讓偏遠海島因海洋能而“電量”滿滿

在山東省青島市黃島區瑯琊鎮東部黃海中，有一座僅有0.46平方千米的小島——齋堂島。島上的300余戶人家世代以漁業為生，清晨迎著第一縷陽光出海勞作，晚上在海浪的拍打聲中入眠。2023年11月，這座山清水秀、景色迷人的小島用上了由北方首個海洋能獨立電力系統提供的綠色電力，此前這里的供電全部需要通過電纜長距離輸送。

海洋中蘊藏著哪些能量？科學家怎樣獲取海洋能，又是怎樣讓海洋能發電的？從事海洋能研究三十余年的史宏達教授為我們講述他為偏遠海島送電的故事。

向大海要能源

我國擁有11000余個海島，由于電纜的最大負荷有限、輸送距離較遠、鋪設成本高昂等原因，偏遠海島供電一直以來是世界性難題。2010年，史宏達帶領團隊來到齋堂島，開啟了向海洋要電為海島“送光明”的艱辛征程。

為什么選擇這座小島？史宏達說：“我們需要它為研究人員提供生存空間。齋堂島上有居民居住，我們可以借助從海洋中提取的能源給島上供電。齋堂島具備我國北方最為典型的波浪和潮流能源特點和資源特點，如果能在這里進行清潔能源的利用示范，就意味著我國大部分海域都可以使用。”

地球71%的面積被海水覆蓋。當陣陣海風吹起，站在岸邊，你能看到一排排的海浪此起彼伏，或波濤洶涌，或輕柔綿延。在它們中間，蘊藏著大大的能量，這些能量被稱為波浪能，是海洋可再生能源的一種。海洋可再生能源是個“大家族”，除了波浪能，還有潮流能、潮汐能、溫差能、太陽能等。它們產生于海水中或海面上，可以一直使用不會枯竭；它們來自擁有廣闊胸懷的大海，儲量大、清潔無污染，是藍天白云的“好朋友”。

“如果能夠充分利用，全球的海洋可再生能源完全可以覆蓋目前全人類用電的總和。正因如此，我們要研究它，開發并且想辦法利用它。”不忘我國海浪理論創始人文圣常的愿望——將波浪的能量造福人類，師從著名海洋學家孫孚的史宏達將波浪能作為自己的研究方向，三十余年來圍繞海洋可再生能源利用領域“卡脖子”問題開展關鍵核心技術攻關，致力于讓海洋清潔能源點亮祖國偏遠海島的每一盞燈。

披荊斬棘，攻堅克難

在海邊玩耍嬉戲，既浪漫又美好，但科研人員想要從海洋中獲取能源，困難重重。

向海洋要電，首先要能“抓住”海洋的能量。例如捕捉波浪能的時候，需要有與波浪一起運動的設備，將能量傳遞給后方的裝置。這些裝置放入動態的海水中，要不因外力發生位移。海洋環境并不是每時每刻都對我們很友好，“為了固定這些‘與浪共舞’的能量捕捉裝置，即使采用非常牢固的錨泊系統和恰當的錨泊方式，依然會發生設備被海浪沖走或損壞的‘謎案’，我們不得不安排好隨時能‘上陣’的‘預備隊員’。”史宏達和團隊采用“留一手”的方案解決問題。

“我們想要在海島旁放置一個50米高的海洋能裝置測試平臺。”從外觀來看，這個平臺并不高，實際上它需要扎入海中38米左右。如此高的水深，施工難度非常高。怎么辦呢？尋求幫助！史宏達感慨道：“研究工作不能單打獨斗，需要很多領域的人通力合作，才有可能成功。”最終，在青島海洋工程和港口工程施工企業的幫助下，通過陸地上裝配和一次性吊裝，使這一海洋測試平臺安全且穩定地放置到了指定位置。

“海洋能電站需要通過海底電纜將電輸送到海島上。在海底鋪設電纜非常不容易，需要了解海底的地質情況，熟悉登島后的電纜和登陸點之間的相互作用等。”為此，史宏達和團隊通過技術攻關，制定了非常巧妙的設計方案和施工方案，完善了電纜本身的設計，改進了安裝電纜的過程，使得電纜不僅能夠在海底順利鋪設，還能穿越到平臺的立管中心，成功實現電力傳輸。

開拓創新一直在路上

要說與其他能源有什么不同，那就是海洋能可以直接驅動發電機發電，即變成電能只需要一次能量轉換，所以被稱為“一次能源”。它的優點很明顯，能量損耗少，非常高效；缺點是很不穩定，不知道何時會來一陣風產生波浪能，也不知道下一個波浪有多大、能否發電或者能發多少電。

怎樣讓來自海洋的能量持續穩定發電？史宏達和團隊經過各種嘗試，決定將能量存儲到一定容量后再釋放，這樣就解決了直接轉化時不穩定的問題。怎樣將海洋的能量存儲起來呢？這需要多種虛擬設備和性能設備的“攜手”合作。“我們經過多方研究，決定在齋堂島建一個海洋能多能互補海島電站。” 2012年，史宏達帶領團隊在這里建起了我國北方首座海洋能示范基地；2013年，國內首座海洋能多能互補海島電站投入運行。史宏達說：“這不僅解決了島上居民的部分生活用電，還為當地漁民開展海水養殖提供電能。”

當談及現在齋堂島上的用電是否全部來自電站時，史宏達遺憾地說：“目前海洋能利用尚未達到特別成熟的階段，我們只是建立了一個海島‘微寶’，即獨立電網，當能量足夠時，可以替代電網給小島供電。由于海洋能的輸入并不充分，很多時候小島仍然需要通過原來的電網供電。”

想要增大發電量，需要同時考慮提高發電能力、發電容量和可靠性。“那么大的設備放在海中，首先要保證它能‘生存’，再考慮它能發多少電。”史宏達認為，保證設備的安全、健康，是未來海洋能利用從理念、設計走向應用必不可少的路徑。

近年，史宏達和團隊又有新發現！“我們提出了一種創新的想法，即風浪聯合發電，也就是將一臺風機和一個波浪裝置放在一起。”史宏達對此滿懷信心，他解釋說：“俗話說‘無風不起浪’，風浪聯合可以大大降低利用海洋能的技術成本，提高發電容量。”目前，風浪聯合開發的設計已初步完成，計劃今年年底或明年年初開始設備選型，三年內示范風浪聯合發電。

未來，希望更多的海島因藍色海洋中的綠色能源而“電量”滿滿！

您需要常年在海上工作嗎？

史宏達：我的很多研究需要在海上完成，但在這之前需要做足理論上的準備，例如提前做一些計算；在實驗室模擬波浪和潮流，獲得更多數據等。

海浪越大海洋能就越多嗎？

史宏達：不盡然。風平浪靜并不意味著海水沒有流動，有可能有“流”，“流”也會產生能量。濃烈的陽光照射在海上產生的能量，也屬于海洋能。可以說，只要是與海水有關的能源，都屬于我們研究的海洋能范圍。

研究海洋能需要學什么？

史宏達：了解基礎知識，需要學習海洋科學；獲取能量需要裝備，要學習機械工程；將海洋能轉化成電能，需要懂控制理論與工程以及電力知識；材料科學與環境科學也必不可少……當然了，不是要求一個人具備這么多知識儲備，而是需要不同學科的人才攜手合作。

史宏達

中國海洋大學工程學院教授，博士生導師，青島海洋科學與技術試點國家實驗室海洋能研發測試平臺主任，中國可再生能源學會常務理事、海洋能專業委員會秘書長