1千瓦改進型船拋錨波浪能發電試驗現場

海洋蘊藏著豐富的可再生能源，是一個誘人的寶庫。地球表面70%以上被海洋覆蓋，因此海洋收集了大量入射到地球上的太陽能。太陽輻射產生風和風暴，繼而在水面形成風浪，這些波浪在傳播過程中以最小耗散將能量帶向海岸。

由風暴產生的海浪可能需要數天才能到達海岸，因此波浪能比風能更容易被預測。而水的質量密度幾乎是空氣密度的800倍，海浪的能量密度更高。

由于世界上大多數人都住在海岸附近，而海洋表面能夠收集太陽能，海浪又將大部分能量帶向海岸，因此海洋波浪能量轉換利用將給人類帶來巨大福利。

波浪能利用裝置產業化進程緩慢

目前，波浪能利用技術種類繁多，其中基于漂浮式技術發展的裝置由于可以低成本批量生產、建造受海洋環境影響較小、適用面廣，因而成為國際發展的主流。

漂浮式波浪能利用技術絕大部分是靠結構物（浮子）的往復運動實現能量轉換（即振蕩浮子技術）。漂浮振蕩浮子技術又可分為單浮體和多浮體兩類。

采用結構物與支撐平臺相對運動轉換波浪能量的是多浮體技術，如美國的OPT、英國的Pelamis，這類技術后續能量轉換一般采用液壓或機械直接傳動系統。目前，國內外對多浮子技術投入的人力和物力都非常大，但由于其結構復雜、部件多，并受海洋惡劣環境影響嚴重，因此產業化進程至今仍很緩慢。

基于漂浮多浮體振蕩浮子技術發電原理，早在2011年，科學家便設計了兩種具備自航能力的波浪能發電船。它們駛回港口可以躲避極端海況，降低了對裝置生存性能和安全性能的要求，并提高了布放時空的靈活性。發電船既可采用常規電纜送電上岸，也可采用蓄能進港送電上岸，還可為其他生產活動提供平臺和電力。裝有波浪能發電裝置的船舶，航行時可將裝置浮體部分收起，避免增加船舶航行阻力。不過，這些目前都只是一種設想，技術可行性仍未知。

用一個結構物通過海水在管道內相對運動實現波浪能轉換的技術稱為單浮體振蕩水柱技術，該技術后續能量轉換一般采用氣動系統，通過空氣實現波浪能到電能的轉換，主要轉換部件是空氣透平發電機，如后彎管技術、中心管技術等。其典型的示范電站有1290噸“巨鯨”示范裝置、29噸OE Buoy1：4比例后彎管裝置、即將展開海試的826噸1.25MW OE Buoy后彎管原型機和已小規模商業化應用的中心管航標燈用波浪能發電裝置等。29噸OE Buoy1：4比例樣機已經穩定運行兩年以上。

振蕩水柱技術結構簡單、可靠性高、受海生物附著影響小，小型發電裝置已實現商業化運作，但大型裝置因對轉換機理認識不足而導致轉換效率不高、性價比低，發展緩慢。

新技術解決系統諸多問題

長期以來，波浪能發電系統的研究重點是轉換效率、轉換機構特性等，系統布放一般采用拖航或船運，顧及到系統自航性的研究較少。由于系統不能自航、布放位置不能靈活變動，必將面臨發電量受季節和地理環境影響，臺風破壞風險性高以及大規模、大面積應用受限多等問題。

為解決系統機動性問題，筆者團隊基于對振蕩水柱轉換原理的認識，開展了可以靈活轉場的自航單浮體波浪能發電系統機理和關鍵技術研究。自航單浮體波浪發電系統主要由船型浮力艙、水平管道、垂直管道、閘門、空氣透平、發電機、舵和推進器等組成，通過閘門實現水平管道和垂直管道的分離和連接，實現高效波浪能量轉換、低阻力航行，進一步通過閘門可實現對轉換效率、安全和發電功率的控制。

在該技術中，當閘門關閉，水平管道和垂直腔體形成 “L”形彎管后，整個結構物就是一個后彎管發電系統。國家海洋技術中心出具的測試報告表明，此種狀態下，該技術使波浪到電的轉換率高達50.73%，打破了日本學者創造的波電轉換率49%的自測世界紀錄，實現了波電高效轉換，今后還有望突破60%、70%甚至更高的波浪能量轉換率。

在該技術中，當閘門打開，水平管道和垂直管道分離，水平管道就成為一個流道，航行阻力變小，整個系統類似一個重心偏低的水面船。閘門打開時，如果垂直管道內的水柱在波浪作用下引起往復運動，同樣能實現波浪能量轉換。該技術特點是閘門無論開還是關、錨泊還是航行，只要垂直管道內的水柱同船體產生相對運動，都會實現波浪能量轉換，主要區別就在于轉換效率的高低。

由近岸走向遠海

基于航行和高效、簡單振蕩水柱技術轉換理念，經國家自然科學基金和廣東省科技項目多年支持，筆者團隊設計出1千瓦可航波浪能發電船，并對其進行了建造。2017年5月22日，1千瓦原始型自航波浪能發電船運抵廣東省陽西縣沙扒鎮進行航行試驗和拋錨發電試驗，試驗結束時間為同年8月23日，期間記錄到最大輸出電功率為140瓦。由于發電船投放在網箱周圍，波浪能資源偏小，因此發電功率不高。

2019年，團隊在廣東省中山市粵新船廠對原始型波浪發電船進行改進，形成一個改進型發電船，由電力推進器提供航行動力。改進后樣機長5.2米、寬2.3米、重4.5噸，波浪能發電裝機容量1千瓦，樣機尾后部裝有電力推進器兩臺，裝機容量各5千瓦，并在船廠的河面上進行了航行試驗。同年8月至12月，建造好的裝置在深圳市大鵬灣區中國水產科學研究院南海水產研究所深圳試驗基地進行了航行和拋錨發電試驗，12月5日14:39至15:15期間，記錄到平均發電功率為28.2瓦，最大發電功率為204.5瓦。

自航振蕩水柱技術繼承了振蕩水柱技術簡單、可靠的特點，同時提高了波浪能量轉換效率，大幅減低了裝置建造和持有成本。該技術使波浪能發電裝置由傳統單一定點使用方式向流動使用方式轉變，使波浪能裝置由近岸走向遠海變成了可能。

技術成熟后，其發展的小型無人波浪發電船可用于海上通信、海洋環境監測、水文調查等，大型波浪發電船可供海島用電、海水淡化、制冰、制氫等使用，也可作為海上流動應急電源使用，并可根據需要自航回港檢修或避臺風，降低惡劣海況破壞風險，延長使用壽命。該成果將極大推進波浪能利用技術的發展，為實現高效、低成本、風險可控的波浪能利用打下堅實基礎，是波浪能利用技術的一次躍進。

（作者系中國科學院廣州能源研究所研究員）