隨著我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，波浪能作為清潔可再生能源，在深遠(yuǎn)海供電、多能互補(bǔ)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。當(dāng)前，我國在深遠(yuǎn)海島礁開發(fā)、海上平臺運(yùn)行、深海養(yǎng)殖等領(lǐng)域的發(fā)展對低價、綠色供電需求量巨大。

清華大學(xué)長聘教授、中國海洋工程研究院（青島）海洋能方向首席科學(xué)家張永良領(lǐng)銜的波浪能技術(shù)團(tuán)隊研發(fā)的氣動式波浪能發(fā)電裝置很好地解決了這一需求。張永良介紹，未來項目有望每年產(chǎn)生百億元經(jīng)濟(jì)效益。

日前，團(tuán)隊的百千瓦級雙氣室氣動式波浪能發(fā)電裝置已獲批我國能源領(lǐng)域首臺（套）重大技術(shù)裝備，預(yù)示著該裝備向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)更進(jìn)了一步。

將波浪能轉(zhuǎn)化為電能，一小時發(fā)電100度

當(dāng)下，在青島齋堂島附近的海域，總能看到一臺長約16米的橙色船型裝置，該裝置就是張永良團(tuán)隊研發(fā)的第一代30千瓦氣動式波浪能發(fā)電裝置。

2024年，“華清號”在廣東下水前合影，張永良教授（左三）在“華清號”前合影

張永良介紹，該設(shè)備于2021年由清華大學(xué)波浪能團(tuán)隊研發(fā)而成，是國際上首個氣動式波浪能發(fā)電裝置原型機(jī)，于當(dāng)年在南海海域運(yùn)行一年，期間曾經(jīng)遭遇過“暹芭”臺風(fēng)仍保持完好無損，抗臺性能得到驗證，實(shí)測平均效率11.9%，比國際同業(yè)的效率提升了67.6%。

“2022年測試結(jié)束后，裝備轉(zhuǎn)而運(yùn)到青島海域進(jìn)行持續(xù)性測試，為我們后期產(chǎn)品研發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐，目前該設(shè)備每天發(fā)電量最高達(dá)720度。”張永良說。

隨后，研發(fā)團(tuán)隊在第一代裝置基礎(chǔ)上研制100千瓦氣動式波浪能發(fā)電裝置“華清號”。“采用氣壓傳動技術(shù)，這是國內(nèi)首個能在臺風(fēng)環(huán)境下正常發(fā)電的氣動式波浪能裝置，平均效率在30千瓦裝置的基礎(chǔ)上又取得較大幅度提升。”

“我們目前正在與中國海洋工程研究院（青島）進(jìn)行第三代百千瓦級雙氣室氣動式波浪能發(fā)電裝置的研發(fā)，并于今年8月份，獲批能源領(lǐng)域首臺（套）重大技術(shù)裝備，計劃最早于明年年初建成。”張永良介紹，第三代設(shè)備額定輸出功率為100千瓦，一小時發(fā)電量達(dá)100度，年發(fā)電量最高達(dá)30萬度。

100kW 氣動式波浪能發(fā)電裝置“華清號”

氣動式波浪能發(fā)電裝置是什么呢？張永良介紹，其技術(shù)原理是利用波浪的起伏運(yùn)動驅(qū)動空氣在氣室中往復(fù)流動，從而推動空氣渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，最終帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。其工作過程主要包含三級能量轉(zhuǎn)換：一級轉(zhuǎn)換為波浪的動能和勢能通過浮子或氣室的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為氣壓能；二級轉(zhuǎn)換為往復(fù)氣流驅(qū)動空氣渦輪機(jī)，將氣壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動）；三級轉(zhuǎn)換為渦輪機(jī)通過傳動軸驅(qū)動發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

“這種技術(shù)路線的主要優(yōu)勢在于通過氣動方式傳遞能量，避免了波浪能直接對機(jī)械結(jié)構(gòu)的劇烈沖擊，傳動系統(tǒng)不與海水接觸，因此可靠性更高，維護(hù)成本相對較低，更有利于適應(yīng)惡劣的海洋環(huán)境。”張永良說。

2030年我國波浪能發(fā)電市場規(guī)模將達(dá)1800億元

在我國風(fēng)電、光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展并引領(lǐng)能源轉(zhuǎn)型的當(dāng)下，為什么還要研發(fā)氣動式波浪能發(fā)電裝置呢？

張永良給出了他的回答。

相較于風(fēng)電、光伏更多地為陸域供電，氣動式波浪能發(fā)電裝置的供應(yīng)對象則轉(zhuǎn)向海域。“隨著我國對海洋資源的開發(fā)力度不斷加大，海上發(fā)電需求越來越大。”張永良介紹，裝備的服務(wù)對象主要是深遠(yuǎn)海島礁開發(fā)、海上浮標(biāo)、海上勘測平臺、深海養(yǎng)殖等。我國有1.1萬多個海島，無居民海島占絕大多數(shù)，由于某些原因不宜大規(guī)模使用柴油發(fā)電，波浪能發(fā)電需求迫切。我國現(xiàn)有各種海洋作業(yè)、深海養(yǎng)殖等平臺超過2萬個，還有數(shù)萬臺海上監(jiān)測儀器設(shè)備。以上這些應(yīng)用場景的用電市場，預(yù)測國內(nèi)裝備規(guī)模需求量高達(dá)近萬億元，供電規(guī)模需求達(dá)千億元。

張永良教授（右）向外國友人介紹裝備

此外，相比于風(fēng)電、光伏需要固定在某海域不同，氣動式波浪能發(fā)電裝置對環(huán)境要求較小，裝置可以跟隨需求方隨時變動場域，使用場景更加靈活。只要將裝置停靠在離岸附近，與當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)連接就可以。

除了需求巨大外，波浪能的供給也十分充足。全球海岸線長達(dá)45萬公里，海岸帶的波浪能密度高達(dá)10-100kW/m，理論可開發(fā)總量達(dá)到了驚人的7太瓦，這相當(dāng)于310座三峽電站的裝機(jī)容量。

隨著“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)，波浪能作為清潔可再生能源，在深遠(yuǎn)海供電、多能互補(bǔ)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，2030年我國波浪能發(fā)電裝置系統(tǒng)的市場規(guī)模將達(dá)到1800億元。全球波浪能裝備市場規(guī)模達(dá)數(shù)十萬億元，售電市場規(guī)模每年達(dá)十萬億元。

張永良介紹，我國規(guī)劃至2030年的裝機(jī)規(guī)模為40萬千瓦，如果一臺裝備的發(fā)電量按100千瓦算，就需要4000臺設(shè)備。

每年將產(chǎn)生百億元經(jīng)濟(jì)效益

2025年2月，自然資源部、國家發(fā)改委等六部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于推動海洋能規(guī)模化利用 的指導(dǎo)意見》提出，“推進(jìn)波浪能規(guī)模化利用。在波浪能資源富集區(qū)域 ，穩(wěn)步推進(jìn)建設(shè)兆瓦級波浪能規(guī)模化試點(diǎn)工程。支持波浪能與海上風(fēng)電同場開發(fā)，共建共享配套基礎(chǔ)設(shè)施，降低波浪能資源綜合開發(fā)成本”。

張永良介紹，海上風(fēng)電場域一般也是海上波浪能富集區(qū)，第三代百千瓦級雙氣室氣動型波浪能發(fā)電裝置目前正依托國華山東半島南U2海上風(fēng)電項目推進(jìn)研發(fā)，可有效推進(jìn)海上風(fēng)電與波浪能一體化開發(fā)的商業(yè)化進(jìn)程。

在核心技術(shù)方面，新型波浪能轉(zhuǎn)換自整流沖動式空氣透平系統(tǒng)將波浪能轉(zhuǎn)換效率提升至53%。產(chǎn)業(yè)鏈方面，已形成從上游材料、中游制造到下游應(yīng)用的初步協(xié)同，預(yù)計2030年有望實(shí)現(xiàn)40萬千瓦裝機(jī)目標(biāo)。

項目成果可應(yīng)用于遠(yuǎn)海用電需求的電力保障，預(yù)計將解決波浪能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸問題，產(chǎn)生每年數(shù)十億至數(shù)百億元規(guī)模的經(jīng)濟(jì)效益。

波浪能開發(fā)正處于產(chǎn)業(yè)化前期，向規(guī)模化利用邁進(jìn)的關(guān)鍵階段。張永良也坦言，目前，波浪能發(fā)電技術(shù)路線較發(fā)散。如何實(shí)現(xiàn)高效可靠波浪能轉(zhuǎn)換仍然是全球海洋能源領(lǐng)域亟待解決的重大科學(xué)問題，這也是他接下來攻克的方向。

張永良說，未來波浪能發(fā)電與海洋牧場、海上制氫基地等海上能源項目融合打造綜合能源島，將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海海上能源綜合利用，并在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域形成顯著社會價值，有效支撐我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)的壯大，對建設(shè)海洋強(qiáng)國和海上絲綢之路具有重要意義。

（半島全媒體記者 王麗平）