在山東省青島市黃島區(qū)瑯琊鎮(zhèn)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(yè)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(gè)海洋能獨(dú)立電力系統(tǒng)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(yùn)藏著哪些能量？科學(xué)家怎樣獲取海洋能，又是怎樣讓海洋能發(fā)電的？從事海洋能研究三十余年的史宏達(dá)教授為我們講述他為偏遠(yuǎn)海島送電的故事。

向大海要能源

我國擁有11000余個(gè)海島，由于電纜的最大負(fù)荷有限、輸送距離較遠(yuǎn)、鋪設(shè)成本高昂等原因，偏遠(yuǎn)海島供電一直以來是世界性難題。2010年，史宏達(dá)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(dá)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(diǎn)和資源特點(diǎn)，如果能在這里進(jìn)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?！?/p>

地球71%的面積被海水覆蓋。當(dāng)陣陣海風(fēng)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(yùn)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(gè)“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(chǎn)生于海水中或海面上，可以一直使用不會(huì)枯竭；它們來自擁有廣闊胸懷的大海，儲(chǔ)量大、清潔無污染，是藍(lán)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(fā)并且想辦法利用它?！辈煌覈＠死碚搫?chuàng)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(xué)家孫孚的史宏達(dá)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(lǐng)域“卡脖子”問題開展關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，致力于讓海洋清潔能源點(diǎn)亮祖國偏遠(yuǎn)海島的每一盞燈。

披荊斬棘，攻堅(jiān)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(shí)候，需要有與波浪一起運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，將能量傳遞給后方的裝置。這些裝置放入動(dòng)態(tài)的海水中，要不因外力發(fā)生位移。海洋環(huán)境并不是每時(shí)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(tǒng)和恰當(dāng)?shù)腻^泊方式，依然會(huì)發(fā)生設(shè)備被海浪沖走或損壞的‘謎案’，我們不得不安排好隨時(shí)能‘上陣’的‘預(yù)備隊(duì)員’?！笔泛赀_(dá)和團(tuán)隊(duì)采用“留一手”的方案解決問題。

“我們想要在海島旁放置一個(gè)50米高的海洋能裝置測試平臺?！睆耐庥^來看，這個(gè)平臺并不高，實(shí)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(dá)感慨道：“研究工作不能單打獨(dú)斗，需要很多領(lǐng)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(yè)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(wěn)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(shè)電纜非常不容易，需要了解海底的地質(zhì)情況，熟悉登島后的電纜和登陸點(diǎn)之間的相互作用等?！睘榇?，史宏達(dá)和團(tuán)隊(duì)通過技術(shù)攻關(guān)，制定了非常巧妙的設(shè)計(jì)方案和施工方案，完善了電纜本身的設(shè)計(jì)，改進(jìn)了安裝電纜的過程，使得電纜不僅能夠在海底順利鋪設(shè)，還能穿越到平臺的立管中心，成功實(shí)現(xiàn)電力傳輸。

開拓創(chuàng)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(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，即變成電能只需要一次能量轉(zhuǎn)換，所以被稱為“一次能源”。它的優(yōu)點(diǎn)很明顯，能量損耗少，非常高效；缺點(diǎn)是很不穩(wěn)定，不知道何時(shí)會(huì)來一陣風(fēng)產(chǎn)生波浪能，也不知道下一個(gè)波浪有多大、能否發(fā)電或者能發(fā)多少電。

怎樣讓來自海洋的能量持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電？史宏達(dá)和團(tuán)隊(duì)經(jīng)過各種嘗試，決定將能量存儲(chǔ)到一定容量后再釋放，這樣就解決了直接轉(zhuǎn)化時(shí)不穩(wěn)定的問題。怎樣將海洋的能量存儲(chǔ)起來呢？這需要多種虛擬設(shè)備和性能設(shè)備的“攜手”合作。“我們經(jīng)過多方研究，決定在齋堂島建一個(gè)海洋能多能互補(bǔ)海島電站?！?2012年，史宏達(dá)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在這里建起了我國北方首座海洋能示范基地；2013年，國內(nèi)首座海洋能多能互補(bǔ)海島電站投入運(yùn)行。史宏達(dá)說：“這不僅解決了島上居民的部分生活用電，還為當(dāng)?shù)貪O民開展海水養(yǎng)殖提供電能。”

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

想要增大發(fā)電量，需要同時(shí)考慮提高發(fā)電能力、發(fā)電容量和可靠性?！澳敲创蟮脑O(shè)備放在海中，首先要保證它能‘生存’，再考慮它能發(fā)多少電?！笔泛赀_(dá)認(rèn)為，保證設(shè)備的安全、健康，是未來海洋能利用從理念、設(shè)計(jì)走向應(yīng)用必不可少的路徑。

近年，史宏達(dá)和團(tuán)隊(duì)又有新發(fā)現(xiàn)！“我們提出了一種創(chuàng)新的想法，即風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電，也就是將一臺風(fēng)機(jī)和一個(gè)波浪裝置放在一起?！笔泛赀_(dá)對此滿懷信心，他解釋說：“俗話說‘無風(fēng)不起浪’，風(fēng)浪聯(lián)合可以大大降低利用海洋能的技術(shù)成本，提高發(fā)電容量?！蹦壳?，風(fēng)浪聯(lián)合開發(fā)的設(shè)計(jì)已初步完成，計(jì)劃今年年底或明年年初開始設(shè)備選型，三年內(nèi)示范風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電。

未來，希望更多的海島因藍(lán)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(dá)：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(zhǔn)備，例如提前做一些計(jì)算；在實(shí)驗(yàn)室模擬波浪和潮流，獲得更多數(shù)據(jù)等。

海浪越大海洋能就越多嗎？

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

研究海洋能需要學(xué)什么？

史宏達(dá)：了解基礎(chǔ)知識，需要學(xué)習(xí)海洋科學(xué)；獲取能量需要裝備，要學(xué)習(xí)機(jī)械工程；將海洋能轉(zhuǎn)化成電能，需要懂控制理論與工程以及電力知識；材料科學(xué)與環(huán)境科學(xué)也必不可少……當(dāng)然了，不是要求一個(gè)人具備這么多知識儲(chǔ)備，而是需要不同學(xué)科的人才攜手合作。

史宏達(dá)

中國海洋大學(xué)工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室海洋能研發(fā)測試平臺主任，中國可再生能源學(xué)會(huì)常務(wù)理事、海洋能專業(yè)委員會(huì)秘書長