0 引言
我国为海洋大国，拥有3.2万公里海岸线，300多万平方公里的海洋国土为海权防护提供重要的战略纵深。海岛是人员居住、船只靠泊、应急救援等重要支撑，是我国边防的主要基地和国防安全的防护壁垒。
能源是主战场，电力是主力军。随着海岛建设的逐步深入，越来越多的大型基础设施和工程装备的应用，能源和电力供给难题日益凸显。而海岛蕴含丰富的、可直接利用的波浪能资源，可实现就地取能、就地使用，对早日实现“双碳目标”，有效促进海洋经济的可持续发展，推进我国海洋强国的战略具有积极的意义和作用。
波浪能发电装置一般要经过三级能量转换，其中一级能量转换是把捕获机构捕获的波浪能转换为装置传动系统的能量，二级能量转换是把传动系统的能量转换为发电机所需的能量，三级能量转换是通过发电机发出电能[1]。
本文首先总结国内外新形式的波浪能发电技术，从新的结构形式、新的储能形式、新的布放形式三个方面具体阐述，然后介绍波浪能发电技术在海岛的应用情况，最后基于前文的讨论探索波浪能发电技术未来的发展方向。
1 新形式波浪能发电技术
经过一代又一代科研人员的研究，波浪能发电技术得到快速发展，出现了大量成熟的波浪能发电装置。随着科技的不断进步，波浪能利用方向技术逐渐与其他学科方向技术实现了交叉融合，涌现出波浪能发电技术新的研究方向，主要包括波浪能发电装置新的结构形式、波浪能发电技术新的储能形式、波浪能发电装置新的布放形式。
1.1 波浪能发电装置新结构形式
波能利用技术按照其工作原理可大致划分为振荡水柱、摆式、筏式、收缩波道式、越浪式、振荡浮子式等形式。按照安装地点，分为离岸式和岸式。按照安装方式，分为漂浮式和坐底式。
目前主流的波浪能发电装置为离岸漂浮式，在海洋中难免会遇到极端恶劣天气，装置极有可能因此受到损坏，因此部分科研人员开始研究船载波浪能发电装置[2]。船载波浪能发电装置能够实现遇到恶劣天气时航行到岸边安全区域。此外，将波浪能发电装置应用于船舶上，可以有效减少船舶航行时对燃料的依赖，增加续航里程，减少碳排放，达到船舶节能减排的目的，实现绿色航运。我国是航运大国，船舶数量众多，波浪能发电技术在船舶上的应用具有广阔的前景。
2011年，美国波士顿大学研究员安德雷·夏伦等制造了拥有自航能力的波浪能发电船，可以驶回港口躲避极端海况。装置锚泊时利用波浪能发电并储存在蓄电池中，船舶航行时可将装置浮体部分收起，并不会增加船舶航行阻力[3]。
2017年，SEN′KOV等[5]设计了一种安装在双体驳船中的波浪发电装置，该装置通过缆索和摆锤将船体吸收的波浪能转换为机械轴的旋转能，最后转化为电能。
2020年，LI等[6]在货船上设置质量块，利用质量块的惯性在货船发生横摇运动时，驱动发电机组运转，以此实现波浪发电的功能。
2023年，温瑞峒等[7]设计了波浪能发电三体船，当船只在波浪的激励作用下，中间主体船只与两侧船只发生相对运动，推动发电装置发电，进而为三体船进行能源补充。
船载波浪能发电装置使用波浪能持续提供能源，能够解决航行中燃料不足，该技术与无人船相结合发展潜力巨大，但是这种波浪能装置新结构形式也存在能量转换效率不高的问题，需要在提高装置转换效率方面进一步探索。
1.2 波浪能发电装置新储能形式
由于波浪发出的电力不稳定，无法直接供用户使用。为了消除波浪的随机性，储能在波浪能发电装置和用户之间起到了调节及平衡的作用。目前采用的直接储能方式仅包含蓄电池、飞轮、超级电容，类型少、储能量小。为了解决这一问题，有学者提出了采用氢气的形式进行储能，由于氢能具有热值高、清洁无污染且适于大容量、长时间存储的特性，产生的氢气低温储存在海底也较为方便[8]。
2020年，YAVUZ等[9]提出了一种波浪能与氢能结合的技术方案。所提出的系统模型由波浪能转换系统、制氢系统和储氢系统三个主要模块组成，波浪能转换系统与海浪相互作用，将海浪的能量转化为电能，驱动制氢系统得到氢气。生成的氢气随后被转移到储氢系统进行压缩、冷却和储存。在MATLAB软件中的Simulink模块进行仿真，通过模拟有义波高为2 m、谱峰周期为8.53 s的波浪情况下，1 200 s可以产生623.9 kg氢气。
2023年，CHANG等[11]提出了一种波浪能发电通过电−氢混合储能系统动态最优控制的研究方法。该系统由电池、超级电容器和碱性电解槽共同作用，电池和超级电容器分别承担不同能量密度和功率密度的电能，储氢系统与电池相辅相成，为制氢提供稳定可控的动力，提高安全性。
氢气储能技术具有良好的稳定性，可以实现大容量、长时间的储存，也能实现长距离运输，储氢系统与波浪能发电装置相结合可以实现能量的有效调控，但是该技术需要对储存的氢能进行定期收集，而如何回收氢能值得进一步研究。
1.3 波浪能发电装置新布放形式
单个波浪能发电装置单机容量小，发电成本高，无法满足大规模商业化发电要求。而阵列化布置可使装置全方位、连续均匀吸收各种海况下的波浪能，实现大规模连续稳定的电能输出和高效的能量转换，在提高电能转换效率的同时极大降低发电成本。波浪能发电装置阵列化是波浪能利用技术未来的发展趋势[12]。
由于技术成熟度和投资成本的限制，阵列式布置的波浪能发电装置在国内外的发展缓慢。主流方向是阵列浮子式波浪能发电平台。该类型的波浪能发电平台在占用固定的海域面积时，可显著增大发电机的装机容量。
丹麦Wave Star电力公司的“WaveStar”波浪能发电装置（图4）采用多浮子结构，浮子的安装位置各不相同，在一定程度上能够实现峰谷互补。2010年在丹麦的Hanstholm湾进行了1∶2比尺的海况实验。目前，该装置正在进行1∶1样机的能量转换系统研究。
波浪能发电装置阵列化可以实现全方位、连续吸收波浪能，且大规模连续稳定输出电能，但是制约阵列化发展的是技术成熟度和投资成本。
2 波浪能发电技术在海岛上的应用
利用海岛周围的绿色可再生能源解决海岛电力供应，是目前世界各海洋大国大力推进的实现“双碳”目标的有效措施，也符合环境可持续发展的能源战略部署。
目前，已出现了多种以绿色可再生能源为能源动力的海岛供电方案，包含了海洋中所特有的依附于海水的可再生能源，主要包括潮流能、波浪能、潮汐能、海上风能、海上太阳能以及海洋生物质能。由于海洋可再生能源具有不稳定性和分散性的特点，单一的海洋能发电装置存在着投资大、规模小、获益能力低以及输出功率不稳定等缺陷。各种海洋可再生能源的分布具有明显的季节性及空间特性，各能源之间差异性和互补性并存。因此，采用海洋可再生能源互补的方案为海岛供电，是解决海岛电力问题最行之有效的举措，有望实现降低电力成本、提高经济效益、保证海岛供电的稳定性和长效性。
在国家大力支特和社会的关注下，建设了许多海岛供电系统示范工程，含有波浪能的海洋可再生能源互补方案有“波−光−柴−储”、“波−风−光”、“波−风−光−生”三种类型。
（1）“波−光−柴−储”多能互补电站。三沙市永兴岛位于我国南海海域，该岛屿附近海域波能资源丰富[20]，且夏季出现了一段无台风、风浪小的时间窗口，适合海洋装备的施工、安装和测试。综合条件显示，该岛屿非常适合使用波浪能发电装置进行电力补充。2018年，中国科学院广州能源研究所研发的“先导一号”波浪能发电装置布放至永兴岛海域。该装置装机容量260 kW，其中波浪能200 kW，太阳能60 kW，配置柴油机，以蓄电池为储能系统。为了阻隔不稳定的波浪能对电网的冲击破坏，“先导一号”波浪能发电装置采用蓄能发电技术，通过调度控制策略，成功并入永兴岛海岛10 kV微电网。这一举措标志着我国波浪能发电技术首次实现为远海岛礁供电[21-22]。
（3）“波−风−光−生”多能互补电站。浙江嵊山岛“波−风−光−生”多能互补电站由300 kW波浪能发电装置、150 kW风力发电装置、25 kW太阳能热发电装置和100 kW生物质能发电装置组成[24]。
3 未来的发展方向
波浪能发电技术经过数年的发展，在技术的可靠性、稳定性、可维护性、可应用性方面均得到极大的提高，但是与示范运行或商业化推广仍存在一定的距离。综合现有的波浪能发电技术及其在海岛上的应用情况，尚可在以下方向得到进一步发展。
3.1 形成系统的理论
波浪能发电技术所涉及的学科众多，所需的专业知识范围广、内容多，各国的科研人员在进行相关研究时，经常从实际需求出发临时选择相近的学科知识加以应用，未能找到完全契合的系统波浪能发电理论。由于缺乏系统的理论，研究人员习惯凭借个人经验在研究过程中进行抉择。然而，这种带有个人主观性的决定，往往会给科研过程带来很大不确定性，如重复研究、延缓科研进度、增加科研成本、加大研究难度等。
统一的支撑理论，形成明确的科研标准，将给科研工作指明未来的研究方向。因此，急需形成一套完备的波浪能发电技术理论，作为波浪能开发利用行业的奠基石，支持其长远发展。
3.2 提高技术成熟度
由于海洋环境恶劣，波浪具有较强的随机性和不稳定性，波浪能发电技术虽然经过多年的研究，仍未成熟。纵观国内外，大部分波浪能发电技术仍然处在基础研究阶段，尚未走出实验室。其根本原因是波浪能发电技术成熟度不足。
波浪能发电技术研发过程中需考虑“三高一低”，即高可靠性、高效性、高稳定性、低成本。按照波浪能发电装置的能量转换过程进行分析：①波浪能俘获系统需实现高效俘获、高效转换的能力。要达到这个目标，俘获系统设计时需考虑拟投放海域的波浪资源特点，系统结构简洁，运动转换部件少。②能量转换系统需实现高效转换、高稳定性。能量转换系统是装置将俘获的波浪能转换为所需能量的重要环节，该系统首先做到稳定可靠，然后实现无人值守，自治控制。③发电系统需实现高可靠性。常用的发电机为工业产品，其可靠性和高效性已有保障。但波浪能发电装置所处海洋环境恶劣，极易损坏发电机内部的电子元器件。研发适合海上高温、高盐、高腐蚀的电气产品，才能实现波浪能发电系统的高可靠性。
综上，波浪能发电装置的高可靠性、高效性、高稳定性可大幅度缩短建造工期及减少运维频次，实现波浪能发电装置的低成本。
3.3 拓宽技术应用领域
近年来，随着各国对绿色可再生能源的逐步重视，波浪能发电技术的应用范围也有所拓展，如波浪能发电技术被用于为海岛供电、为养殖网箱及设备供电、为海洋观测仪器供电、制造淡水等，所涉及的领域及行业已远远超过10年前。但是，由于成熟度不足，发电成本居高不下，海洋环境特殊性，波浪能发电技术应用场景局限性极大。发展海洋、走向深远海、深耕深蓝，能源是保障，电力是主战场。在深远海，波浪能发电技术可拓展其应用行业领域及场景：①海上平台或海上浮岛。以波浪能发电装置基础结构为平台，拓展海上空间资源，提供旅游及居住资源。②海岛紧急能源供应站。以可移动式波浪能发电装置为能源补给船，在战时或紧急情况时，给船只、岛屿、武器装备提供急需的电力或淡水。③海上特殊储备空间站。波浪能发电装置自带能源补给，自带海上空间，可为海洋养殖牧场、海洋矿产开采、海洋空间站等需持续电力维持的场景提供储备空间。
4 结论
波浪能发电技术是解决海上能源供给、促进海洋可持续发展的重要方向。随着技术的进步，科研力量的逐步增强，应用的逐步广泛，波浪能发电技术将在我国广袤的海洋上贡献其力量，展现其重要性。主要结论如下：
（1）近年来，波浪能发电技术取得了新的研究进展，特别是在波浪能发电装置的结构形式、储能形式、布放形式等方面。
（2）技术的进步促进了以波浪发电技术为主的海洋多能互补发电系统，在我国众多海岛上得到推广应用，有效减轻海岛周边环境压力，有力保障海岛居民电力供应，助推海岛经济有序发展。
（3）综合现状，波浪能发电技术未来可在形成技术系统理论、提高技术成熟度、增加技术应用范围等方向进一步发展。
