風能-波浪能互補發電技術發展綜述

文/劉佳昊，蔣沛漪

自“十四五”規劃發布以來，隨著“碳中和”和“碳達峰”目標的提出，我國已然進入能源結構低碳、環保轉型的關鍵期，而發展綠色清潔海洋可再生能源對于能源轉型具有重大意義。我國近年來在海上風電發展迅速，近海海域已經十分飽和，目前已往深遠海發展，這就需要我國掌握、建設和運維更多關鍵技術。本文以風能-波浪能互補發電為例，展開論述漂浮式平臺的關鍵技術與難題，并進一步闡述深遠海多能互補發電的發展前景。

海洋可再生能源具有開發潛力大、可持續利用、綠色清潔等優勢，但海洋能能量密度較低、穩定性較差，故海洋可再生能源開發利用難度較大。近年來，我國已研發出眾多互補聯合發電裝置，如風能-潮流能、風能-波浪能、風能-太陽能等，極大地提高了能源利用率及單位海域的能量產出。研發深海浮式風電機組、掌握深遠海浮式平臺建設和運維等關鍵技術勢在必行。

一、波浪能與風能聯合發電裝置發展現狀

（一)波浪能發電裝置種類及發展現狀

波浪能具有可再生、綠色、儲量大等優點，與其他海洋可再生能源相比，其能量密度最高。波浪能發電裝置按結構形式可劃分為以下幾種：“點頭鴨”式、搖擺式、振蕩水柱式、振蕩浮子式、聚波蓄能式和筏式。它們均是經過三級轉換最終轉化成所需電能的形式（見圖1)。

（二)風浪聯合發電裝置發展現狀

與單一能量利用裝置相比，風浪聯合發電裝置具有以下優勢：①風資源豐富的地方波浪能資源也豐富，二者結合能夠有效提高單位海域能量產出；②二者共享系泊、電力等基礎設施，能夠降低成本；③風電波動性較強，吸收能量不夠穩定，而波浪能比較穩定，二者可以互補；④波浪能吸收裝置位于風機下部海域，能有效吸收波浪能，降低風機所受波浪載荷。

需要指出的是，目前風浪集成系統的研究尚處于初級階段，此領域學術成果較少，有關深遠海技術更是少之又少。就深遠海平臺設計而言，設計人員必須考慮其穩定性、可靠性等因素。

二、漂浮式風浪互補發電平臺的關鍵性技術

（一)平臺穩定性

海上浮式風機不僅會受到作用于風機上的氣動載荷和波浪對風機平臺基礎的水動力載荷，還會受到系泊系統作用在風機平臺基礎上的系泊載荷，同時各部分還會產生強烈的相互耦合作用，故平臺穩定性受多種因素影響。

國內外學者從多個方面開展相關研究：黃致謙等提出一種漂浮式風力機新型半潛平臺，運用軟件Aqwa研究其極限海況下水動力特性，結果發現新型半潛平臺橫搖、縱搖及垂蕩穩定性均大幅提高；任年鑫等為彌補傳統張力腿平臺水平剛度不足，提出一種新型張力腿——錨纜結合式系泊系統，能更好地抑制漂浮式風力機整機結構動態響應；Minnan等研究風浪共同作用下垂蕩板及其位置對Spar式平臺風力機的動態影響，采用葉素動量理論和輻射/繞射理論求解計算，得到垂蕩板位于浮式風機中部和底部時可明顯提高其垂蕩、縱搖及機艙穩定性等結論；劉朝綱等對浮式平臺的波能轉換器在不同海況下研究浮子-平臺-錨泊系統-風機的耦合，結果表明浮子和錨泊系統可提高發電裝置運動和受力的穩定性。

致力于減晃技術領域的攻關突破，是提高浮式平臺穩定性最有力的辦法，即從平臺接收外界載荷的面積或角度入手，減少整體受力，以及根據平臺附近水動力特征調整平臺結構，增強其穩定性。

（二)布局優化

由于風能-波浪能聯合發電中風電場運維便利性和經濟性不能兼顧，所以要對海上風浪聯合發電進行布局規劃及優化。基于浮式平臺的多浮子波能轉換器是波浪能利用的重要發展方向，而目前國內對浮子與浮式平臺的耦合研究較少。徐涌珂等人在忽略中心平臺的條件下，對矩形陣列浮子排布方式與圓形陣列排布方式進行功率輸出以及相互作用效用對比，驗證了圓形陣列排布方式的優越性；劉寧等人提出一種海上多能源聯合發電規劃及優化方法，結果表明基于均勻分布陣列的聯合發電及優化方法可有效提高海上風電場及風機運維便利性；此后，任俊卿等人提出了一種新型立柱——環形陣列波浪能發電裝置集成系統，可減小波浪對立柱的沖擊，延長立柱壽命。

致力于分布陣列領域的攻關突破，是優化布局最有力的辦法，即考慮各種排布方式的利弊，以及多種排布方式混合與單個排布方式所帶來的效益的區別，尋求可彌補單個排布方式缺點的多種排布方式混合陣列。

（三)目前存在的難題

（1)海上風能和波浪能的穩定性相對較差，存在一定的隨機性波動，導致能源可利用率較低，且海浪的波動和風能的間歇性將導致電網功率的波動。因此，相關設計人員應基于能量耦合原理，設計能量動力耦合裝置，研發風浪能耦合性互補發電平臺。

（2)目前水平軸風力機在市場上占據了絕對優勢，但受到海洋中風、浪、流的多重作用，設備經常出現疲勞、穩定性和可靠性等多方面問題。而垂直軸風力機由于不需偏航、旋轉時所受慣性力方向較穩定等優點，更適于裝于漂浮式平臺與波浪能裝置，從而達到互補的效果。

（3)陣列浮子式波浪能發電可以均勻連續地吸收不同位置的波浪能，實現大規模連續穩定的電能輸出和能量轉換。但分布陣列技術含量要求更高，需要通過大量仿真分析來提高波浪能轉換效率。在多種外界因素影響下，布局優化也是未來需要發展的重點。

三、我國發展深遠海多能互補發電的前景展望

（一)出臺國家政策，促進降本增效

政策扶持促進降本增效。漂浮式平臺只有在政策扶持下才能進一步發展、突破。隨著技術的提升，我國應達到初始投資、降低安裝與運維費用的目標，實現發電效率上升、度電成本下降，從而助力實現產業鏈的良性循環；還應鼓勵企業間相互合作、相互學習，加快推進深遠海浮式風電技術實現突破性進展。

（二)突破關鍵技術，提升平臺效能

利用海上多能互補發電技術，首先需要考慮海洋能的穩定性。以風浪聯合為例，其裝置吸收能量互補，利用互相抵消的思維可以解決一系列穩定性問題。其次，在此基礎上應用漂浮式技術時需考慮平臺的穩定性，從平臺本身角度出發或周圍水動力特征角度出發，研究其減晃技術。

當單個平臺穩定性較好，并且可在極端海況下保持良好的穩定性后，再考慮布局優化的技術攻關、降本增效，提高海上風電場的便利性和經濟性。

（三)學習歐洲經驗，參與國際合作

歐洲在海洋能開發方面開發較早、經驗豐富，有著許多先進技術與成果。作為全球海上風電的先導力量，其技術研究和工程建設的方法值得我們借鑒參考。政府應鼓勵企業去歐洲學習經驗，同時也可聘請歐洲有經驗的工程師來我國開展合作，指導并共同研究深遠海海上風電的技術，在交流合作中學習，實現走出去和引進來相結合，培養專業化人才隊伍，研發具有自主知識產權的核心技術。

四、結語

我國深遠海風能資源豐富、開發潛力大，通過漂浮式技術可明顯帶動深遠海風電產業的發展。同時，我國海床結構多樣化，漂浮式技術可有效擺脫海床條件的束縛，減少海上作業。另外，深遠海浮式平臺不占據岸線和航道資源，降低了對沿海工業生產和居民生活的不利影響，帶動了新的經濟增長。因此，我國應致力于對提升浮式平臺穩定性的研究，探尋不同海況下的減晃技術以及平臺優化陣列布局等方面的技術。在全世界的共同努力下，廣袤的海洋有望成就人類廣闊的未來。