楊 照, 呂 陽, 馬 良

基于文獻(xiàn)計量的波浪能領(lǐng)域研究態(tài)勢分析

楊 照, 呂 陽, 馬 良

(青島海洋科技中心, 山東 青島 266237)

以Web of Science數(shù)據(jù)庫中收錄的主題為波浪能文獻(xiàn)數(shù)據(jù)為研究對象, 利用文獻(xiàn)計量與知識圖譜可視化分析方法, 梳理波浪能領(lǐng)域研究趨勢、科研力量布局, 分析主要涉及學(xué)科方向和學(xué)科交叉情況, 構(gòu)建領(lǐng)域監(jiān)測指標(biāo)和前沿?zé)狳c剖面, 挖掘領(lǐng)域演進(jìn)脈絡(luò)與高被引關(guān)鍵文獻(xiàn), 分析全球波浪能研究領(lǐng)域研究動態(tài)、前瞻熱點及未來趨勢, 為波浪能發(fā)展提供參考。研究發(fā)現(xiàn): 波浪能領(lǐng)域科研論文體量及被引量整體呈逐步上升趨勢, 經(jīng)歷初步發(fā)展、繁榮發(fā)展和深化發(fā)展的階段, 涌現(xiàn)一批核心文獻(xiàn)與著者, 團(tuán)體化縱深協(xié)作趨勢尚待強(qiáng)化, 亟需多學(xué)科深度融合。英國、葡萄牙等歐洲國家發(fā)展領(lǐng)先, 研究機(jī)構(gòu)方面普利茅斯大學(xué)、里斯本大學(xué)優(yōu)勢明顯。該領(lǐng)域熱點主要集中在波浪能轉(zhuǎn)換裝置、波浪能資源評估、振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換、波浪能多能互補(bǔ)及環(huán)境相互作用。與風(fēng)能等新能源多能互補(bǔ)和組合式聯(lián)合發(fā)電、與其他海上結(jié)構(gòu)耦合開發(fā)成為重要發(fā)展方向。

波浪能; 文獻(xiàn)計量; 知識圖譜; 高被引文獻(xiàn)

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì), 從海洋中開發(fā)能源已成為歷史發(fā)展的必然趨勢[1]。波浪能是海洋表面波浪帶來的動能和勢能, 是一種易直接利用的、取之不竭的可再生清潔能源。評估數(shù)據(jù)顯示, 全球波浪能資源總量達(dá)2 TW[2], 并因其儲量大、能量密度高、分布面廣、易于獲取、環(huán)境影響小等優(yōu)點[3], 成為海洋能源開發(fā)的焦點。自20世紀(jì)70年代世界石油危機(jī)以來, 北美、歐洲各海洋國家不斷增加對波浪能領(lǐng)域資金和科技投入, 取得較大進(jìn)展。日、英、美、澳等國家都研制出應(yīng)用波浪發(fā)電的裝置, 并應(yīng)用于波浪發(fā)電中[4-5]。為系統(tǒng)了解國內(nèi)外海洋波浪能領(lǐng)域研究態(tài)勢, 摸清科研力量布局, 分析相關(guān)學(xué)科方向, 尋找領(lǐng)域前沿?zé)狳c, 為海洋波浪能研究開展提供思路參考, 為海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展和“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)實現(xiàn)提供支撐。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究路線

本文以Web of Science(WOS)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)為樣本, 通過對檢索數(shù)據(jù)的整理和清洗, 獲取包括論文題目、摘要、作者、機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵詞等在內(nèi)的規(guī)范化基礎(chǔ)信息, 運用文獻(xiàn)計量法和知識圖譜可視化分析方法進(jìn)行計量可視化分析, 梳理海洋波浪能領(lǐng)域研究趨勢、科研力量布局、分析主要涉及學(xué)科方向和學(xué)科交叉趨勢, 構(gòu)建領(lǐng)域監(jiān)測指標(biāo)和前沿?zé)狳c剖面, 挖掘領(lǐng)域演進(jìn)脈絡(luò)與高被引關(guān)鍵文獻(xiàn), 分析全球海洋波浪能研究領(lǐng)域研究動態(tài)、前瞻熱點及未來趨勢?；谖墨I(xiàn)計量的研究態(tài)勢分析方法實現(xiàn)路線圖如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來源與方法

文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源于WOS科技文獻(xiàn)檢索平臺, 采取主題關(guān)鍵詞檢索式: TS=((sea or ocean or marine or offshore or off-shore or seafloor or seawater or seabed or "deep* sea" or "deep* seas" or "deep* water*" or "deep* ocean*") near/10(wave energy*) near/10(generate* or convert*)) and WC=(ENERGY FUELS OR GREEN SUS TAINABLE SCIENCE TECHNOLOGY OR ENGIN EERING CIVIL OR ENGINEERING MEC HANICAL OR ENGINEERING MARINE OR MECHANICS OR INSTRUMENTS INSTRUMENTATION OR ENGI NEERING MULTIDISCIPLINARY), 數(shù)據(jù)庫為Web of Science核心合集SCI-E, 年限為“所有年份”, 文獻(xiàn)類型為Article、Review articles、Proceedings Papers, 共得到1 868篇文獻(xiàn)(檢索時間為2022年6月 22 日), 經(jīng)人工甄別與數(shù)據(jù)清洗, 摒除不相關(guān)的文獻(xiàn)371篇, 最終得到1 497篇有效數(shù)據(jù)。每條文獻(xiàn)包括作者、機(jī)構(gòu)、摘要、關(guān)鍵詞、發(fā)表年份、期(卷)及參考文獻(xiàn)等。

本文主要使用了文獻(xiàn)計量和知識圖譜兩種分析方法, 采用Bibexcel、Pajek和VOSviewer軟件開展分析。文獻(xiàn)計量法是采用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)等方法來定量描述、評價和預(yù)測學(xué)術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的研究方法[6]; 知識圖譜是顯示科學(xué)知識的發(fā)展進(jìn)程與結(jié)構(gòu)關(guān)系的知識領(lǐng)域映射地圖。Bibexcel 是由瑞典科學(xué)家Olle Persson開發(fā)的一款用于數(shù)據(jù)清洗與文獻(xiàn)計量的軟件[7]; Pajek是由荷蘭學(xué)者Vladimir Batagelj和Andrej Mrvar開發(fā)的是用于處理大型數(shù)據(jù)集合、研究目前所存在的各種復(fù)雜非線性網(wǎng)絡(luò)的可視化分析工具[8]; VOSviewer是由萊頓大學(xué)(Leiden University)團(tuán)隊開發(fā)的用于構(gòu)建和可視化文獻(xiàn)計量網(wǎng)絡(luò)的軟件工具。

圖1 基于文獻(xiàn)計量的研究態(tài)勢分析方法實現(xiàn)路線

2 海洋波浪能研究概況

2.1 研究變化趨勢

從發(fā)文量角度看, 全球海洋波浪能研究從20世紀(jì)80年代起步, 2005年之前發(fā)文數(shù)量較少, 發(fā)展較緩, 2005年開始海洋波浪能研究增多, 逐步升溫(圖2)。在碳中和、碳達(dá)峰戰(zhàn)略背景下, 波浪能作為清潔能源成為一種亟待開發(fā)的具有戰(zhàn)略意義的新能源, 全球包括英國、美國、中國等在內(nèi)的多個國家均在探索開發(fā)波浪能技術(shù)及系統(tǒng), 對于整個波浪能科研起到了至關(guān)重要作用, 刺激了研究論文的增長。全球海洋波浪能年總發(fā)文量1 486篇, 2016年被引次數(shù)最高(3 533次), 2021年發(fā)文達(dá)到高峰(199篇), 反映了近年來全球海洋波浪能科研論文質(zhì)量與研究熱度。近5年平均發(fā)文量達(dá)189篇、年均被引為2 788次, 總體來看全球海洋波浪能領(lǐng)域科研趨勢持續(xù)升溫, 彰顯出海洋波浪能活躍的創(chuàng)新潛力與發(fā)展前景。

2.2 科研力量布局

2.2.1 主要國家或地區(qū)

通過對全球海洋波浪能領(lǐng)域各研究國家發(fā)文量、總被引及平均被引次數(shù)等綜合指標(biāo)比對分析(表1), 能夠透析該領(lǐng)域優(yōu)勢來源國及競爭力布局。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 中國、英國、美國發(fā)文量及占比排名靠前, 遙遙領(lǐng)先其他國家, 正處于快速上升期; 英國、美國、葡萄牙的總被引頻次列入全球前三, 達(dá)4 000次以上, 一定程度上代表著海洋波浪能領(lǐng)域的科研影響力; 挪威、葡萄牙、丹麥、英國的平均被引次數(shù)較高, 均超過30次/篇; 中國雖然發(fā)文數(shù)量及占比最高, 但總被引頻次并不高(3 640次), 平均被引次數(shù)排名落后, 僅為12.13次/篇。而從同行被引次數(shù)看, 英國、葡萄牙、西班牙占據(jù)有利競爭地位。綜合來看, 英國、美國在該領(lǐng)域綜合實力處于領(lǐng)先位置, 中國在海洋波浪能領(lǐng)域科研競爭力和影響力亟需更大提升。

圖2 全球海洋波浪能科研發(fā)展趨勢

表1 全球海洋波浪能發(fā)文量前20位國家影響力分析

注: 表中各國指標(biāo)排名第一位次的數(shù)據(jù)已加下劃線

通過Bibexcel對全球海洋波浪能領(lǐng)域SCIE數(shù)據(jù)庫的1 497篇研究論文進(jìn)行文本合并、數(shù)據(jù)除重和清洗后, 提取作者所在國家信息, 設(shè)置閾值為25, 保留前25位國家或地區(qū), 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)(net)文件和矢量(vec)文件, 并加載到Pajek中, 繪制出國家合作網(wǎng)絡(luò), 如圖3所示。圖3中圓圈節(jié)點表示國家, 節(jié)點大小表示節(jié)點的度值大小, 節(jié)點越大, 代表與該節(jié)點國家合著的節(jié)點國家的數(shù)量越多, 則節(jié)點影響力越高, 在網(wǎng)絡(luò)中占有的位置就越重要。如果國家之間產(chǎn)生合作, 它們之間就會用線連接起來, 即連線表示兩國共同發(fā)表論文的數(shù)量, 節(jié)點之間線越粗, 代表節(jié)點關(guān)聯(lián)強(qiáng)度越大。從圖3國家合作網(wǎng)絡(luò)圖譜中可以看出, 英國處于合作網(wǎng)絡(luò)的核心地位, 其次為中國、美國、澳大利亞、西班牙、葡萄牙、愛爾蘭等國家, 也具有很大影響力。從網(wǎng)絡(luò)連線粗細(xì)來看, 英國的主要合作對象除了中國外, 還有西班牙、愛爾蘭、丹麥、美國等國家, 這些國家在海洋波浪能領(lǐng)域具有較強(qiáng)合作力量與科研優(yōu)勢。中國在該領(lǐng)域的國際合作方面較活躍, 與英國、美國、澳大利亞和新加坡合作往來較多, 仍需加強(qiáng)與領(lǐng)域更多科研強(qiáng)國聯(lián)系與互動。

圖3 全球海洋波浪能領(lǐng)域國家合作網(wǎng)絡(luò)

2.2.2 重點研究機(jī)構(gòu)

通過全球海洋波浪能領(lǐng)域機(jī)構(gòu)分布及比較研究, 能夠明確領(lǐng)域核心機(jī)構(gòu)、力量配置與創(chuàng)新區(qū)域。在機(jī)構(gòu)發(fā)文量方面, 居于前5位的機(jī)構(gòu)分別為葡萄牙里斯本大學(xué)高等技術(shù)研究所、英國普利茅斯大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院、英國愛丁堡大學(xué)能源系統(tǒng)研究所、中國的大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室、瑞典烏普薩拉大學(xué)工程科學(xué)系。葡萄牙、英國、中國的研究機(jī)構(gòu)在海洋波浪能研究方面發(fā)文量占據(jù)一定優(yōu)勢(圖4), 這些國家的機(jī)構(gòu)主要由大學(xué)系統(tǒng)、研究系所和海洋工程類國家重點實驗室組成。從各機(jī)構(gòu)系別來看, 全球海洋波浪能主要力量集中在高校及科研院所的工程學(xué)科和能源學(xué)科, 不僅僅包含海洋工程、能源系統(tǒng), 還涉及機(jī)械工程、土木工程、電氣工程等, 代表波浪能開發(fā)與研究的學(xué)科交融與多元化發(fā)展趨勢。在全球前20位研究機(jī)構(gòu)中, 英國的機(jī)構(gòu)占據(jù)四分之一, 科研優(yōu)勢地位明顯, 占領(lǐng)著世界波浪能研究的中心。從被引次數(shù)看, 英國的普利茅斯大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院、葡萄牙的里斯本大學(xué)高等技術(shù)研究所、圣地亞哥德孔波斯特拉大學(xué)以及瑞典的烏普薩拉大學(xué)工程科學(xué)系占據(jù)重要位置。

2.2.3 核心人才隊伍

從全球視角掃描海洋波浪能研究領(lǐng)域核心作者及分布, 能夠盤點高潛人才、挖掘核心團(tuán)隊, 為波浪能領(lǐng)域人才引進(jìn)與科研合作提供支撐。全球海洋波浪能發(fā)文量前20位高產(chǎn)作者綜合指標(biāo)如表2所示。核心作者Leijon M發(fā)文量和發(fā)文占比最高, 來自瑞典烏普薩拉大學(xué)工程學(xué)系、可再生能源轉(zhuǎn)換研究中心, 主要研究方向為能源工程與燃料; 核心作者Iglesias G的總被引、年均被引及行業(yè)內(nèi)被引次數(shù)都是最高的, 在波浪能領(lǐng)域有著較深學(xué)術(shù)影響力, 他來自英國普利茅斯大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院, 研究集中在線性發(fā)電機(jī)、波浪能轉(zhuǎn)換裝置、深水波浪能提取模擬發(fā)生器等方面; 核心作者Vicinanza D平均被引次數(shù)最高, 來自意大利那不勒斯大學(xué), 在復(fù)合式海堤波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、波浪能和海上風(fēng)能的聯(lián)合開發(fā)及多能互補(bǔ)方面研究造詣深厚。

圖4 海洋波浪能研究論文發(fā)文量最多的20個研究機(jī)構(gòu)

表2 全球海洋波浪能發(fā)文量前20位高產(chǎn)作者

注: 表中各作者指標(biāo)排名第一位次的數(shù)據(jù)已加下劃線

高產(chǎn)作者合作網(wǎng)絡(luò)圖譜(圖5)中的每個節(jié)點代表海洋波浪能領(lǐng)域的1位專家, 節(jié)點越大, 在網(wǎng)絡(luò)中占有的地位就越重要, 表征著一定的領(lǐng)域研究水平。節(jié)點之間連線代表專家合作的關(guān)聯(lián)程度, 連線越粗, 即連線上的共現(xiàn)次數(shù)值越大, 研究領(lǐng)域的相關(guān)性就越大, 兩者間研究合作的次數(shù)越多?？梢钥闯? 全球海洋波浪能形成了部分顯著的合作群體, 其中第一團(tuán)體以Leijon M、Bostrom C、Waters R、Eriksson M等為核心, 是瑞典可再生能源轉(zhuǎn)換中心、烏普薩拉大學(xué)電子工程系卓越隊伍, 長期致力于波能變換器運行分析、線性發(fā)電機(jī)和海上變電站、波能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電氣控制策略等; 第二團(tuán)體以Iglesias G、Ringwood J V、Ramos V為代表, 在海洋波浪能研究中跨機(jī)構(gòu)、跨學(xué)科合作較強(qiáng), 分別來自英國普利茅斯大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院、梅努斯大學(xué)海洋能源研究中心和圣地亞哥德孔波斯特拉大學(xué), 在波浪能資源評估和特征描述方面做出很大貢獻(xiàn); 第三團(tuán)體以Gato L M C、Henriques J C C等為核心, 主要來自葡萄牙里斯本大學(xué), 研究集中在振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換裝置和空氣渦輪機(jī)。此外, 還形成以2人、3人為主的小團(tuán)體, 研究力量相對分散?？傮w來看, 全球海洋波浪能研究雖已形成部分合著群體, 但網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間資源的相互流通性一般, 群體間存在合作孤島現(xiàn)象, 該領(lǐng)域全球合作態(tài)勢仍有較大發(fā)展空間。

圖5 全球海洋波浪能領(lǐng)域高產(chǎn)作者合作網(wǎng)絡(luò)

3 海洋波浪能學(xué)科領(lǐng)域分析

3.1 領(lǐng)域?qū)W科方向

依據(jù)Web of Science(WOS)學(xué)科分類, 全球海洋波浪能所涉及的相關(guān)研究學(xué)科有: 能源與燃料學(xué)、綠色可持續(xù)科學(xué)技術(shù)、工程海洋、海事工程學(xué)、土木工程、熱力學(xué)、電氣與電子工程等(表3)。其中能源與燃料學(xué)所占比重最大, 有805篇相關(guān)論文, 其次是綠色可持續(xù)科學(xué)技術(shù), 有424篇論文, 工程海洋學(xué)科有389篇。

3.2 學(xué)科交叉分析

以海洋波浪能領(lǐng)域1 487篇來源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 在Bibexcel中以WC(web of science類別)為數(shù)據(jù)提取標(biāo)簽, 經(jīng)過數(shù)據(jù)合并、轉(zhuǎn)換與清洗, 將前20位領(lǐng)域共現(xiàn)結(jié)果轉(zhuǎn)入pajek軟件可視化處理, 得到如圖6所示的領(lǐng)域共現(xiàn)知識圖譜。圖6共有20個節(jié)點, 91條連線, 每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點代表海洋波浪能研究的某相關(guān)主題領(lǐng)域。能源與燃料學(xué)(Energy & Fuels)、綠色可持續(xù)科學(xué)技術(shù)(Green & Sustainable Science & Technology)、工程海洋(Engineering, Ocean)占據(jù)主導(dǎo), 是主要的關(guān)聯(lián)研究領(lǐng)域。熱力學(xué)與機(jī)械學(xué)、工程海洋與機(jī)械工程、土木工程與電氣電子工程之間有著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)度, 它們之間存在著重要的學(xué)科交叉性。此外, 環(huán)境科學(xué)和水資源、機(jī)械學(xué)等學(xué)科間也存在領(lǐng)域結(jié)合點, 其創(chuàng)新及結(jié)合對于海洋波浪能領(lǐng)域研究發(fā)展起著關(guān)鍵作用。

表3 全球海洋波浪能研究主要涉及的學(xué)科領(lǐng)域

圖6 全球海洋波浪能領(lǐng)域共現(xiàn)知識圖譜

3.3 發(fā)表期刊分布

自20世紀(jì)80年代以來, 國際海洋波浪能相關(guān)科研文獻(xiàn)分布于149種能源學(xué)、海洋科學(xué)與工程、物理學(xué)等方面的期刊, 載文量前20位的期刊如表4所示。出版來源國主要集中在英國、美國, 其被引及影響因子具有較高的領(lǐng)域競爭力。

表4 全球海洋波浪能研究主要期刊分布

續(xù)表

4 海洋波浪能前沿剖面分析

4.1 前沿?zé)狳c監(jiān)測

對全球海洋波浪能科學(xué)前沿?zé)狳c的監(jiān)測有助于發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域重要科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)革命性突破的先兆, 對于進(jìn)一步強(qiáng)化該領(lǐng)域的科研布局和技術(shù)攻關(guān)具有重要支撐意義。采用文獻(xiàn)計量與情報可視化分析方法, 構(gòu)建波浪能領(lǐng)域關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(圖7)和引文網(wǎng)絡(luò)(圖8), 結(jié)合聚類算法進(jìn)行文獻(xiàn)主題聚類, 挖掘較為明顯聚類成群的主題以及對應(yīng)的文獻(xiàn)群落, 從文獻(xiàn)的標(biāo)題、摘要和關(guān)鍵詞中提取凝練主題方向, 將海洋波浪能研究領(lǐng)域劃分為4個主要基礎(chǔ)技術(shù)方向(表5)。

圖7 全球波浪能領(lǐng)域關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類圖譜

注: 紅色: 波浪能數(shù)值模擬; 綠色: 波浪能資源評估; 藍(lán)色: 波浪能轉(zhuǎn)換裝置; 黃色: 轉(zhuǎn)化裝置設(shè)計; 紫色: 振蕩水柱發(fā)電效率優(yōu)化; 淺藍(lán)色: 點吸收器; 褐色: 陣列控制優(yōu)化; 暗紅色: 能源持續(xù)運轉(zhuǎn)

圖8 全球波浪能領(lǐng)域引文網(wǎng)絡(luò)圖譜

注: 紅色: 波浪能轉(zhuǎn)換裝置; 綠色: 波浪能資源評估; 藍(lán)色: 振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換; 黃色: 多能互補(bǔ)、波浪能與環(huán)境相互作用

表5 海洋波浪能領(lǐng)域基礎(chǔ)技術(shù)方向

從科學(xué)文獻(xiàn)計量評價指標(biāo)和知識圖譜角度進(jìn)行知識前沿挖掘, 能夠宏觀地把握目前研發(fā)的熱點及熱點之間的關(guān)系, 有助于開展科學(xué)前沿的監(jiān)測和關(guān)鍵技術(shù)的識別。海洋波浪能領(lǐng)域研發(fā)熱點前沿評價指標(biāo)說明見表6。

基于波浪能研究領(lǐng)域波浪能轉(zhuǎn)換裝置子技術(shù)方向SCIE論文數(shù)據(jù), 繪制該技術(shù)方向的引文網(wǎng)絡(luò)(圖9)、高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(圖10), 并通過自然語言處理從標(biāo)題、關(guān)鍵詞、輔助關(guān)鍵詞以及摘要中提取名詞性術(shù)語, 構(gòu)建術(shù)語共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò), 并按照TF-IDF算法提取主題詞列表(表7), 整理高頻關(guān)鍵詞、TF-IDF主題詞、高被引新詞等, 綜合判斷子技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究前沿與研發(fā)方向。全球海洋波浪能各方向熱點前沿剖面如表8所示。

表6 研發(fā)熱點前沿監(jiān)測評價指標(biāo)

圖9 波浪能轉(zhuǎn)換裝置子方向引文網(wǎng)絡(luò)

圖10 波浪能轉(zhuǎn)換裝置子方向高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

表7 波浪能轉(zhuǎn)換裝置子方向詞頻-逆文檔頻率主題詞表

表8 海洋波浪能熱點前沿剖面

續(xù)表

全球海洋波浪能研究主要集中在波浪能轉(zhuǎn)換裝置、波浪能資源評估、振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換、波浪能多能互補(bǔ)及環(huán)境相互作用4個技術(shù)方向。圍繞波浪能轉(zhuǎn)換裝置方向, 主要聚焦點吸收器、發(fā)電機(jī)及動力輸出裝置等進(jìn)行熱點前瞻部署和集中攻關(guān)創(chuàng)新, 關(guān)注流體動力性能, 近年來研究多集中在混合動力系統(tǒng)、動力輸出系統(tǒng)等。圍繞波浪能資源評估方向, 已在地中海、黑海等全球熱點海域開展資源評估與能源勘查, 收集波浪能勢、波高等條件參數(shù), 近年來更加關(guān)注波浪能資源分類系統(tǒng)。圍繞振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換方向, 側(cè)重氣室系統(tǒng)、沖擊式渦輪機(jī)和桿式浮標(biāo)振蕩水柱等研究, 近年主要關(guān)注圓柱形雙室、雙徑向渦輪機(jī)。圍繞波浪能多能互補(bǔ)及環(huán)境相互作用方向, 研究多傾向于風(fēng)能和波浪能組合裝置, 近年來在波浪能-風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)、組合式風(fēng)能波浪能聯(lián)合發(fā)電裝置技術(shù)等方面進(jìn)行開拓性研究。

由引文關(guān)鍵詞及文獻(xiàn)主題分析可知波浪能領(lǐng)域的熱點分布和發(fā)展現(xiàn)狀, 并可從中洞悉該領(lǐng)域的一些重要科學(xué)問題。波浪能發(fā)電系統(tǒng)包含受波與轉(zhuǎn)換裝置、發(fā)電裝置, 已成為波浪能發(fā)電系統(tǒng)的重中之重。根據(jù)主題前沿與熱點綜合分析可知, 未來波浪能科學(xué)研究發(fā)展將主要呈現(xiàn)以下趨勢: 研發(fā)基于新原理的或改進(jìn)的波浪能發(fā)電技術(shù)、由單一的波浪能發(fā)電技術(shù)向波浪能與其他能源發(fā)電技術(shù)集成應(yīng)用發(fā)展、由波浪能發(fā)電向波浪能綜合利用發(fā)展、由波浪能近岸應(yīng)用向深海應(yīng)用發(fā)展。

4.2 核心文獻(xiàn)與演進(jìn)脈絡(luò)

選取海洋波浪能領(lǐng)域檢索數(shù)據(jù)集中文獻(xiàn)引用次數(shù)最多的30篇文獻(xiàn)(表9), 利用HistCite引文分析軟件制作高被引論文之間相互引用關(guān)系圖, 見圖11。表9每一篇HisctCite自動編號的文獻(xiàn)已按本地引用次數(shù)由高到低排列。圖11中每個圓圈表示一篇文獻(xiàn), 圈中數(shù)字為該文獻(xiàn)在HistCite中的編號, 圈內(nèi)面積與該文獻(xiàn)本地被引次數(shù)絕對值成正比[9]。圓圈越大意味著被引次數(shù)越多, 受關(guān)注度越高。不同圓圈間有箭頭連接, 箭頭指示文獻(xiàn)間引用關(guān)系, 箭頭指向被引文獻(xiàn), 箭尾指向引證文獻(xiàn)。另外, 我們也可以根據(jù)連線密度與外延程度推斷研究領(lǐng)域的活躍度以及對其他領(lǐng)域的影響[10]。

表9 全球海洋波浪能研究的核心文獻(xiàn)

續(xù)表

圖11 海洋波浪能研究Histcite引文歷史脈絡(luò)圖譜

海洋波浪能領(lǐng)域高引用的核心文獻(xiàn)有編號115 (Falcao A F D, 2010)[11]、編號74(Falnes J, 2007)[12]、編號111(Drew B, 2009)[13]、編號457(Falcao A F O, 2016)[14]、編號57(Henderson R, 2006)[15]、編號213 (Gunn K, 2012)[16], 本地引用次數(shù)均達(dá)到100次以上。其中編號115[11]高被引數(shù)高達(dá)381次, 主要論述了20世紀(jì)70年代以來波浪能利用的發(fā)展, 描述波能資源特征, 特別是與波浪能量吸收和控制的流體動力學(xué)相關(guān)的理論背景, 提出了波浪能概念、設(shè)計、模型測試、構(gòu)建和部署應(yīng)用, 以及對于特定設(shè)備(空氣渦輪機(jī)和水輪機(jī)、高壓液壓系統(tǒng)、線性發(fā)電機(jī))和系泊系統(tǒng)開發(fā)的建議, 成為領(lǐng)域最有影響力的核心文獻(xiàn); 編號74[12]分析了與海洋中波浪能量的傳輸、分布和變化有關(guān)的波譜參數(shù), 提出了多種不同類型的波能轉(zhuǎn)換裝置, 并推導(dǎo)了浸入式振蕩系統(tǒng)的提取能量與體積之比的上限; 編號111[13]評估了代表當(dāng)前波浪能轉(zhuǎn)換裝置(WEC)技術(shù)的設(shè)備類型, 尤其側(cè)重于英國正在研發(fā)的裝置, 確定可能的功率輸出系統(tǒng)和控制策略, 以提高點吸收器型波浪能轉(zhuǎn)換裝置的效率; 編號457[14]全面回顧了振蕩水柱技術(shù)和空氣渦輪機(jī), 并重點闡述了振蕩水柱變換器的理論、數(shù)值和實驗建模技術(shù)。最后指出無功相位控制、閉鎖相位控制與渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制是振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換要解決的重要問題; 編號57[15]介紹了一種用于“海蛇”波能轉(zhuǎn)換裝置的液壓動力輸出系統(tǒng), 分解該系統(tǒng)的開發(fā)過程, 包括全尺寸的模擬和效率測量結(jié)果, 為領(lǐng)域裝置設(shè)計研發(fā)提供參考; 編號213[16]指出波浪能轉(zhuǎn)換裝置(WEC)的持續(xù)發(fā)展和大規(guī)模部署, 需要對全球海洋波浪能潛在資源進(jìn)行量化, 從而洞察潛在的資源位置和未來市場。

由引文歷史脈絡(luò)圖可知, 該領(lǐng)域最早的節(jié)點是發(fā)表于1999年的編號27(Falnes J, 1999)[17], 重點闡述了如何通過兩個單模振蕩體之間的相對運動實現(xiàn)波能轉(zhuǎn)換。從整個引文編年時序看, 該文陸續(xù)被后來多數(shù)學(xué)者參考和引用, 成為該領(lǐng)域的開山之作。1999—2006年處于研究初始階段, 有部分學(xué)者開啟進(jìn)一步研究, 涌現(xiàn)出個別影響力文獻(xiàn), 如編號43(Polinder H, 2004)[18]介紹了用于阿基米德波浪擺動中波能轉(zhuǎn)換的線性永磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng); 編號45(Leijon M, 2005)[19]介紹了永磁直線發(fā)電機(jī)波能到電能轉(zhuǎn)換的多物理模擬。此階段文獻(xiàn)少、熱點也少且零散, 文獻(xiàn)引證關(guān)系簡單, 研究內(nèi)容具有局限性, 研究方向具有分散性, 但還是為后續(xù)研究夯實了基礎(chǔ)。2007—2015年為海洋波浪能研究的繁榮發(fā)展階段, 出現(xiàn)了一批關(guān)鍵節(jié)點的核心文獻(xiàn), 如編號74、編號57、編號111、編號115、編號213等, 主題分布在波浪能轉(zhuǎn)換裝置、振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換、波浪能潛在資源評估等, 該階段整體引證密度較大, 說明此階段海洋波浪能研究正在快速推進(jìn), 處于核心文獻(xiàn)高產(chǎn)階段, 研究內(nèi)容有所拓寬, 研究熱點表現(xiàn)出多元化態(tài)勢。2016年后海洋波浪能研究進(jìn)入深化發(fā)展階段。2016年的文獻(xiàn)節(jié)點開始減少, 而且圖上并沒有2017年之后的線, 這并不代表近期海洋波浪能領(lǐng)域研究不熱門, 近兩年發(fā)表的文章比較多, 但可能是由于近期發(fā)表文章時間短、作品較新, 導(dǎo)致到現(xiàn)在為止被引頻次還不多。該階段代表文獻(xiàn)有編號457(Falcao A F O, 2016)[20]和編號651(Mustapa M A, 2017)[21], 分別闡述了振蕩水柱技術(shù)與空氣渦輪機(jī)、浮式防波堤與波浪能發(fā)電一體化及多能集成。該階段深入了更微觀層面, 研究深度延伸、內(nèi)容更加細(xì)化, 展示出海洋波浪能持續(xù)研究熱度與活躍度。

5 總結(jié)與建議

海洋可再生能源是取之不盡、用之不竭的清潔能源。海洋波浪能具有開發(fā)潛力大、可持續(xù)利用、綠色清潔等優(yōu)勢, 已經(jīng)成為國際上重要的戰(zhàn)略性資源。通過文獻(xiàn)計量與知識可視化地圖方法挖掘全球海洋波浪能前沿和熱點主題, 把握科研態(tài)勢、前沿方向和技術(shù)熱點。

隨著人們對海洋可再生能源需求和可持續(xù)發(fā)展, 全球海洋波浪能科研論文體量及被引量整體呈逐步上升趨勢, 反映出領(lǐng)域文獻(xiàn)學(xué)術(shù)水平和受重視程度越來越高, 全球研究者對海洋波浪能領(lǐng)域的關(guān)注持續(xù)升溫。從發(fā)文國家來看, 英國、美國、葡萄牙、西班牙在海洋波浪能領(lǐng)域擁有較強(qiáng)的科研競爭力和學(xué)術(shù)影響力。在機(jī)構(gòu)層面, 英國的普利茅斯大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院、葡萄牙的里斯本大學(xué)高等技術(shù)研究所等機(jī)構(gòu)占據(jù)重要位置。大多數(shù)擁有先進(jìn)波浪能發(fā)電技術(shù)的國家及研究機(jī)構(gòu)集中在歐洲, 它們所在的沿海區(qū)域往往是重要的經(jīng)濟(jì)帶, 重視海洋新能源的開發(fā)和利用, 同時也擁有較好的科研基礎(chǔ)和資金支持。中國在該領(lǐng)域研究產(chǎn)出數(shù)量相對較多, 但科研機(jī)構(gòu)和團(tuán)隊的成果數(shù)量及論文質(zhì)量亟需提升。國際雖已形成部分合著群體, 但與該領(lǐng)域科研強(qiáng)國研究聯(lián)系不夠緊密, 研究群體間存在合作孤島現(xiàn)象, 該領(lǐng)域全球合作態(tài)勢仍有較大發(fā)展空間。海洋波浪能是多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域, 對全球海洋波浪能的開發(fā)利用不僅要考慮流體力學(xué)、熱動力學(xué)、能源與燃料學(xué)等學(xué)科發(fā)展, 也要促進(jìn)與海洋工程、機(jī)械及電氣電子工程等學(xué)科的融合, 并兼顧對海洋生物資源、景觀資源、空間資源及海洋水動力環(huán)境資源等的影響。

全球海洋波浪能轉(zhuǎn)換的技術(shù)發(fā)展還未達(dá)到成熟的階段, 可俘獲波浪的海域所需環(huán)境條件也給能源開發(fā)帶來很多不確定性。此外在目前階段波浪能開發(fā)尚還存在經(jīng)濟(jì)性問題, 因此一方面需要加強(qiáng)波浪能電能轉(zhuǎn)換裝置研發(fā)、控制策略優(yōu)化, 另一方面需要突破技術(shù)投資成本及利潤的評估和可行性分析[22-23]。全球海洋波浪能研究熱點主要集中在波浪能轉(zhuǎn)換裝置、波浪能資源評估[24-25]、振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換、波浪能多能互補(bǔ)及環(huán)境相互作用。多元化和綜合利用是波浪能發(fā)展的新趨勢, 與風(fēng)能等新能源多能互補(bǔ)和組合式聯(lián)合發(fā)電、與其他海上結(jié)構(gòu)耦合開發(fā)已成為海洋波浪能領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。

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Analysis of the research situation of the wave energy field based on bibliometrics

YANG Zhao, LǚYang, MA Liang

(Qingdao Marine Science and Technology Center, Qingdao 266237, China)

This study takes the wave energy literature data collected from the Web of Science database as the research object and uses bibliometrics and knowledge map visualization analysis methods to sort out related research trends and scientific research force layout and analyze main discipline directions and interdisciplinary situations in wave energy research. Accordingly, field monitoring indicators and frontier hotspot profiles are constructed, the field evolution and highly cited key literature are excavated, and the current and future research trends and prospective hotspots in global wave energy research are analyzed to provide a reference for wave energy development. Overall, the volume and the citation of scientific research papers written for the wave energy field are rising. Consequently, a number of core documents and authors have emerged through the stages of initial development, prosperity, and deepening development. The in-depth group collaboration trend must be strengthened. Multidisciplinary integration is also needed. Britain, Portugal, and other European countries lead the development of research institutions, with Plymouth University and the University of Lisbon having obvious advantages. The main hotspots of this field are wave energy conversion devices, wave energy resource assessment, oscillating water column wave energy conversion, wave energy multi-energy complementarity, and environmental interaction. Multienergy complementary and joint power generation with new energy sources such as wind energy and coupled development with other offshore structures have become important development directions for wave energy development.

wave energy; bibliometrics; knowledge map; highly cited literature

Aug. 31, 2022

[Open Fund Project of the ISTIC-CLARIVATE ANALYTICS Joint Laboratory of Scientometrics of Institute of scientific and Technical Information of China of Ministry of Science and Technology, No. IT2151; Chinese National Key Programs for Fundamental Research and Development Subject, No. 2018YFB1501901]

F224.32; G250

A

1000-3096(2023)8-0033-16

10.11759/hykx20220831002

2022-08-31;

2023-03-16

科技部中國科學(xué)技術(shù)信息研究所ISTIC-CLARIVATE ANALYTICS科學(xué)計量學(xué)聯(lián)合實驗室開放基金項目(IT2151); 國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFB1501901)

楊照(1978—), 女, 山東青島人, 博士, 副研究員, 研究方向為科技發(fā)展戰(zhàn)略、科技政策, E-mail: zyang@qnlm.ac; 呂陽(1988—), 通信作者, 男, 河北邯鄲人, 碩士, 助理研究員, 研究方向為科學(xué)計量、情報學(xué), E-mail: ylv@qnlm.ac

(本文編輯: 叢培秀)