【中國科學報】海洋中翱翔的「鷹」

2021-01-17 中國科學院

波浪能發電機組「鷹式一號」

　　超強颱風「海燕」肆虐中國南海東南部海面之時，在珠海萬山海域，一艘長12米、寬8米的波浪能發電機組「鷹式一號」備受關注。受「海燕」颱風影響，颱風浪經過裝置擊向岸邊懸崖形成超過10米高的白浪。「鷹式一號」遭遇颱風強浪，究竟能不能經過考驗，繼續正常發電？

　　海洋中挖掘藍色能源

　　波浪能發電是以波浪的能量為動力生產電能。海洋波浪蘊藏著巨大的能量，通過某種裝置可將波浪的能量轉換為機械的、氣壓的或液壓的能量，然後通過傳動機構、氣輪機、水輪機或油壓馬達驅動發電機發電。據《中國海洋可再生能源發展年度報告（2012年）》顯示，我國近海海洋能資源蘊藏量約16.7億千瓦，技術可開發量超6億千瓦。

　　中國科學院廣州能源研究所（以下簡稱廣州能源所）海洋能源研究室於1979年成立，主要從事海洋波浪能研究與開發，是國內較早開展相關研究的單位。

　　海洋能實驗室責任研究員遊亞戈帶領團隊共建成10千瓦漂浮式鴨式波浪能裝置，50千瓦岸式振蕩浮子波浪能獨立發電系統，100千瓦岸式振蕩水柱波浪能電站，105千瓦波浪能、風能、太陽能獨立電力系統，在波浪能轉換效率、發電穩定性、多可再生能源互補發電方面處於世界先進水平。

　　然而，波浪能發電裝置比例樣機投放後，遇大颱風後容易受損。遊亞戈團隊在研製過程中發明了蓄能型系泊技術和下潛避颱風技術。由於裝置在波浪中往復轉動，如同鴨子在上下點頭，故以鴨式命名。100千瓦鴨式裝置採用放氣方法，使鴨頭完全埋入水中，只留鴨背在水面上，可以有效降低波浪的載荷，實現裝置的「自我保護」，從而提高了裝置的抗颱風能力。

　　「2007年，鴨式裝置還只是一個概念裝置，英國人在內陸湖中曾有類似的裝置，幾十個單體穿在長達半公裡的軸上，很難施工，出了毛病很難維修。我們逐步把裝置設計成目前的樣子。」遊亞戈團隊在「鴨式」的基礎上，又研發出優點更多的鷹式裝置。

　　鷹式裝置較之鴨式裝置，更易俘獲波浪能，而且它採用了半潛駁平臺，結構簡單，使得後期維修和運輸方面成本大為降低。鷹式裝置的成功投放和發電，驗證了我國自行研發的波浪能裝置的有效性，同時為降低成本、提高轉換效率、規模化開發利用海洋波浪能奠定了基礎。

　　鷹擊大海

　　「鷹式一號」總重量大概75噸，長12米，寬8米，工作時水上高度1米，其主要由鋼結構件、液壓轉換系統和發配電系統組成。除此之外，岸上還要有配電海底電纜與之相連接的電房。它是一種新型海洋波浪能發電裝置，可將波浪能轉換為電能。該裝置轉換效率高，建造、投放和維護成本低，可實現快速、安全和高效地開發、利用海洋波浪能，並能快速組建海上漂浮式防波堤。

　　據了解，鷹式波浪能轉換技術不同於國內外已有的波浪能轉換技術。與現有波浪能裝置相比，「鷹式一號」具有較多優勢，它能提高發電的可靠性和穩定性，實現小浪況下間斷髮電、大浪況下連續發電，並始終保持高效運行。此外，鷹式裝置在海洋中拖行或航行時，水阻小、穩定性好，可滿足遠距離拖行要求。

　　值得一提的是，「鷹式一號」的投放與回收不再需要動用大型海上工程船舶，當裝置需要回港維修或在海面檢修時，裝置整體上浮露出甲板，方便技術人員對其進行檢修和保養。

　　在從模型試驗到實海況裝置成功發電的過程中，研究團隊遭遇了重重困難。

　　2012年12月28日，在萬山島海域投放「鷹式一號」，經歷刻骨銘心的一刻。

　　早晨6時，技術人員匆匆吃過早餐，投入到最後的準備工作中。雖然預案做得比較充分，但海上的突發狀況還是讓大家經歷了驚魂一刻。在「鷹式一號」從調試地點被拖往投放點的過程中，拖拽裝置的纜繩在波浪的劇烈作用下突然斷裂，裝置瞬間失去了牽引，在海面上肆意漂流。

　　當時，海上風力達7級，幸虧技術人員反應及時，將預先掛好的系泊錨鏈收緊，才保證了「鷹式一號」沒有被大海「搶」走。到達投放點後，按設定程序拋錨，下潛、調浮態、調負載。上午11時，投放工作結束，「鷹式一號」在波浪的推動下即刻成功發電。

　　團隊高級助理盛松偉博士捏了一把汗：「所有參與投放工作的科研人員不但要在實驗室內進行大量的研究，還要克服海上顛簸作業的困難，甚至要忍著暈船、嘔吐等身體不適開展工作。更重要的還有安全問題，海上作業處於動態環境中，常常與大風大浪相伴，稍有不慎就會滑入海裡，或是在船體晃動中與鋼鐵結構相刮碰，後果都是不堪設想的。」

　　不經風雨怎見彩虹

　　萬山諸島遠離大陸，且沒有與大陸電網相連，所以海島供電只能長期依賴柴油發電，發電量小且成本高，同時還容易汙染環境，破壞海島的原生態。供電問題已經成為制約海島經濟發展的重要因素。伴隨著國家大力開發海洋漁業資源，無論是海島開發建設，還是海島居民日常生活，都需要可靠、安全、清潔的能源作為保障。

　　據了解，海島獨立可再生能源電力示範工程已經被列為中科院廣州能源所在「十二五」期間要解決的重大任務，其目標是通過多能互補可再生能源系統的研究和示範，提高獨立可再生能源系統的穩定性，突破可再生能源資源分散及不穩定性的制約，為海島偏遠地區提供穩定的清潔能源供應。

　　「從2009年開始，先後投放4臺1/2比例樣機入海，在這個過程中還不斷針對樣機存在的缺陷進行改進，最終才成功地在大海中安置眼前的這個裝置。大海不同於陸地，同樣功率的機器，在惡劣自然條件下要經過更多的檢驗。」遊亞戈帶領團隊一路走來經歷了多次驚心動魄的時刻。

　　11月10日，受「海燕」颱風影響，波能裝置投放海域波高超過3米。「鷹式一號」裝置遭遇颱風強浪，颱風浪經過裝置擊向岸邊懸崖形成超過10米高的白浪，而裝置依然正常發電。11月11日，萬山海域依舊風大浪大，鷹式裝置浮態正常，平穩工作。

　　「鷹式一號」波能裝置經過此次颱風強浪的考驗，驗證了該裝置結構設計的合理可靠性，也說明了該裝置具有較強的抗颱風能力，同時也為海洋波浪能發電裝置的抗颱風研究提供了珍貴的數據和經驗。

　　（原載於《中國科學報》 2013-11-26 第5版 創新周刊)

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