2021-04-26 07:42:28 中国科学报 　 作者： 田瑞颖 张佳宁  

 波浪能有望破解海上丝绸之路电力困境。

自然资源部日前公布的《2020年中国海洋经济统计公报》显示，2020年，全国海洋生产总值80010亿元，我国与“21世纪海上丝绸之路”沿线国家货物进出口总额达到12624亿美元。

然而，随着海上丝绸之路的不断延伸，电力瓶颈也日益凸显。

海军大连舰艇学院教员郑崇伟在接受《中国科学报》采访时坦言，“丝路沿线用电总量仅为世界水平的61%，部分国家农村用电普及率甚至只有40%。生活用电尚且存在巨大缺口，工业用电更是难以保障。”

如何破局?用好波浪能这一海上丝绸之路无处不在的资源宝库，成为一条出路。

打破电力困境

“由于边远海岛远离大陆，电力困境一直是世界性难题。”郑崇伟告诉记者，边远海岛通常采用船舶补给的柴油发电，但这种方式存在传统岛礁柴油发电面临的生态脆弱、补给线易被切断、恶劣海况影响补给等难题。

一方面恶劣海况会影响船舶补给，当海况大于5级时，船舶基本无法补给，受冷空气、季风潮、气旋等恶劣天气影响，边远海岛经常面临断水断电的风险;另一方面距离及海盗等因素容易导致补给线断裂，且防护难度较大。此外，柴油发电还会释放有害气体，破坏岛礁生态，且一旦发生，很难修复。

不过，郑崇伟同时指出，海况较差也意味着波浪能蕴藏丰富，可以因地制宜在岛礁周边实施海浪发电。“波浪能在海洋能中能量最高，无时不有、无处不在。此外，海浪发电装置可悬浮于海表，不仅不占用海岛土地资源，而且抗台风打击、船舶撞击能力强，能量供应比太阳能稳定。”

在他看来，随着电力问题的解决，海水淡化也会迎刃而解，从而有助于岛礁实现电力和淡水的自给自足。“这既是突破‘海上丝绸之路’能源困局的重要途径之一，也是推动互联互通、展开国际合作的良好契机”。

“虽然海洋可再生能源逐渐成为世界各国追逐的新焦点，尤其是波浪能和海上风能，但总体而言，海洋可再生能源的开发和利用仍处于初级阶段，还应通过法律、减免税收等措施加大支持力度。”郑崇伟补充道。

突破选址瓶颈

实际上，波浪能也有不足之处。郑崇伟指出，由于海水具有腐蚀性，进而要求波浪发电装置材料具有抗腐蚀、廉价、耐久和可靠的特点，因此投资造价高昂。

此外，波浪能季节性、周期性变化显著，增加了开发利用难度，需要充分掌握资源特征。“但与陆上资料相比，海洋资料稀缺，制约了波浪能评价，包括海浪发电精准选址、业务运行、长期规划等。”郑崇伟说。

他表示，海洋可再生能源开发的主要难点在于提升采集和转换效率，资源评估和装备研发是关键环节。虽然各国在海洋能装备研发方面已取得显著成效，但资源评估仍面临资源等级区划、涌浪监测预警、资源动态预报能力不足等瓶颈。

“合理的等级区划是资源开发选址设计的关键依据，目前较通用的是美国能源部提供的风能等级区划方案，但该方案只考虑了资源特征，未考虑选址设计密切关注的环境风险和成本效益。”郑崇伟指出。

金风科技总裁曹志刚在2020中国新能源高峰论坛上指出，成本问题仍是海上风电行业发展的痛点，需要在技术、施工、运维、管理等方面进行大量技术创新，研发出真正适合中国海域的海上风电技术。

郑崇伟表示，现有资源等级区划结果固定不变，不能满足多样化的资源开发选址需求。例如，边远海岛的海洋能开发通常最关注资源可利用率，近岸商业发电则更关注资源富集程度、并网难度等。此外，基于传统方案资源区划结果的区域性差异并不显著。

“海洋可再生能源的开发利用亟须建立一套兼顾资源特征、环境风险、成本效益，具备动态自适应能力，满足多样化开发需求，并充分展现资源等级区域性差异的等级区划方案。”郑崇伟强调。

保障运行安全

涌浪具有巨大能量，一方面使海洋平台和船舶面临发生中垂中拱等严重威胁，另一方面有利于开展涌浪发电。“掌握涌浪传播特征对防范其威胁和利用其发电有重要意义，目前研究可展现涌浪大致传播方向，但不能准确展现其传播路径、速度、衰减率。“郑崇伟说。

他指出，虽然目前的气象和海洋预报产品非常丰富，但关于海洋能的动态预报产品并不多见，严重影响海洋能资源采集效率。因此，亟须建立一套能够展现涌浪传播路径、速度、源头、衰减率的涌浪监测预警模型。

“涌浪监测预警模型可以告诉工程人员涌浪的来源、路径，传播至所关注的海域还需多少时间及剩余能量，从而防范涌浪造成的巨大威胁，为海洋能装置、海洋平台、远洋航海等提供安全保障。”郑崇伟说。

他认为还应构建一套精准的海洋可再生能源预报模型。“人们通过天气预报可以安排未来几天的计划，海洋可再生能源也应该通过短期资源预报，提升资源的采集和转换效率，保障未来的并网、电力调度等。”

建设海洋能源大数据

国际能源署海洋能源系统发布的《2020年科学状况报告：世界海洋可再生能源发展的环境影响》称，作为一个新兴产业，海洋可再生能源还没有全面的商业部署，缺乏基线数据和发电装置安装后的数据。数据不足将持续扰乱人们对真实风险和感知风险的认知能力。

在郑崇伟看来，我国与部分国家在海洋数据方面仍存在一定差距，如何从体量大、信息密度低的原始数据中提取有用信息，并形成数据集，是高效开展海洋建设的关键。

为了突破这一瓶颈，他从读博士期间就在中国科学院院士李崇银的指导下开展相关研究，并以海洋新能源开发、远洋航海、防波堤设计等实际需求为牵引，对庞大的原始数据展开分析。

经过十余年的攻关，郑崇伟团队终于创建出一套“海上丝绸之路”可再生能源评估和大数据建设关键技术体系。“其他国家提供的主要是体量大、信息密度低的原始数据，我们提供的是成品数据，能显著缩短建设周期。”郑崇伟表示，该体系突破了海洋能源开发面临的智能选址、长期规划、涌浪威胁防范等瓶颈，为“海上丝路”电力优化布局、环境安全保障提供了科学依据和数据支持。

中国海洋大学教授王晶在引用相关成果时评价，郑崇伟团队采用数值模拟方法，利用高分辨率海浪数据，系统全面分析了中国海域波浪能资源特征，在中国海域波浪能开发中扮演着重要角色，填补了这一领域的认知，为波浪能资源评估提供了重要参考。

郑崇伟认为，海洋能源的选址研究必须与具体工程建设、海洋能源大数据建设相结合，要将海洋能源选址方案应用于海浪发电、海上风电的示范工程建设，推动与“海上丝绸之路”沿线国家(地区)的成果共享。

“海洋能源大数据建设是支撑海浪发电、海上风电等高质量建设的关键所在，但提及海洋大数据，科研人员的第一反应往往是ECMWF等机构，我国的海洋数据亟待完善并提高认可度。” 在郑崇伟看来，海上丝绸之路建设面临的一系列瓶颈，归根结底是学科建设和人才培养问题，应与沿线国家(地区)共建海洋可再生能源与环境前沿交叉学科，开设海上丝绸之路相关课程，拓宽相关领域学术交流研讨，推动“海洋命运共同体”理念深入民心。