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波浪起起伏伏，
其中蕴含着巨大的能量。
盛松伟 · 中国科学院广州能源研究所研究员
格致论道 · 湾区第27期｜2023年12月19日 广州
大家好，我是盛松伟，来自中国科学院广州能源研究所。非常高兴今天能跟大家分享我和我团队在海洋波浪能发电方面的研究故事。
现在，我们的风能和太阳能已经获得了大规模发展，为什么还要开展海洋波浪能研究呢？
对于生活在大陆上的我们来说，可以轻易地获得电力，因为电网已经触及到了生产生活的每一个角落。但是我国还是一个海洋大国，有很长的海岸线，众多美丽的岛屿，还有很多重要的海上设施。我们的海岛和海上设施的电力供应是非常紧缺的，主要依靠柴油机发电。运油、储油、燃烧带来的环保问题和成本问题严重限制了海洋开发活动的发展。▲图片来源：《中国近海海洋图集--海洋可再生能源》
但是，海岛和海上设施周边是广袤的海洋，海洋中就有汹涌澎湃的波浪。如上图所示，我们国家沿海岸线从北到南，特别是福建沿海、广东沿海、海南沿海还有东沙、西沙、南沙这些广袤的海域里面蕴藏着丰富的能源宝藏——清洁的可再生能源波浪能。因此，我们要开发波浪能，满足我国未来战略性开发海洋的能源需求。海洋波浪能是发明家的摇篮，很多科技工作者和科技爱好者发明了多种多样的波浪能转换装置，包括振荡水柱式、越浪式、点吸收浮子式等等，多种多样的能量转换方式为我们因地制宜地开发波浪能带来了多种技术选择。但大海是温柔的，也是可怕的，并不是每个技术都能被有效利用。目前站在全球的角度上看，波浪能发电的技术商业化远不如风能和太阳能，我们的海洋波浪资源还没有被充分挖掘，还有很多技术问题需要我们去克服。我和我的团队从事了几十年的波浪能研发工作，今天就跟大家分享我们如何突破波浪能开发中的主要难点。这是一个波浪能转换的流程示意图。波浪被吸波浮体吸收后，转换成电能输送给海岛。其中俘获波浪能、把它转成电能的环节中就有很多技术挑战。第一个技术挑战就是起起伏伏的波浪。波浪有时大，有时小，如何高效俘获它是一件非常有挑战性的工作。波浪的运动类似于椭圆运动，于是我们根据波浪的水质点设计了一款吸收波浪能的浮体。它既可以接受水平方向的波浪力，也可以接受垂直方向的波浪力。另外，这个吸波浮体在运动的过程中不会向后造波，也就是在获得波浪能后在大海中运动时不再产生波浪。这就意味着我们形成了高俘获、低耗散的波浪能吸波浮体。因为这个吸波浮体的效率非常高，造型又非常像鹰的嘴巴，因此我把它命名为“鹰式装置”。我们通过一个振荡的摆板获得了波浪能，但是用户需要的是稳定电力输出，灯泡不能忽明忽暗，电视机也不能接收脉冲型的能量输入。不稳定的波浪能与用户端的稳定电能之间有着巨大的差异。因此，我们又研发了稳压蓄能型的能量转换系统。稳压蓄能型就是指波浪能在发电之前先用一个高压容器把它存储起来，存储以后再慢慢释放，这样就可以推动后面的发电机稳定旋转。这就像三峡水库，三峡水库上面有很多河流，河流有丰水期、有枯水期，有流量大的时候也有流量小的时候。如果让河流直接驱动水流发电机，它的效率和可靠性是会大幅下降的。因此我们花巨资建造了三峡水库，这个能量库就可以解决水流的不稳定，使发电机平稳旋转，输出高质量电力。波浪能也是一样的。它的输入相较于河流来说更加不稳定，所以需要高压蓄能，蓄能以后再缓慢输出。蓄能型的液压系统就能将高度不稳定的波浪能转换为相对稳定的电能。以上两点技术的突破让我们得以高效地获得和转换波浪能，我们拥有了具有自主知识产权的“鹰式波浪能技术”，也已经获得了中国、美国、英国和澳大利亚的发明专利。发明了鹰式装置以后，在2012年，我和我的团队建成了装机功率10千瓦的“鹰式一号”原理样机。“鹰式一号”在海上表现出了优异的水动力学性能，它的俘获和转换效果令人满意。这坚定了我们要走自己的路，坚持发明创造，建造拥有我们国家自主知识产权的波浪能发电技术的决心。我们已经做到了俘获波浪能和用波浪能发电，但是我们在海洋中面临的环境比较恶劣。我国台风多发，如何在巨浪中保持漂浮式装置稳定，并且保障我们的装置不会跑掉、不被大风大浪打得离开我们的工作位置，还有很多问题需要解决。第一个问题是，如何让装置在风浪甚至台风中稳定地存在于海洋之中不被损坏。在巨浪的推动下，我们的装置和锚泊会受到巨大推动力，甚至锚泊断链，装置沉没，这些都是非常让人痛心的事。于是我们借用了太极的思想：在巨浪推我们、打击我们的时候就往后退；波浪是振荡型的输入，它也会退去，当波浪退去的时候，我们的锚泊系统就会自动收紧装置，使装置向前移动。就像“打太极”一样，你强我退，你弱我进，始终使装置和锚泊系统保持比较恒定的张力。有了恒张力系统，我们就能保障装置具有良好的抗台风能力。在海上，我们还要有良好的工程性。除了要抗台风以外，还要调节不同的吃水深度。于是我们借用半潜式的技术结构，让装置可以浮起来，也可以潜下去。在工作状态下能够好好发电，在抗台风时可以通过设置合理的吃水深度躲避台风，减小风浪对它的打击。通过这两项技术研究，我们在2015年建成了装机功率100千瓦的鹰式波浪能装置“万山号”。它是具有一定发电量，又能在开阔海域使用的具有工程意义的一款波浪装置。为此我们还在海上进行了试验，这是我们在珠海万山群岛开展试验的一个场景。“万山号”具有半潜式的主体结构，通过四条锚泊线与海底连接，前面和后面分别搭载了两个吸收波浪的浮体，也就是我们刚才说的鹰头，用来吸收波浪能。可以看到，两个鹰头在波浪推动下响应良好，波浪运动它就运动，然后把能量传递给后端的能量转换系统，再发电。这样，我们就可以在海面上利用稳定的平台搭载吸波浮体开展发电了。在巨浪中，我们可以获得更大的能量，发更多的电。这展示的是在巨大的风暴中，我们的鹰式装置依然保持着良好的稳定性。海面波涛汹涌，如果有一条船在海上航行，我们可以想象得到它会东倒西歪。但是鹰式波浪装置在海上稳如泰山，非常稳定，表现出了良好的抗风暴能力。我们已经实现了高效的俘获转换和良好的锚泊系统，以及半潜式的工程便利性，目前正在积极地向深远海迈进，满足更多用户的需求。为此我们开展了大型波浪能装置的工程实验。这展示了我们这一款兆瓦级的波浪能装置在水槽中是如何工作的。这是一款未来要在海上大量发电的装置的模型，目前我们的模型实验与实海况非常接近。波浪推动我们一排五个鹰头后，鹰头跟随波浪运动，把能量转换成电能。三角形的半潜式平台在波浪的冲击下仍然保持了良好的稳定性，未来具有搭载设备、人员，开展更多海上服务的能力。在今年（2023年），我们在广东电网的支持下建成了目前正在海上运行的最大的波浪能装置——1000千瓦的波浪能装置“南鲲号”。目前“南鲲号”在南海已经录得了最大日发电量10321度，可以满足一个1000人岛屿的日用电量。“南鲲号”的良好发电能力更加坚定了我们在大洋深处获取这种绿色能源并供给海上的信心。当然，我们面临的风暴、面临的恶劣海况仍然在考验和磨炼着我们的技术，我们需要持之以恒地去俘获能量迎接挑战。刚才讲到波浪能发电的演化过程，其实我们一直在想，波浪能还能用在什么地方。我简单举2个典型的例子。这个就是我们海上观测用的波浪能发电装置。在海上做气象、水质、水文包括海底振动的观测工作都需要用电。一个浮标要如何获得电力？如何带动更大功率的更多设备呢？波浪能是一个优良选择。在以前，我们的浮标靠少量太阳能和电池供电，因为电力有限，所以无法大规模搭载设备，无法满足用电较多、设备较多的情况。因此我们开发了波浪能的浮标，让研究人员在水上，水下都可以带摄像机、可以带卫星通讯，也可以搭载更多设备服务于海洋观测。以前，我们远海的浮标如果遭受了破坏，我们连是谁破坏的浮标都不知道。为什么？因为我们电力缺乏，连搭载摄像机的供电能力都不足。但现在，我们可以搭载多台摄像机，保障我们水面及水下的观测用电。我们在珠海万山开展波浪能试验时，周边的渔场主动找到我们说，“能否把您的波浪能装置拉到我的渔场给我供电呢？因为我们的渔场在海上缺水缺电，生产是非常困难的。”由此我们发现，深远海海洋牧场也需要我们的波浪能技术。深远海海洋牧场面临着3个问题，它经常会被台风摧毁，离开了岛屿以后没法搭载人员、设备和物资，另外，深海渔场即使搭载了人员和设备以后，在海上也没有电力。这3个问题都可以被我们的波浪能技术解决。因此我们发明了半潜式波浪能养殖旅游平台技术，目前已经收到了5个省共20多台套的订单。这是我们在海南投放的深远海养殖平台拍到的养殖大型鱼类的场景。可以看到，在优质装备、优质水域的支持下，我们可以养出更加优质的海产品。这是我们在珠海桂山投放的一台“澎湖号”波浪能装置在海上开展养殖活动的场景。大家可以看到，这与我们传统理解的渔业养殖相比已经是天翻地覆了。它有海工型的平台，有制淡机，有冰库，有装修豪华的宿舍和很多储存物质空间，还有波浪能加上太阳能的联合清洁电力，使我们在海上可以实现机械化甚至智慧化的运行。同时，我们稳定的平台还有清洁能源供给也成为了大家在海上旅游的打卡景点。目前，我们团队在国际上也有了一定的知名度，我们已经连续12年代表中国入选国际能源署OES的亮点成果报告。下一步，我们不光要开发波浪能，我们还要让半潜式平台搭载上风能和太阳能，形成海上的多能源综合开发系统，把风能、波浪能、太阳能集成到一个平台上，共享一片海域，共享我们的平台和锚泊系统。同时我们也可以开展和海上其他产业比如渔业、旅游业等的结合。十年来，我们波浪能装置由10千瓦发展到100千瓦，再到1000千瓦。2002年，我刚刚来到能源所时，我们团队只有7个人，到2006年，我们团队只剩下3个人。那时正是我们事业发展的低谷期。在这么困难的情况下，我们咬紧牙关继续坚持，因为我们相信，未来国家就需要这种战略性的能源，我们必须要坚持下去。在国家海洋需求的大背景下，我们团队逐渐由3人发展到26人，从小装置做到了大装置。我们的科研事业也与波浪一样起起伏伏，我们希望永远走在向上攀爬的道路上。希望大家可以关心海洋，支持海洋。蔚蓝的大海，需要绿色能源技术支撑发展。
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