风能-波浪能互补发电技术发展综述

文/刘佳昊，蒋沛漪

自“十四五”规划发布以来，随着“碳中和”和“碳达峰”目标的提出，我国已然进入能源结构低碳、环保转型的关键期，而发展绿色清洁海洋可再生能源对于能源转型具有重大意义。我国近年来在海上风电发展迅速，近海海域已经十分饱和，目前已往深远海发展，这就需要我国掌握、建设和运维更多关键技术。本文以风能-波浪能互补发电为例，展开论述漂浮式平台的关键技术与难题，并进一步阐述深远海多能互补发电的发展前景。

海洋可再生能源具有开发潜力大、可持续利用、绿色清洁等优势，但海洋能能量密度较低、稳定性较差，故海洋可再生能源开发利用难度较大。近年来，我国已研发出众多互补联合发电装置，如风能-潮流能、风能-波浪能、风能-太阳能等，极大地提高了能源利用率及单位海域的能量产出。研发深海浮式风电机组、掌握深远海浮式平台建设和运维等关键技术势在必行。

一、波浪能与风能联合发电装置发展现状

（一)波浪能发电装置种类及发展现状

波浪能具有可再生、绿色、储量大等优点，与其他海洋可再生能源相比，其能量密度最高。波浪能发电装置按结构形式可划分为以下几种：“点头鸭”式、摇摆式、振荡水柱式、振荡浮子式、聚波蓄能式和筏式。它们均是经过三级转换最终转化成所需电能的形式（见图1)。

（二)风浪联合发电装置发展现状

与单一能量利用装置相比，风浪联合发电装置具有以下优势：①风资源丰富的地方波浪能资源也丰富，二者结合能够有效提高单位海域能量产出；②二者共享系泊、电力等基础设施，能够降低成本；③风电波动性较强，吸收能量不够稳定，而波浪能比较稳定，二者可以互补；④波浪能吸收装置位于风机下部海域，能有效吸收波浪能，降低风机所受波浪载荷。

需要指出的是，目前风浪集成系统的研究尚处于初级阶段，此领域学术成果较少，有关深远海技术更是少之又少。就深远海平台设计而言，设计人员必须考虑其稳定性、可靠性等因素。

二、漂浮式风浪互补发电平台的关键性技术

（一)平台稳定性

海上浮式风机不仅会受到作用于风机上的气动载荷和波浪对风机平台基础的水动力载荷，还会受到系泊系统作用在风机平台基础上的系泊载荷，同时各部分还会产生强烈的相互耦合作用，故平台稳定性受多种因素影响。

国内外学者从多个方面开展相关研究：黄致谦等提出一种漂浮式风力机新型半潜平台，运用软件Aqwa研究其极限海况下水动力特性，结果发现新型半潜平台横摇、纵摇及垂荡稳定性均大幅提高；任年鑫等为弥补传统张力腿平台水平刚度不足，提出一种新型张力腿——锚缆结合式系泊系统，能更好地抑制漂浮式风力机整机结构动态响应；Minnan等研究风浪共同作用下垂荡板及其位置对Spar式平台风力机的动态影响，采用叶素动量理论和辐射/绕射理论求解计算，得到垂荡板位于浮式风机中部和底部时可明显提高其垂荡、纵摇及机舱稳定性等结论；刘朝纲等对浮式平台的波能转换器在不同海况下研究浮子-平台-锚泊系统-风机的耦合，结果表明浮子和锚泊系统可提高发电装置运动和受力的稳定性。

致力于减晃技术领域的攻关突破，是提高浮式平台稳定性最有力的办法，即从平台接收外界载荷的面积或角度入手，减少整体受力，以及根据平台附近水动力特征调整平台结构，增强其稳定性。

（二)布局优化

由于风能-波浪能联合发电中风电场运维便利性和经济性不能兼顾，所以要对海上风浪联合发电进行布局规划及优化。基于浮式平台的多浮子波能转换器是波浪能利用的重要发展方向，而目前国内对浮子与浮式平台的耦合研究较少。徐涌珂等人在忽略中心平台的条件下，对矩形阵列浮子排布方式与圆形阵列排布方式进行功率输出以及相互作用效用对比，验证了圆形阵列排布方式的优越性；刘宁等人提出一种海上多能源联合发电规划及优化方法，结果表明基于均匀分布阵列的联合发电及优化方法可有效提高海上风电场及风机运维便利性；此后，任俊卿等人提出了一种新型立柱——环形阵列波浪能发电装置集成系统，可减小波浪对立柱的冲击，延长立柱寿命。

致力于分布阵列领域的攻关突破，是优化布局最有力的办法，即考虑各种排布方式的利弊，以及多种排布方式混合与单个排布方式所带来的效益的区别，寻求可弥补单个排布方式缺点的多种排布方式混合阵列。

（三)目前存在的难题

（1)海上风能和波浪能的稳定性相对较差，存在一定的随机性波动，导致能源可利用率较低，且海浪的波动和风能的间歇性将导致电网功率的波动。因此，相关设计人员应基于能量耦合原理，设计能量动力耦合装置，研发风浪能耦合性互补发电平台。

（2)目前水平轴风力机在市场上占据了绝对优势，但受到海洋中风、浪、流的多重作用，设备经常出现疲劳、稳定性和可靠性等多方面问题。而垂直轴风力机由于不需偏航、旋转时所受惯性力方向较稳定等优点，更适于装于漂浮式平台与波浪能装置，从而达到互补的效果。

（3)阵列浮子式波浪能发电可以均匀连续地吸收不同位置的波浪能，实现大规模连续稳定的电能输出和能量转换。但分布阵列技术含量要求更高，需要通过大量仿真分析来提高波浪能转换效率。在多种外界因素影响下，布局优化也是未来需要发展的重点。

三、我国发展深远海多能互补发电的前景展望

（一)出台国家政策，促进降本增效

政策扶持促进降本增效。漂浮式平台只有在政策扶持下才能进一步发展、突破。随着技术的提升，我国应达到初始投资、降低安装与运维费用的目标，实现发电效率上升、度电成本下降，从而助力实现产业链的良性循环；还应鼓励企业间相互合作、相互学习，加快推进深远海浮式风电技术实现突破性进展。

（二)突破关键技术，提升平台效能

利用海上多能互补发电技术，首先需要考虑海洋能的稳定性。以风浪联合为例，其装置吸收能量互补，利用互相抵消的思维可以解决一系列稳定性问题。其次，在此基础上应用漂浮式技术时需考虑平台的稳定性，从平台本身角度出发或周围水动力特征角度出发，研究其减晃技术。

当单个平台稳定性较好，并且可在极端海况下保持良好的稳定性后，再考虑布局优化的技术攻关、降本增效，提高海上风电场的便利性和经济性。

（三)学习欧洲经验，参与国际合作

欧洲在海洋能开发方面开发较早、经验丰富，有着许多先进技术与成果。作为全球海上风电的先导力量，其技术研究和工程建设的方法值得我们借鉴参考。政府应鼓励企业去欧洲学习经验，同时也可聘请欧洲有经验的工程师来我国开展合作，指导并共同研究深远海海上风电的技术，在交流合作中学习，实现走出去和引进来相结合，培养专业化人才队伍，研发具有自主知识产权的核心技术。

四、结语

我国深远海风能资源丰富、开发潜力大，通过漂浮式技术可明显带动深远海风电产业的发展。同时，我国海床结构多样化，漂浮式技术可有效摆脱海床条件的束缚，减少海上作业。另外，深远海浮式平台不占据岸线和航道资源，降低了对沿海工业生产和居民生活的不利影响，带动了新的经济增长。因此，我国应致力于对提升浮式平台稳定性的研究，探寻不同海况下的减晃技术以及平台优化阵列布局等方面的技术。在全世界的共同努力下，广袤的海洋有望成就人类广阔的未来。