēng)機相比，聯(lián)合開發(fā)可顯著提高所在海域發(fā)電量[51]。

圖7 蘇格蘭Wave Treader固定式風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)裝置概念圖Fig.7 Concept drawing of the Scotland Wave Treader fixed wind-wave co-development device

丹麥Poseidon Floating Power清潔能源技術(shù)公司研制的漂浮式風(fēng)-浪聯(lián)合電站Poseidon如圖8所示，該浮式電站可容納3臺風(fēng)力發(fā)電機和多臺波浪能裝置，其中波浪能裝置包括振蕩體式和振蕩水柱式。根據(jù)需求，全尺寸的Poseidon裝置長度范圍在80～150 m。2008年，1∶4比尺裝置樣機于丹麥近海進行了實海況測試，樣機長37 m，裝載10臺裝置功率為3 kW的波浪能裝置和3臺11 kW的海上風(fēng)機。據(jù)估計全尺寸的Poseidon裝置可裝載2.6 MW的波浪能裝置和2.3～5.0 MW的海上風(fēng)機[52-53]。

圖8 丹麥Poseidon漂浮式風(fēng)-浪聯(lián)合電站1∶4樣機Fig.8 Denmark Pose loating wind-waveco-development 1∶4 power plant prototype

WindWaveFloat是美國Principle Power公司與美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）于2012年聯(lián)合提出的一種風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)裝置設(shè)想，裝置基于Principle Power公司三柱半潛式海上風(fēng)電漂浮式平臺，可布置于水深45 m以上的海域捕獲海上風(fēng)能（圖9）。該平臺具有豐富的甲板空間可用于布置波浪能裝置，經(jīng)對該裝置風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)的技術(shù)可行性及經(jīng)濟性的評估表明，風(fēng)、浪能量捕獲設(shè)備集中在1個平臺上，2種裝置可通過共用電纜、電力傳輸設(shè)備及其他通用設(shè)備節(jié)省總投資及運營開支，在經(jīng)濟性及運營方面潛在優(yōu)勢突出。波浪能裝置的加入也提升了單平臺的能源產(chǎn)出，可間接降低能源成本[54-55]。

圖9 美國WindWaveFloat風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)裝置設(shè)想Fig.9 USA WindWaveFloat wind-wave co-development deviceconcept

為高效開發(fā)歐洲附近海域可再生能源與漁業(yè)資源，歐盟與丹麥科技大學(xué)（Technical University of Denmark）聯(lián)合啟動了Mermaid項目，該項目的可再生能源部分計劃從2012年至2016年間于大西洋坎塔布連海域建立海上風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)電場并投放約77個搭載風(fēng)能及波浪能裝置的多用途海上浮式平臺，據(jù)風(fēng)、浪資源環(huán)境評估，每個機組將搭載5 MW的海上風(fēng)機和振蕩水柱式波浪能裝置，預(yù)計年平均發(fā)電量將達80 GW·h。Mermaid項目計劃研制的多用途海上浮式平臺采用懸鏈線系泊，可在40～200 m水深的范圍下工作，其中漂浮半潛式平臺的4根支柱由三角形混凝土制成（圖10），中心支柱用于安裝5 MW海上風(fēng)機機組，四周3根支柱將安裝振蕩水柱式波浪能裝置[56]。

圖10 丹麥MERMAID項目多用途海上浮式平臺Fig.10 Denmark multipurpose offshore floating platform for MERMAID project

位于挪威的Pelagic Power AS公司于2010年提出的浮式風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)裝置W2Power（圖11）采用三角形漂浮半潛式平臺，平臺的2個端角各布置1臺海上風(fēng)機，其余位置布置波浪能裝置的能量裝換系統(tǒng)，布置于平臺每邊的振蕩浮子式波浪能裝置通過液壓驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。1臺W2Power裝置可搭載2臺3.6 MW海上風(fēng)機，額定總功率將超過10 MW，加之整合了波浪能裝置，使其在低風(fēng)速條件下也可保持良好的發(fā)電功率和穩(wěn)定性。該裝置可在港口或堆場進行安裝，拖航運至目標(biāo)海域，安裝建造成本低，目前已到樣機海試階段并已進行并網(wǎng)發(fā)電測試[57]。

圖11 挪威W2Power浮式風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)裝置Fig.11 Norwegian W2Power floating wind-wave co-development device

我國目前雖尚無運行中的風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)項目，但首臺漂浮式海上風(fēng)電試驗樣機“三峽引領(lǐng)號”已于2021年12月在廣東陽江沙扒三期海上風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)電，成為亞太地區(qū)首個投入商業(yè)化運營的海上浮動式風(fēng)機（圖12）。該裝置葉輪直徑158 m，輪轂中心高度距海平面約107 m，風(fēng)輪掃風(fēng)面積相當(dāng)于3個標(biāo)準(zhǔn)化足球場，單機容量可達5.5 GW。項目由中國三峽新能源（集團）股份有限公司牽頭，形成了從設(shè)計到施工和裝備的一體化新型浮式風(fēng)機及基礎(chǔ)技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)投資建設(shè)了首座國產(chǎn)半潛浮動式海上風(fēng)電樣機工程，打通了技術(shù)研發(fā)、工程設(shè)計、樣機工程、示范研究和推廣應(yīng)用等浮式海上風(fēng)電全流程，為我國的風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[58]。

圖12 中國“三峽引領(lǐng)號”海上浮動式風(fēng)機施工圖Fig.12 Construction drawing of China's"Three Gorges Leading"offshore floating wind turbine

能源島型風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)模式是指以建造大型海上多用途平臺為基礎(chǔ)進行多種海洋可再生能源開發(fā)。相較混合型風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)模式，能源島型建造的海上平臺規(guī)模較大，分為人工島和人工浮島兩種類型。人工島式能源島一般在小島或暗礁基礎(chǔ)上建造，通過填海造陸或合并數(shù)個自然小島擴充島嶼面積；人工浮島是大型海上平臺，通常小于人工島，大于普通船只[46]。

能源島型聯(lián)合開發(fā)模式建造成本較高，目前處于概念設(shè)計階段。與人工島式能源島最接近的是荷蘭DNV KEMA咨詢公司提出的能源島概念（圖13），該島主體為圍繞50 m深水庫的環(huán)狀堤壩構(gòu)成的人工島，可通過海上風(fēng)能或其他可再生能源發(fā)電蓄水，利用水庫排水提供持續(xù)穩(wěn)定的能量輸出[59]。

圖13 荷蘭DNV KEMA能源島概念設(shè)計圖Fig.13 Concept drawing of the Netherlands DNV KEMA Energy Island

英國Energy Island公司自2010年起致力于海洋熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)（Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC）研發(fā)，并以此為基礎(chǔ)深入研發(fā)以O(shè)TEC為核心的人工浮島式能源島技術(shù)，提出了一種50 MWPlatform概念設(shè)計（圖14），該設(shè)計除海洋熱能外，還可在島上建造風(fēng)機開發(fā)海上風(fēng)能資源。此外，該公司還設(shè)計了一種名為Lilypad的柔性膜波浪能發(fā)電裝置，裝置由兩層薄膜構(gòu)成，可利用波動引起的薄膜間相對運動驅(qū)動軟管泵產(chǎn)生液壓，從而帶動渦輪電機發(fā)電[60]。

圖14 英國Energy Island 50 MW Platform概念設(shè)計圖Fig.14 Energy Island 50 MW Platform concept design in the UK

2021年丹麥氣候、能源與公共事業(yè)部（The Danish Ministry of Climate,Energy and Utilities）公布丹麥將在距日德蘭半島海岸80 km處建造全球第一個能源島型人工島嶼（圖15）。該島造價340億美元，將作為電力中心把附近數(shù)百個海上風(fēng)機生產(chǎn)的綠色電力直接輸送到北海周邊國家，預(yù)計首期可滿足300萬歐洲家庭的用電需求[61]。據(jù)報道，在未來能源島將增加波浪能發(fā)電裝置用以研發(fā)測試風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)的潛力，預(yù)計2030年波浪能發(fā)電將成為丹麥電力組成的一部分[62]。

圖15 丹麥海上風(fēng)電能源島概念圖Fig.15 Concept drawing of Danish offshore wind energy island

4 風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)技術(shù)發(fā)展趨勢

化石能源的開發(fā)與利用支撐了工業(yè)革命，推動了人類社會的發(fā)展與繁榮，但也帶來了無法避免的環(huán)境問題。波浪能與海上風(fēng)能間存在顯著伴生關(guān)系，風(fēng)、浪資源可通過聯(lián)合開發(fā)實現(xiàn)分攤建造及運營成本，優(yōu)化電力質(zhì)量，增強生存性能，提高用海效率及簡化監(jiān)管程序等協(xié)同效應(yīng)，具有提供大量清潔可再生能源的潛力，可成為解決氣候問題、推動能源結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型的重要推力。

然而目前風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)技術(shù)尚不成熟，仍面臨以下問題：①波浪能裝置技術(shù)尚不成熟，無法采取鄰布型模式組成波浪能-風(fēng)機陣列進行聯(lián)合開發(fā)；②在混合型模式中，波浪能裝置與海上風(fēng)電裝置的結(jié)合方式尚未收斂；③風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)對環(huán)境選址要求較高。

基于以上問題，風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)研究首先應(yīng)著眼于技術(shù)研發(fā)，推動風(fēng)、浪資源捕獲技術(shù)發(fā)展，提高能量捕獲效率與裝置可靠性；其次，明確風(fēng)、浪資源能量捕獲結(jié)合形式，合理分配兩者功能側(cè)重，充分發(fā)揮兩者協(xié)同效用，實現(xiàn)雙贏；最后，根據(jù)布置海域具體特點，因地制宜，靈活選取風(fēng)、浪資源聯(lián)合開發(fā)形式，切實降低安裝及運營成本。

隨著海上風(fēng)能技術(shù)的飛速發(fā)展，風(fēng)、浪資源聯(lián)合開發(fā)受到了西方各國及研究者的關(guān)注，美國、英國、丹麥和挪威等國已設(shè)立項目投入資金進行大量相關(guān)研究，部分項目已進入實海況并網(wǎng)測試階段。我國目前雖無相關(guān)實驗樣機，但已發(fā)展出具有自主產(chǎn)權(quán)的浮式風(fēng)電技術(shù)，具備進行風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)的技術(shù)支撐。風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)技術(shù)將隨海上風(fēng)能及波浪能技術(shù)的發(fā)展日益成熟，發(fā)揮兩者間的協(xié)同效應(yīng)，將極大推動海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié)語

本文以風(fēng)能和波浪能發(fā)電的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展需求為出發(fā)點，綜述了風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)的協(xié)同效應(yīng)，介紹了聯(lián)合開發(fā)模式的3種類型，通過工程實例對各種模式的技術(shù)形式、研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向進行了梳理。研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)形式尚未完成收斂，當(dāng)前主要研究目標(biāo)為確立協(xié)同互利的聯(lián)合開發(fā)形式及研發(fā)安全高效經(jīng)濟的聯(lián)合開發(fā)機組，以海上風(fēng)電場為基礎(chǔ)的大規(guī)模陣列化開發(fā)是風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)的發(fā)展趨勢。

風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)從基礎(chǔ)研究逐漸發(fā)展至示范階段，開發(fā)技術(shù)日益成熟，部分裝置已進入商業(yè)化運行階段。以海上風(fēng)電場技術(shù)為基礎(chǔ)的風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)，還可有效提高電場電力產(chǎn)量及質(zhì)量，降低運維成本，還可利用掩蔽效應(yīng)，不斷開拓適宜風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)的海域，是實現(xiàn)風(fēng)-浪聯(lián)合開發(fā)商業(yè)化，海洋可再生能源利用規(guī)模化的重要途徑。