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波浪能发电装备——山大1号

波浪能发电装备——山大2号

基于锚泊浮台的波浪能和潮流能互补仪器设备供电系统

海洋温差能发电系统

蛟龙号载人潜水器

基于蛟龙号的岩心钻机

　　中国环境与发展国际合作委员会（国合会）2021年年会于9月7日至10日在北京成功举行，山东大学机械工程学院、海洋研究院双聘教授、博导刘延俊作为受邀嘉宾，参加国合会“碳中和愿景与海洋环境治理”主题论坛，并做了“碳中和的明日之星：海洋可再生能源”专题报告，围绕海洋可再生能源开发潜力、海洋可再生能源开发技术、海洋可再生能源助力碳中和作出重要论述。针对海洋可再生能源与“双碳”目标实现问题，本报记者采访了刘延俊教授团队。
　　2021年3月15日，习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议并发表重要讲话强调，实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，拿出抓铁有痕的劲头，如期实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标。近年来，我国全面地执行节能减排任务，不断自我加压，以更切实有效的行动，积极应对气候变化。目前，全国20个省、直辖市和自治区已经提出2021年将研究、制定碳达峰方案，上海明确提出在2025年达到碳达峰，重庆将碳排放纳入环评考核。“十四五”时期是碳达峰的关键期，大力发展海洋可再生能源将成为必然趋势。
　　山东大学刘延俊教授团队多年来深耕海洋可再生能源，积极推动海洋科技创新，在波浪能发电、海洋温差能发电、海洋资源探测与开发等领域做出了丰硕的成果。走近山东大学刘延俊教授团队，我们将了解如何更好地开发海洋，利用海洋，收获源源不断的“绿色动力”以及“深海矿藏”。

　　开发“绿色能源”
　　——波浪能发电助力“碳中和”

　　波浪能是指海洋表面波所具有的动能和势能，是海面在风力作用下产生的波浪运动所具有的能量，它实际上是吸收了风能而形成的，是一种取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。习近平总书记在十八届中央政治局第八次集体学习时强调，要进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋，推动我国海洋强国建设不断取得新成就。波浪能作为绿色新能源的一份子，在地球上储量巨大，全球可利用的波浪能达到20～25亿KW，相当于目前世界发电装机总量的2～3倍，而且波浪能能量密度大，传播过程中只有很小的能量损失。我国具有广阔的海洋资源，沿海波浪能能流密度为2～7KW/m，在能流密度高的地方，每米海岸线外波浪的能流就足以为20个家庭提供照明，具有极大的开发潜力和经济价值。
　　目前，波浪能装置的形式多种多样，发电效果各有千秋，但是在装置转换率、稳定性以及可靠性等方面仍面临着较大的挑战。经过长期的实践探索和经验积累，刘延俊教授带领的山东大学海洋工程装备技术研究中心团队，在波浪能发电领域取得了突破性进展，主持了“120KW漂浮式液压海浪发电站中试研究”“漂浮式波浪能独立电力系统”“横轴转子水轮机波浪发电系统装置设计制造”“基于锚泊浮台的波浪能和潮流能互补仪器设备供电系统”“漂浮式液压海浪发电系统捕能效率提升机理与关键技术研究”“可长效自主运维的智能深远海养殖平台与渔业资源开发技术合作”等国家级、省部级科研项目，在波浪能发电领域，累计投入科研经费7000余万元。其中“120KW漂浮式液压海浪发电站（山大1号）”“漂浮式波浪能独立电力系统（山大2号）”，在波浪能技术开发领域已经达到了国际先进国内领先的水平。两个装置均属振荡浮子式波浪能发电装置，其原理是利用波浪引起的浮体起伏运动，经液压系统传递，完成发电过程，其核心技术“海况自适应液压变阻尼PTO系统”可实现电能稳定高效输出，具有发电效率高、制造成本低、可大规模阵列布放等优点。
　　刘延俊教授团队研制的基于锚泊浮台的波浪能和潮流能互补仪器设备供电系统已经在我国南海开展示范化应用，应用成熟度较高。锚泊浮台作为海洋仪器设备搭载平台，既可以作为海洋综合信息感知层，解决海洋缺少立体信息综合感知能力的问题，也可以作为海上通信服务节点，解决我国目前海洋缺少高效、远程、可靠和安全的通信手段的问题。在未来，所研制的锚泊浮台还将服务于“一带一路”沿线国家，成为各方开展能源合作的新的重要平台。
　　刘延俊教授表示，随着国家“海洋强国”战略的逐步推进，波浪能发电技术的发展步伐将逐步加快，技术成熟度必定越来越高，波浪能发电技术也将会有更大的发展空间，为实现我国碳达峰、碳中和作出重要贡献！

耕耘“蓝色沃土”

——海洋温差能发电与深层海水综合利用

　　海洋温差能是指以表、深层海水的温度差的形式所储存的海洋热能。由于太阳对海水的辐射作用，使得海水表面温度升高，深海受到的海洋辐射作用较弱，温度低于海洋表面，因此产生了海水温度差异，这一温差中蕴藏着巨大的能量。利用这种温差进行热力循环发电，这种发电方式叫做海洋温差能发电。
　　除了储量巨大之外，海洋温差能发电还有诸多优点。海洋温差非常稳定，昼夜变化很小，没有间歇性，只稍有季节性差异，因此海洋温差能可以24小时不间断地利用，对于温热带海域海洋温差能应用前景更广；相比其他海洋能，海洋温差能的能量密度较高，而且取之不尽，用之不竭；海洋温差能综合利用效果更好，在发电之余还可以进行水产品、淡水、矿物等多种副产品生产，可以大大提高其海洋温差能开发利用的经济效益。
　　刘延俊带领团队在海洋温差能应用领域耕耘多年，现已成为国内领先的海洋温差能科研团队。团队于2019年承担广东省科技厅海洋绿色能源项目——海洋温差能发电系统实验测试平台研发，现已完成全部平台搭建和实物系统组装，正在进行各种实验研究，为后续温差能发电系统的设计研发奠定了坚实基础，也为我国海洋温差能利用领域赶超国际先进水平提供了先决条件。
　　基于已有海洋温差能科研平台，刘延俊教授团队正在设计开发兆瓦级海洋温差能以及深层海水的综合利用系统，这对于海洋温差能真正走向工程应用和造福人类具有重要意义。团队现聚焦于海洋温差能的综合开发利用领域，将温差发电、深层海水利用、海水制氢、海洋养殖、深海采矿等相关领域融合，逐步走上了一条多元化、宽领域的海洋绿色能源开发道路。

走向深海大洋
——高端海洋装备探秘深蓝

　　“可上九天揽月，可下五洋捉鳖”是人类的理想，在陆海空天四大空间中，海洋是地球上远未充分开发的资源宝库。“下五洋捉鳖”具有不亚于“上九天揽月”的重要战略意义。深海资源丰富，种类繁多，根据不同的属性和用途，可将深海资源分为深海生物资源、深海油气资源、深海固体矿产资源、深海化学资源、海洋能资源、深海空间资源、深海旅游资源七大类。然而，开发利用海洋离不开深海探测装备，刘延俊教授带领团队在海洋探测装备领域取得了丰富的成果，研制了海底地质声学特性现场测量系统、海洋界面中频声散射特性测量系统、水合物泄漏流体原位监测装置、时间系列沉积物捕获器、4000米深海自持式智能Argo浮标、原位深海环境基线监测平台、近岸浅滩CPT、电视抓斗、可视多管取样器、基于蛟龙号的岩心钻机等数十种海洋探测装备。山东大学在海洋可再生能源领域和海洋高端仪器装备领域的探索为我国海洋能源装备自主创新研究提供了重要支持，提高了我国海洋装备的国际竞争力。
　　海底地质声学特性现场测量系统：海底沉积声学理论与技术在海洋工程地质研究的发展历史中扮演了非常重要的角色，伴随着海洋工程地质大规模调查的发展，逐渐成为促进海洋工程地质研究的重要驱动力，为海洋工程地质研究的发展作出了卓越贡献。海底沉积物特性参数反演是海底沉积声学研究的重要方面，也是海洋工程地质研究领域的迫切需求。该领域也一直是本课题组海洋探测装备领域的传统研究方向之一。
　　深海时间系列沉积物捕获器：收集海水中沉降颗粒物质的取样设备是海底沉积物特性研究不可缺少的技术手段，取样设备要能通过采样瓶的自动转换完成定时、分部收集水中沉降颗粒物质样品的深海作业过程。山东大学承接了国家海洋局第一海洋研究所的企业课题项目——深海时间系列沉积物捕获器设备的研制。
　　4000米深海自持式智能Argo浮标：自持式Argo智能剖面探测浮标是一种可以自主实现上浮下潜，同时完成实时数据监测与传输的海洋观测平台，基于由山东大学和中国海洋大学联合承担的山东省自然科学基金——“问海计划”项目，课题组团队先后开发研制了两代4000米深海自持式智能Argo浮标。
　　基于蛟龙号的岩心钻机：岩心钻探具有快速勘查分析的优点，是地球科学研究、资源勘探的重要手段。对于深海钻探，其高压低温环境特点使原有钻探理论面临挑战，而水下姿态的不确定扰动又给船载重型钻机在定点区域高效精细取芯带来困难。刘延俊教授带领团队以蛟龙号载人潜水器在大洋矿区开展资源钻探调查、地质科学研究为工程应用背景，将运载器精细作业优势与岩心取样技术相结合，系统开展了运载器岩心钻探技术研究，为我国深渊地球科学研究提供了基础支持。

 探寻海底宝藏
——深海多金属结核绿色开发

　　海洋是巨大的资源宝库，随着陆地矿产资源逐渐枯竭，海洋将成为社会物质生产的重要原料基地。深海多金属结核分布范围广、金属元素含量丰富，是一种极为重要的矿产资源。其含有锰、镍、铜、钴、钛等20多种金属元素，属于自生矿物，广泛用于航空、汽车、电力等领域。据估计每年新增加的锰、镍和钴量分别可供世界各国3年、1年和4年之用，堪称“取之不尽，用之不竭”的可再生多金属矿物资源。
　　然而深海多金属结核开采面临一系列的技术难题，其中深海生态环境保护是国际上最受关切的问题。虽然深海采矿将带来经济、社会、科学等领域的多重额外收益，但开采过程可能会破坏深海生态环境，同时采矿活动也存在一定的经济风险和政治风险，相关的法规还不完善。针对上述的问题，刘延俊教授团队围绕深海多金属结核绿色高效开采关键技术及系统开展了一系列研究工作，重点研究了深海多金属结核开采过程的环境演化规律问题。刘延俊教授指出，在无法评估与预测采矿过程对海洋环境影响的剧烈程度、作用范围、持续时间的背景下，全球各国不敢贸然大规模开采多金属结核。因此，在时间维度和空间维度上阐明采矿过程对环境演化规律的影响，是必须要解决的关键科学问题，也是深海多金属结核大规模开采的必然要求。

坚守本心——深耕蓝色沃土

　　刘延俊教授表示，储量巨大的海洋可再生能源必将加快全球能源结构变革，推动“零碳”电力技术发展，成为碳减排的重要抓手；“就地取能，海能海用”的发展理念也将促进碳汇渔业、海洋碳封存等新兴技术领域发展，增强海洋“负排放”作用。深海探测装备的发展将加速人类探秘深蓝的脚步，帮助我们更全面的认识海洋，经略海洋。在深海采矿方面，刘延俊教授指出要重视深海环境生态保护，倡导深海多金属结核绿色开采的新理念，实现绿色化、廉价化、智能化、高效化和规范化开采。
　　耕耘“蓝色沃土”，收获“绿色能源”。海洋可再生能源以及深海资源能够在碳减排、碳增汇两端发力，成为实现“碳中和”的明日之星，推动中国经济社会发展全面绿色转型，为共建清洁美丽世界作出新的更大贡献。（石振杰）