海洋波浪能浮标发展现状及前景*

2021-03-02吴明东盛松伟张亚群吝红军姜家强

新能源进展 2021年1期

吴明东，盛松伟，张亚群，吝红军，姜家强

（1.中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；3.中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；4.南方海洋科学与工程广东省实验室，广州 510640；5.中国科学院大学，北京 100049）

0 引言

自20 世纪20 年代起，浮标作为一种助航标志开始搭载环境监测仪器，在全球防灾减灾、经济开发、科学研究、维护主权等方面起到不可或缺的作用，称为资料浮标、多功能浮标或智能浮标。浮标结合雷达、船舶、卫星和岸基监测站可构成高效率、立体化、全覆盖的海洋信息监测网[1]。美国国家资料浮标中心（National Data Bouy Center）共建成106个锚系资料浮标和1 100 多个合作监测站，每小时通过浮标和站点收集、传送观测数据；由世界气象组织和联合国教科文组织联合成立的资料浮标合作组（Drifting Buoy Cooperation Panel），协调超过400个锚系浮标和1 250 个漂流浮标组成的网络部署[2]。

随着各国逐渐重视海洋开发，海洋观测浮标得到广泛应用和发展。据incoPat 专利检索数据统计，截至2021 年1 月，全球近10 年共申请31 项海洋观测浮标专利，韩国数量最多，中国和日本其次，主要集中在电子系统、系泊技术、标体防护三个领域。

大规模投放海洋浮标，需要具备经济且高效的供电系统，随着海洋可再生能源技术的快速发展，利用波浪能为海上浮标供电正在成为现实。本文对国内外供电浮标技术现状进行分析总结，以期为波浪能海洋浮标的研发提供参考和建议。

1 浮标分类

浮标沿用至今，种类繁多，可根据其结构、功能和能量来源的不同进行区分[3]。

1.1 浮标的结构

浮标主要由浮标主体、供电、锚系、电控系统组成，可根据标体形状、锚系方式、尺寸等差异区分。

按照浮标主体形状，分为圆盘形、圆柱形、球形、船形浮标（如图1）。圆盘形浮标因体型特点适合投放多种海域，用途广泛；圆柱形浮标吃水较深，一般用于潜入式海洋剖面观测；球形浮标具有良好的随波性，常用于水面波浪参数的观测；船形浮标吃水较浅，适合进行内陆河流或近海水面风场剖面观测[4]。

图1 浮标的外形[2,4-5]Fig.1 Shapes of buoy[2,4-5]

按照浮标系泊方式，可分为锚系和漂流浮标。由于锚系可以限定浮标的位移范围，提高浮标的生存性能，通常担任固定式、回收式监测任务。如遇监测范围不固定，或者回收价值较小，则采用漂流浮标担任运动式或者抛弃式监测任务。

按照浮标直径尺寸，通常分为大、中、小型浮标，具体划分范围为大于10 m、3～10 m 和小于3 m。通常浮标尺寸越大，生存能力越强。

在外形众多的海洋浮标中，圆盘形、球形和船形浮标的工作位面与波浪能主要分布位面重合，比较适合利用波浪能供电。其中大、中型圆盘形锚系海洋浮标具备足够的设备空间、储备浮力、抗风浪能力，更适合用于深远海作业[3]。

1.2 浮标的功能

按照观测功能的不同，浮标可分为通用型和专用型。通用型浮标各类电子设备集成度高、观测参数全面，专用型浮标作业海况针对性强、观测参数单一。两种浮标的互补投放，可高效填补不同海况下的数据空白。

通用型浮标凭借高度集成的电子设备，可全天候、连续、自动观测多位面数据，如波高、波周期、风速、风向、气温、气压、水温、流速、流向等水面水文气象数据，溶解氧、营养盐、叶绿素等水下环保数据，或超声波深水探测数据。目前，以FZF4-1型智能浮标为代表的国产通用型浮标观测技术总体已达国际领先水平[4]。

专用型浮标在极端环境下可针对性探测以上数据。相对于传统海洋科技强国，我国专用型浮标长期依赖进口，目前种类稀缺、规模较小。截至2018年8 月，国际Argo 计划在全球范围布放的专用型浮标数量已达3 591 个，而中国的自主研发型号仅HM 2000 型剖面浮标（图1b）一种共10 台[5-6]。

1.3 浮标的能源

随着浮标功能的拓展，搭载的电子设备数量逐渐增多，浮标的体积和用电量也在增加。为保障海洋浮标正常运行，传统的太阳能蓄电池系统需要混合诸如波浪能、微生物燃料甚至风能等其他能量来源。近年来众多国外科研力量都在结合不同领域探索新型浮标供电技术，以延长供电系统的使用寿命和提升充放电效率。

在美国海军的水下观测系统 AN/SSQ-101 计划中，波浪能被用来取代电池进行持续供电，提高海洋资料观测系统的续航能力[7]。美国海军的科学家尝试利用底栖微生物燃料电池（benthic microbial fuel cell,BMFC）为低能耗气象浮标提供持续电能[8]。加拿大AXYS 公司的WindSentinel 浮标则创新采用了一套太阳能、蓄电池和风能发电机混合的能源补给系统[4]。

相比之下，我国自1990 年首次采用太阳能蓄电池系统研发FZF2-1 型浮标以来，利用海洋可再生能源为浮标供电的技术研发进展缓慢[3]。

2 波浪能供电的海洋浮标现状

2.1 海洋浮标的供电现状

传统的太阳能与蓄电池混合供电系统已越来越无法满足常态化、多样化的监测任务，供电问题限制了浮标的功能应用[4]。此外，由于深远海域远离岸边，每隔几个月需要动用船只和潜水装备更换蓄电池、维护光伏发电系统，导致海洋浮标的维护成本居高不下。

大型海洋浮标的能耗设备主要包括航标灯、传感器、数据采集器、通信系统和各类特殊仪器设备。常规传感器主要包括气温计、气压计、湿度计、风速计、波浪传感器、海流计等，可以探测气象水文信息。数据采集器由各类传感器接口和功能模块组成，按照一定时序完成信息数据的自动采集、处理、存储、传输和控制等，是浮标的数据处理和控制中枢；通信系统主要采用无线信号将观测数据传送给陆上或卫星数据接收端[3]。

随着浮标功能的扩大，其用电需求也在同步增加，用电量与发电量之间的差距越来越大，传统供电方式已难以满足浮标发展。例如，电控系统在特殊海况下加密工作的日耗电量相当于正常的三倍，综合估算年耗电量至少相当于无加密工作14 个月[9]。光伏发电系统受天气和环境影响较大，阴雨天气或者冬日光照不足都会严重降低光伏板的发电量。海上投放环境下鸟粪的不断累积，对太阳板的污染严重，极大限制了光伏板的发电效率[10-11]。

以直径10 m 通用型的圆盘形锚系资料浮标（如图2）为例，对大型浮标的能耗进行估算，其搭载的基本水文气象传感器每10 min 采集、传送一次信息，在无任何外界能源供给的情况下，累计每天的能耗为395.92 W·h，若配备14 V 500 A·h 蓄电池组只能满足系统15 天的无故障运行[7]。

图2 典型圆盘形浮标系统结构Fig.2 Structure of typical disc-shaped buoy system

2.2 国内外波浪能供电浮标的研究现状

波浪能供电浮标作为海洋观测技术的新兴领域，受到世界各国重视。incoPat 专利数据库统计的波浪能供电浮标专利数据显示，美国最先开始波浪能海洋浮标专利的申请，至今美国、韩国、中国共申请8 件，其中美国、韩国各3 件，中国2 件。早在1982 年，美国就申请了“波浪能供电浮标装置”（wave powered buoy generator）专利[12]。

波浪能作为新型能源研究领域中的热点，分布广泛，全天候产生，是清洁可再生的高品位能源。波浪能发电最基本的原理是通过波浪的运动带动能量转换系统，将波浪能赋能于转换介质的机械运动再带动发电机发电[13]。

波浪能装置大多由两到三级能量转换机构组成，目前适合供电大型海洋浮标且具有高经济性的波浪能装置，以一级能量转换机构区分大致有三类：①振荡浮子式。利用吸波浮体在波浪作用下的垂荡或纵摇等运动，将波浪能转换为浮体的机械能；②振荡水柱式。利用有限封闭空间内波浪的挤压，将波浪能转换为空气或其他流体的动能等；③摆式。利用波浪推动摆板绕轴摆动，将波浪能转换成摆轴的动能[14-15]。从已申请的波浪能浮标专利来看，振荡浮子式占62.5%、振荡水柱式占25%、摆式等占12.5%。三者中，振荡浮子式和振荡水柱式波浪能俘获技术更适合于波浪能提供能源的浮标。

以能量转换技术区分的波浪能装置有三类：①永磁直线发电机[16-17]。例如一件由大连海事大学申请的波浪能浮标专利（如图3），原理是在直线发电装置侧壁缠绕切割线圈，内置永磁体与上壁弹簧连接，通过波浪中线圈与永磁体的上下位移，切割磁感应线以产生电压。但是永磁直线发电机对标体防水性要求高，线圈极易被海水腐蚀，容易损坏。②空气透平装置[18-19]。如广东海事局与中国科学院广州能源研究所合作研发的振荡水柱技术“BD102G”型航标灯用波浪能发电装置（如图4），利用标体通道内的水柱随波浪上下振荡，挤压空气带动叶轮转动，进而驱动发电机发电，由于工作稳定且装机功率较小，可以为航标灯供电[20]。③液压系统。例如中国科学院广州能源研究所研制的鹰式波浪能系列装置，设计了一套由液压缸、蓄能器、液压自制控制系统、液压马达、发电机等组成的液压系统，利用液压马达驱动发电机发电，该系列装置发电量大，适合搭载大功率电子仪器[21]。永磁直线发电机采用两级能量转换机构发电，空气透平装置、液压系统则采用三级能量转换机构。

中国科学院广州能源研究所研发的鹰式系列装置，利用鹰嘴形振荡浮子吸收波浪能，再经过蓄能稳压后转换为电能，装置采用半潜式结构，整体具有良好的稳定性和较高的效率，除用来为海岛供电外，其强大的供电和搭载能力可以作为大型海上观测基站使用，是另一种形式的大型波浪能浮标，如100 kW 鹰式装置“万山号”（如图5）搭载了气象观测、海上视频监控、卫星传输天线，可实时传输海上观测数据和视频[22-23]。

图3 搭载永磁直线发电机的海洋波浪能浮标[17]Fig.3 Ocean Wave energy buoy with permanent magnet linear generator[17]

图4 中国BD-102G 型波浪能发电装置[20]Fig.4 Type BD-102G WEC for pharos in China[20]

图5 鹰式装置“万山号”[22]Fig.5 Marine moveable energy platform “WanShan” in China[22]

3 波浪能海洋浮标发展趋势

3.1 波浪能浮标的适应海域

波浪能主要以风浪或者涌浪的形式出现[24]。由于波浪能资源的区域性、季节性差异较大，全球范围内以西风带开阔海域由西向东最为丰富，科学家利用国际第三代海浪数值模式WAVEWATCH-III，对全球大部分海域的波浪能资源进行了精确和详细的估算[25-26]。其中年均功率大于20 kW/m 的海域如表1 所示。

中国海域波浪能资源相对欧洲海域偏弱[27-28]。大部分海域单位面积波浪能年总储量在2×104kW·h/m以上，其中以南海北部海域为波浪能高值中心，该海域常年储量在8×104～1.6×105kW·h/m 以内，年均能流密度在8 kW/m 以上；南海北部、台湾岛以东洋面等处为我国波浪能资源优势海域，有利于波浪能的采集，适合波浪能资源开发[26]。

鉴于我国波浪能资源总体较弱的特点，我国应致力于开发转换效率高、发电性能稳定的海洋波浪能浮标。

表1 年平均海浪功率大于20 kW/m 的地区[25]Table 1 Regions with annual median wave power greater than 20 kW/m from wind waves or swell[25]

3.2 波浪能浮标的发展趋势及应用前景

直接将监测水域的波浪能转换成电能，为浮标搭载的用电仪器提供能源，将会大幅降低浮标的维护成本，拓展浮标应用环境的多样性，对环境保护领域也有着极其重要的意义，是研发新型高效、低成本海洋浮标的新思路[13]。

海洋浮标相对于大型波浪能装置或其他海上设施，体积小，用电量少，海洋中有足够的波浪能供其提取，几乎所有海域都可布放波浪能供电浮标，因此发展波浪能技术为海洋浮标供电是解决海洋浮标供电难题的有效途径。

目前各国已有的波浪能海洋浮标普遍存在体积较小、结构简单且供电功率低等缺点，导致生存能力差、搭载能力弱，极大地限制了浮标的可靠性和应用范围。提高新型波浪能海洋浮标的发电量和生存能力，增加电子设备的集成度成为必然趋势。结合实海况下较为适宜的几种能源补给方式，未来大型海洋资料浮标的供电系统将会向着波浪、风、光和蓄电池等多种能源耦合供电的理念发展。