海洋波浪能浮標(biāo)發(fā)展現(xiàn)狀及前景*

吳明東，盛松偉，張亞群，吝紅軍，姜家強(qiáng)

（1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；5.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引 言

自20 世紀(jì)20 年代起，浮標(biāo)作為一種助航標(biāo)志開(kāi)始搭載環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器，在全球防災(zāi)減災(zāi)、經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)、科學(xué)研究、維護(hù)主權(quán)等方面起到不可或缺的作用，稱(chēng)為資料浮標(biāo)、多功能浮標(biāo)或智能浮標(biāo)。浮標(biāo)結(jié)合雷達(dá)、船舶、衛(wèi)星和岸基監(jiān)測(cè)站可構(gòu)成高效率、立體化、全覆蓋的海洋信息監(jiān)測(cè)網(wǎng)[1]。美國(guó)國(guó)家資料浮標(biāo)中心（National Data Bouy Center）共建成106個(gè)錨系資料浮標(biāo)和1 100 多個(gè)合作監(jiān)測(cè)站，每小時(shí)通過(guò)浮標(biāo)和站點(diǎn)收集、傳送觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)；由世界氣象組織和聯(lián)合國(guó)教科文組織聯(lián)合成立的資料浮標(biāo)合作組（Drifting Buoy Cooperation Panel），協(xié)調(diào)超過(guò)400個(gè)錨系浮標(biāo)和1 250 個(gè)漂流浮標(biāo)組成的網(wǎng)絡(luò)部署[2]。

隨著各國(guó)逐漸重視海洋開(kāi)發(fā)，海洋觀(guān)測(cè)浮標(biāo)得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。據(jù)incoPat 專(zhuān)利檢索數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021 年1 月，全球近10 年共申請(qǐng)31 項(xiàng)海洋觀(guān)測(cè)浮標(biāo)專(zhuān)利，韓國(guó)數(shù)量最多，中國(guó)和日本其次，主要集中在電子系統(tǒng)、系泊技術(shù)、標(biāo)體防護(hù)三個(gè)領(lǐng)域。

大規(guī)模投放海洋浮標(biāo)，需要具備經(jīng)濟(jì)且高效的供電系統(tǒng)，隨著海洋可再生能源技術(shù)的快速發(fā)展，利用波浪能為海上浮標(biāo)供電正在成為現(xiàn)實(shí)。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外供電浮標(biāo)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié)，以期為波浪能海洋浮標(biāo)的研發(fā)提供參考和建議。

1 浮標(biāo)分類(lèi)

浮標(biāo)沿用至今，種類(lèi)繁多，可根據(jù)其結(jié)構(gòu)、功能和能量來(lái)源的不同進(jìn)行區(qū)分[3]。

1.1 浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)

浮標(biāo)主要由浮標(biāo)主體、供電、錨系、電控系統(tǒng)組成，可根據(jù)標(biāo)體形狀、錨系方式、尺寸等差異區(qū)分。

按照浮標(biāo)主體形狀，分為圓盤(pán)形、圓柱形、球形、船形浮標(biāo)（如圖1）。圓盤(pán)形浮標(biāo)因體型特點(diǎn)適合投放多種海域，用途廣泛；圓柱形浮標(biāo)吃水較深，一般用于潛入式海洋剖面觀(guān)測(cè)；球形浮標(biāo)具有良好的隨波性，常用于水面波浪參數(shù)的觀(guān)測(cè)；船形浮標(biāo)吃水較淺，適合進(jìn)行內(nèi)陸河流或近海水面風(fēng)場(chǎng)剖面觀(guān)測(cè)[4]。

圖1 浮標(biāo)的外形[2,4-5]Fig.1 Shapes of buoy[2,4-5]

按照浮標(biāo)系泊方式，可分為錨系和漂流浮標(biāo)。由于錨系可以限定浮標(biāo)的位移范圍，提高浮標(biāo)的生存性能，通常擔(dān)任固定式、回收式監(jiān)測(cè)任務(wù)。如遇監(jiān)測(cè)范圍不固定，或者回收價(jià)值較小，則采用漂流浮標(biāo)擔(dān)任運(yùn)動(dòng)式或者拋棄式監(jiān)測(cè)任務(wù)。

按照浮標(biāo)直徑尺寸，通常分為大、中、小型浮標(biāo)，具體劃分范圍為大于10 m、3～10 m 和小于3 m。通常浮標(biāo)尺寸越大，生存能力越強(qiáng)。

在外形眾多的海洋浮標(biāo)中，圓盤(pán)形、球形和船形浮標(biāo)的工作位面與波浪能主要分布位面重合，比較適合利用波浪能供電。其中大、中型圓盤(pán)形錨系海洋浮標(biāo)具備足夠的設(shè)備空間、儲(chǔ)備浮力、抗風(fēng)浪能力，更適合用于深遠(yuǎn)海作業(yè)[3]。

1.2 浮標(biāo)的功能

按照觀(guān)測(cè)功能的不同，浮標(biāo)可分為通用型和專(zhuān)用型。通用型浮標(biāo)各類(lèi)電子設(shè)備集成度高、觀(guān)測(cè)參數(shù)全面，專(zhuān)用型浮標(biāo)作業(yè)海況針對(duì)性強(qiáng)、觀(guān)測(cè)參數(shù)單一。兩種浮標(biāo)的互補(bǔ)投放，可高效填補(bǔ)不同海況下的數(shù)據(jù)空白。

通用型浮標(biāo)憑借高度集成的電子設(shè)備，可全天候、連續(xù)、自動(dòng)觀(guān)測(cè)多位面數(shù)據(jù)，如波高、波周期、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、水溫、流速、流向等水面水文氣象數(shù)據(jù)，溶解氧、營(yíng)養(yǎng)鹽、葉綠素等水下環(huán)保數(shù)據(jù)，或超聲波深水探測(cè)數(shù)據(jù)。目前，以FZF4-1型智能浮標(biāo)為代表的國(guó)產(chǎn)通用型浮標(biāo)觀(guān)測(cè)技術(shù)總體已達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平[4]。

專(zhuān)用型浮標(biāo)在極端環(huán)境下可針對(duì)性探測(cè)以上數(shù)據(jù)。相對(duì)于傳統(tǒng)海洋科技強(qiáng)國(guó)，我國(guó)專(zhuān)用型浮標(biāo)長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口，目前種類(lèi)稀缺、規(guī)模較小。截至2018年8 月，國(guó)際Argo 計(jì)劃在全球范圍布放的專(zhuān)用型浮標(biāo)數(shù)量已達(dá)3 591 個(gè)，而中國(guó)的自主研發(fā)型號(hào)僅HM 2000 型剖面浮標(biāo)（圖1b）一種共10 臺(tái)[5-6]。

1.3 浮標(biāo)的能源

隨著浮標(biāo)功能的拓展，搭載的電子設(shè)備數(shù)量逐漸增多，浮標(biāo)的體積和用電量也在增加。為保障海洋浮標(biāo)正常運(yùn)行，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能蓄電池系統(tǒng)需要混合諸如波浪能、微生物燃料甚至風(fēng)能等其他能量來(lái)源。近年來(lái)眾多國(guó)外科研力量都在結(jié)合不同領(lǐng)域探索新型浮標(biāo)供電技術(shù)，以延長(zhǎng)供電系統(tǒng)的使用壽命和提升充放電效率。

在美國(guó)海軍的水下觀(guān)測(cè)系統(tǒng) AN/SSQ-101 計(jì)劃中，波浪能被用來(lái)取代電池進(jìn)行持續(xù)供電，提高海洋資料觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的續(xù)航能力[7]。美國(guó)海軍的科學(xué)家嘗試?yán)玫讞⑸锶剂想姵兀╞enthic microbial fuel cell,BMFC）為低能耗氣象浮標(biāo)提供持續(xù)電能[8]。加拿大AXYS 公司的WindSentinel 浮標(biāo)則創(chuàng)新采用了一套太陽(yáng)能、蓄電池和風(fēng)能發(fā)電機(jī)混合的能源補(bǔ)給系統(tǒng)[4]。

相比之下，我國(guó)自1990 年首次采用太陽(yáng)能蓄電池系統(tǒng)研發(fā)FZF2-1 型浮標(biāo)以來(lái)，利用海洋可再生能源為浮標(biāo)供電的技術(shù)研發(fā)進(jìn)展緩慢[3]。

2 波浪能供電的海洋浮標(biāo)現(xiàn)狀

2.1 海洋浮標(biāo)的供電現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能與蓄電池混合供電系統(tǒng)已越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足常態(tài)化、多樣化的監(jiān)測(cè)任務(wù)，供電問(wèn)題限制了浮標(biāo)的功能應(yīng)用[4]。此外，由于深遠(yuǎn)海域遠(yuǎn)離岸邊，每隔幾個(gè)月需要?jiǎng)佑么缓蜐撍b備更換蓄電池、維護(hù)光伏發(fā)電系統(tǒng)，導(dǎo)致海洋浮標(biāo)的維護(hù)成本居高不下。

大型海洋浮標(biāo)的能耗設(shè)備主要包括航標(biāo)燈、傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通信系統(tǒng)和各類(lèi)特殊儀器設(shè)備。常規(guī)傳感器主要包括氣溫計(jì)、氣壓計(jì)、濕度計(jì)、風(fēng)速計(jì)、波浪傳感器、海流計(jì)等，可以探測(cè)氣象水文信息。數(shù)據(jù)采集器由各類(lèi)傳感器接口和功能模塊組成，按照一定時(shí)序完成信息數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸和控制等，是浮標(biāo)的數(shù)據(jù)處理和控制中樞；通信系統(tǒng)主要采用無(wú)線(xiàn)信號(hào)將觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給陸上或衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收端[3]。

隨著浮標(biāo)功能的擴(kuò)大，其用電需求也在同步增加，用電量與發(fā)電量之間的差距越來(lái)越大，傳統(tǒng)供電方式已難以滿(mǎn)足浮標(biāo)發(fā)展。例如，電控系統(tǒng)在特殊海況下加密工作的日耗電量相當(dāng)于正常的三倍，綜合估算年耗電量至少相當(dāng)于無(wú)加密工作14 個(gè)月[9]。光伏發(fā)電系統(tǒng)受天氣和環(huán)境影響較大，陰雨天氣或者冬日光照不足都會(huì)嚴(yán)重降低光伏板的發(fā)電量。海上投放環(huán)境下鳥(niǎo)糞的不斷累積，對(duì)太陽(yáng)板的污染嚴(yán)重，極大限制了光伏板的發(fā)電效率[10-11]。

以直徑10 m 通用型的圓盤(pán)形錨系資料浮標(biāo)（如圖2）為例，對(duì)大型浮標(biāo)的能耗進(jìn)行估算，其搭載的基本水文氣象傳感器每10 min 采集、傳送一次信息，在無(wú)任何外界能源供給的情況下，累計(jì)每天的能耗為395.92 W·h，若配備14 V 500 A·h 蓄電池組只能滿(mǎn)足系統(tǒng)15 天的無(wú)故障運(yùn)行[7]。

圖2 典型圓盤(pán)形浮標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of typical disc-shaped buoy system

2.2 國(guó)內(nèi)外波浪能供電浮標(biāo)的研究現(xiàn)狀

波浪能供電浮標(biāo)作為海洋觀(guān)測(cè)技術(shù)的新興領(lǐng)域，受到世界各國(guó)重視。incoPat 專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)的波浪能供電浮標(biāo)專(zhuān)利數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)最先開(kāi)始波浪能海洋浮標(biāo)專(zhuān)利的申請(qǐng)，至今美國(guó)、韓國(guó)、中國(guó)共申請(qǐng)8 件，其中美國(guó)、韓國(guó)各3 件，中國(guó)2 件。早在1982 年，美國(guó)就申請(qǐng)了“波浪能供電浮標(biāo)裝置”（wave powered buoy generator）專(zhuān)利[12]。

波浪能作為新型能源研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)，分布廣泛，全天候產(chǎn)生，是清潔可再生的高品位能源。波浪能發(fā)電最基本的原理是通過(guò)波浪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將波浪能賦能于轉(zhuǎn)換介質(zhì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[13]。

波浪能裝置大多由兩到三級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)組成，目前適合供電大型海洋浮標(biāo)且具有高經(jīng)濟(jì)性的波浪能裝置，以一級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)區(qū)分大致有三類(lèi)：①振蕩浮子式。利用吸波浮體在波浪作用下的垂蕩或縱搖等運(yùn)動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換為浮體的機(jī)械能；②振蕩水柱式。利用有限封閉空間內(nèi)波浪的擠壓，將波浪能轉(zhuǎn)換為空氣或其他流體的動(dòng)能等；③擺式。利用波浪推動(dòng)擺板繞軸擺動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換成擺軸的動(dòng)能[14-15]。從已申請(qǐng)的波浪能浮標(biāo)專(zhuān)利來(lái)看，振蕩浮子式占62.5%、振蕩水柱式占25%、擺式等占12.5%。三者中，振蕩浮子式和振蕩水柱式波浪能俘獲技術(shù)更適合于波浪能提供能源的浮標(biāo)。

以能量轉(zhuǎn)換技術(shù)區(qū)分的波浪能裝置有三類(lèi)：①永磁直線(xiàn)發(fā)電機(jī)[16-17]。例如一件由大連海事大學(xué)申請(qǐng)的波浪能浮標(biāo)專(zhuān)利（如圖3），原理是在直線(xiàn)發(fā)電裝置側(cè)壁纏繞切割線(xiàn)圈，內(nèi)置永磁體與上壁彈簧連接，通過(guò)波浪中線(xiàn)圈與永磁體的上下位移，切割磁感應(yīng)線(xiàn)以產(chǎn)生電壓。但是永磁直線(xiàn)發(fā)電機(jī)對(duì)標(biāo)體防水性要求高，線(xiàn)圈極易被海水腐蝕，容易損壞。②空氣透平裝置[18-19]。如廣東海事局與中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所合作研發(fā)的振蕩水柱技術(shù)“BD102G”型航標(biāo)燈用波浪能發(fā)電裝置（如圖4），利用標(biāo)體通道內(nèi)的水柱隨波浪上下振蕩，擠壓空氣帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，由于工作穩(wěn)定且裝機(jī)功率較小，可以為航標(biāo)燈供電[20]。③液壓系統(tǒng)。例如中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所研制的鷹式波浪能系列裝置，設(shè)計(jì)了一套由液壓缸、蓄能器、液壓自制控制系統(tǒng)、液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)等組成的液壓系統(tǒng)，利用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，該系列裝置發(fā)電量大，適合搭載大功率電子儀器[21]。永磁直線(xiàn)發(fā)電機(jī)采用兩級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)發(fā)電，空氣透平裝置、液壓系統(tǒng)則采用三級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。

中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所研發(fā)的鷹式系列裝置，利用鷹嘴形振蕩浮子吸收波浪能，再經(jīng)過(guò)蓄能穩(wěn)壓后轉(zhuǎn)換為電能，裝置采用半潛式結(jié)構(gòu)，整體具有良好的穩(wěn)定性和較高的效率，除用來(lái)為海島供電外，其強(qiáng)大的供電和搭載能力可以作為大型海上觀(guān)測(cè)基站使用，是另一種形式的大型波浪能浮標(biāo)，如100 kW 鷹式裝置“萬(wàn)山號(hào)”（如圖5）搭載了氣象觀(guān)測(cè)、海上視頻監(jiān)控、衛(wèi)星傳輸天線(xiàn)，可實(shí)時(shí)傳輸海上觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和視頻[22-23]。

圖3 搭載永磁直線(xiàn)發(fā)電機(jī)的海洋波浪能浮標(biāo)[17]Fig.3 Ocean Wave energy buoy with permanent magnet linear generator[17]

圖4 中國(guó)BD-102G 型波浪能發(fā)電裝置[20]Fig.4 Type BD-102G WEC for pharos in China[20]

圖5 鷹式裝置“萬(wàn)山號(hào)”[22]Fig.5 Marine moveable energy platform “WanShan” in China[22]

3 波浪能海洋浮標(biāo)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 波浪能浮標(biāo)的適應(yīng)海域

波浪能主要以風(fēng)浪或者涌浪的形式出現(xiàn)[24]。由于波浪能資源的區(qū)域性、季節(jié)性差異較大，全球范圍內(nèi)以西風(fēng)帶開(kāi)闊海域由西向東最為豐富，科學(xué)家利用國(guó)際第三代海浪數(shù)值模式WAVEWATCH-III，對(duì)全球大部分海域的波浪能資源進(jìn)行了精確和詳細(xì)的估算[25-26]。其中年均功率大于20 kW/m 的海域如表1 所示。

中國(guó)海域波浪能資源相對(duì)歐洲海域偏弱[27-28]。大部分海域單位面積波浪能年總儲(chǔ)量在2×104kW·h/m以上，其中以南海北部海域?yàn)椴ɡ四芨咧抵行?，該海域常年?chǔ)量在8×104～1.6×105kW·h/m 以?xún)?nèi)，年均能流密度在8 kW/m 以上；南海北部、臺(tái)灣島以東洋面等處為我國(guó)波浪能資源優(yōu)勢(shì)海域，有利于波浪能的采集，適合波浪能資源開(kāi)發(fā)[26]。

鑒于我國(guó)波浪能資源總體較弱的特點(diǎn)，我國(guó)應(yīng)致力于開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)電性能穩(wěn)定的海洋波浪能浮標(biāo)。

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

3.2 波浪能浮標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景

直接將監(jiān)測(cè)水域的波浪能轉(zhuǎn)換成電能，為浮標(biāo)搭載的用電儀器提供能源，將會(huì)大幅降低浮標(biāo)的維護(hù)成本，拓展浮標(biāo)應(yīng)用環(huán)境的多樣性，對(duì)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域也有著極其重要的意義，是研發(fā)新型高效、低成本海洋浮標(biāo)的新思路[13]。

海洋浮標(biāo)相對(duì)于大型波浪能裝置或其他海上設(shè)施，體積小，用電量少，海洋中有足夠的波浪能供其提取，幾乎所有海域都可布放波浪能供電浮標(biāo)，因此發(fā)展波浪能技術(shù)為海洋浮標(biāo)供電是解決海洋浮標(biāo)供電難題的有效途徑。

目前各國(guó)已有的波浪能海洋浮標(biāo)普遍存在體積較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且供電功率低等缺點(diǎn)，導(dǎo)致生存能力差、搭載能力弱，極大地限制了浮標(biāo)的可靠性和應(yīng)用范圍。提高新型波浪能海洋浮標(biāo)的發(fā)電量和生存能力，增加電子設(shè)備的集成度成為必然趨勢(shì)。結(jié)合實(shí)海況下較為適宜的幾種能源補(bǔ)給方式，未來(lái)大型海洋資料浮標(biāo)的供電系統(tǒng)將會(huì)向著波浪、風(fēng)、光和蓄電池等多種能源耦合供電的理念發(fā)展。

4 結(jié) 論

（1）我國(guó)擁有廣袤的海洋領(lǐng)土，觀(guān)測(cè)海洋、認(rèn)識(shí)海洋對(duì)海洋開(kāi)發(fā)活動(dòng)意義重大，但海洋觀(guān)測(cè)浮標(biāo)因能源供給問(wèn)題無(wú)法批量化、多功能、大功率應(yīng)用，海洋觀(guān)測(cè)浮標(biāo)亟待海上供電技術(shù)支持，海洋中取之不盡、用之不竭的波浪能為海洋浮標(biāo)的能源供給提供了資源基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)波浪能原位供電浮標(biāo)，對(duì)發(fā)展海洋觀(guān)測(cè)事業(yè)意義重大。

（2）目前，波浪能浮標(biāo)技術(shù)發(fā)展緩慢，還沒(méi)有較大功率（千瓦級(jí)）可長(zhǎng)期運(yùn)行的樣機(jī)或裝備，因海上環(huán)境惡劣，波浪能資源季節(jié)性變化比較大，因此波浪能觀(guān)測(cè)浮標(biāo)技術(shù)發(fā)展一方面應(yīng)著重解決環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、極端海況的生存能力和壽命等問(wèn)題，另一方面應(yīng)開(kāi)展多能互補(bǔ)系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)海上可再生能源綜合利用，穩(wěn)定供電。

（3）在目標(biāo)海域分布多個(gè)波浪能原位供電浮標(biāo)并搭載海洋監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行高密度實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)，利用大型海洋平臺(tái)作為海洋浮標(biāo)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和通信基站，實(shí)現(xiàn)海上監(jiān)測(cè)與陸上控制中心的大寬帶數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，有望形成海陸空一體化長(zhǎng)效智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。開(kāi)展波浪能浮標(biāo)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)海洋高密度長(zhǎng)效觀(guān)測(cè)的有效手段。