《Journal of Marine Science and Engineering》：Wave Energy Converters: A State-of-the-Art Review of Wave-Activated Body Technologies
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波浪能是一种具有巨大未开发潜力的可再生资源。被称为波浪激活体（WAB）的装置构成了波浪能转换装置（WEC）中最多样化的类别。本综述系统分析了WAB技术发展的最新现状，评估了其技术成熟度等级（TRL）、能量性能、质量功率比、经济指标（平准化能源成本LCOE和资本
波浪能是一种具有巨大未开发潜力的可再生资源。被称为波浪激活体（WAB）的装置构成了波浪能转换装置（WEC）中最多样化的类别。本综述系统分析了WAB技术发展的最新现状，评估了其技术成熟度等级（TRL）、能量性能、质量功率比、经济指标（平准化能源成本LCOE和资本支出CAPEX）以及潜在应用，并特别关注地中海海域。为聚焦于近期具有现实部署前景的技术，分析刻意限定为成熟度至少达到TRL 5（TRL ≥ 5）的装置；在此基础上，研究人员考察了涵盖四个代表性子类别（点吸收式装置、衰减器、柔性管装置和陀螺式系统）的十种装置。点吸收式装置是最成熟且代表性最充分的类别：诸如CorPower Ocean C4等紧凑型谐振转换器已在开放海域条件下完成测试并接入电网，实现了最有利的质量功率比（约200 t/MW）。Mocean Blue X衰减器和SBM S3柔性管转换器展示了处于中等成熟度的替代性抗风暴架构，后者以弹性体管和分布式电活性转换取代了刚性船体和传统能量输出系统（PTO）。陀螺式系统将所有运动部件封闭在密封船体内；其中，ISWEC是地中海海域唯一接入电网的WAB装置。在所有类别中，质量功率比成为经济竞争力的关键驱动因素，而集成化的WEC–PTO–控制协同设计是降低LCOE的主要杠杆。装置级成本数据在商业化前期阶段很少公开，因此比较以证据约束排名的方式呈现，区分了已展示的性能与未公开的信息，并指出了通往可融资的地中海波浪发电场的最现实路径。
论文主体内容总结
1. 引言
波浪能具有巨大的全球理论潜力，估计达3.0–3.7 TW，约相当于26,000–32,000 TWh/年，与当前全球电力需求处于同一数量级。与其他可再生能源相比，波浪能具有高能量密度、平均可用功率可预测性好以及资源可用时间高达90%等显著优势。根据Falc?o基于水动力学原理的学术分类，波浪能转换装置（WEC）可分为振荡水柱（OWC）、振荡体系统（即波浪激活体，WAB）和越浪式装置三大类；欧洲海洋能源中心（EMEC）则采用更详细的工业分类，识别出八种类型。WAB装置中，海洋波浪与WEC直接相互作用，产生漂浮或潜没部件的运动，随后由能量输出系统（PTO）将运动转换为所需形式的能量。尽管经过数十年发展，波浪能行业尚未达到商业成熟度：平准化能源成本（LCOE）仍显著高于其他可再生能源，主要障碍包括恶劣海洋环境中的可靠性、海上安装和维护成本以及风暴条件下结构完整性的保障。地中海海域波浪能量较低但更为规律，最富饶区域年均波浪能通量不超过12 kW/m，为紧凑轻量化装置提供了潜在优势。
2. 方法
2.1. 系统性文献检索策略
本研究通过对2009年至2025年间发表的科学和技术文献进行系统性综述。检索数据库包括Scopus、Web of Science、ScienceDirect和Google Scholar，检索字符串组合了“波浪能转换装置”、“波浪激活体”、“点吸收式装置”、“陀螺式系统”、“柔性管装置”、“波浪能”、“海洋可再生能源”、“海洋能”和“TRL”或“技术成熟度等级”等术语。此外还查阅了国际能源署–海洋能源系统（IEA–OES）、欧洲海洋能源中心（EMEC）、PRIMRE项目数据库、WEC制造商官方网站及国际会议论文集等非学术技术来源。
2.2. 选择标准
纳入综述的装置依据以下标准选择：时间标准为2015–2025年间有活跃开发或有记录的测试；技术标准为根据Falc?o分类或EMEC分类属于波浪激活体；成熟度标准为技术成熟度等级至少达到5（TRL ≥ 5）；数据可用性标准为存在公开可获取的额定功率、尺寸或工作原理技术信息。纯概念性和早期实验室装置、2015年前被放弃且无后续发展的技术以及不属于WAB定义的纯越浪式装置均被排除。综述遵循PRISMA式工作流程，包括识别、筛选、合格性评估和纳入四个阶段，最终保留十种WAB装置。
2.3. 分类体系
文献中可区分出十一个主要的波浪能转换装置子类别，基于其主要工作原理：点吸收式装置、衰减器、振荡水柱（OWC）、振荡波浪涌浪转换器（OWSC）、潜没差压装置、陀螺式系统、柔性管装置、仿生系统、纳米发电机、混合系统和其它装置。本综述识别出属于四个最具代表性WAB类别的十种装置，即类别1、2、6和7。
2.4. 分析参数
对每个装置收集并分析了技术规格，包括：额定功率、特征尺寸、总质量、工作水深和系泊系统等主要特征；质量功率比、捕获宽度比、PTO、存储和输出等能量转换参数；技术成熟度等级（TRL）、部署年份和测试地点等开发状态；LCOE和CAPEX等经济指标（在公开披露时）；以及最大可承受波高、运行寿命和保护策略等生存能力特征。
2.5. 定量综合与装置评分
为超越纯描述性目录，收集的数据通过透明的多标准评分方案进行定量综合。每个装置在四个性能标准上按1–5等级评分：技术成熟度、质量功率比、已展示的生存能力和地中海适用性。标准赋予相等权重。研究明确区分了已展示的较差性能与缺乏公开证据的情况：仅在源材料记录了最低区间值时才赋予1分；未检索到公开证据的标准记为n.d.并排除在评分之外。每个装置以其证据覆盖率（4项中的k项）和评分范围表征，评分范围下限为对所有n.d.标准赋予最小值，上限为赋予最大值。技术经济证据刻意不作为评分标准，因为装置级LCOE和CAPEX数据在商业化前期几乎从不公开。
3. WAB技术比较结果
3.1. 点吸收式装置
点吸收式装置分析涵盖CorPower Ocean C4、CorPower Ocean C5、OPT PowerBuoy、Carnegie CETO 5、Carnegie CETO 6、中国南方电网南鲲号和Lysekil项目。
CorPower Ocean C4是瑞典公司CorPower Ocean开发的点吸收式波浪能转换装置，设计灵感来自人类心脏的泵送作用。装置于2023年8月安装在葡萄牙海岸Agu?adoura测试场，水深45 m，通过UMACK锚固系统系泊并接入国家电网。C4的显著特征是WaveSpring系统，可实现装置主动调谐：正常工况下通过共振放大浮体运动，极端事件时“失谐”以降低结构载荷。调试阶段达到最高600 kW的功率峰值，后续改进将峰值功率提升至约850 kW。装置成功经受住风暴Domingos（2023年11月），最大波高18.5 m。
CorPower Ocean C5是C4的商业化演进，额定功率1.5 MW，为前者的五倍。装置计划安装在名为“Tethys”的试点阵列中，由三个单元组成，演示阶段定于2026–2027年。C5保留WaveSpring技术和先进相位控制，在三种基本模式下运行：放大共振、内部转换和风暴抵抗。CorPower Ocean的目标是克服波浪能的两大长期障碍：效率/成本和可靠性，实现与海上风电竞争的LCOE。C5代表“HiWave-5”项目的最终阶段，该项目旨在实现技术可融资认证和葡萄牙电网连接的试点阵列演示，包括一台C4和三台C5，总容量4.8 MW。
下一代PowerBuoy（PowerBuoy 2.0）由Ocean Power Technologies（美国）开发，是多能源混合平台，集成波浪能、太阳能和风能三种可再生能源于单一漂浮结构中。浮标约14.5 m高，吃水8.7 m，桅杆直径1.3 m，总重量13至16吨。配备太阳能板（4.1 kW容量）和两台小型风力涡轮机，能量存储于高容量电池系统（44–88 kWh）。装置作为多任务平台，用于实时数据收集和通信，具备LTE/4G/5G和卫星连接。系泊系统经认证可承受北海50年一遇风暴。
Carnegie CETO 5由澳大利亚Carnegie Clean Energy开发，是世界上首批以完全潜没配置从波浪中发电的商业装置之一。系统在珀斯波浪能项目（PWEP）中演示，由一系列直径约11 m、额定功率240 kW的潜没浮标组成。工作原理基于三阶段液压系统：运动捕获、水泵送和岸上发电。装置可同时发电和产淡水，高压水系统可供应反渗透海水淡化厂。项目成功运行超过一年，创下运行小时数行业纪录。
CETO 6是CETO 5的技术演进，主要创新在于将发电直接集成在潜没浮标上，消除了将高压水泵送上岸的复杂管道系统。额定容量1.5 MW/单元，约为CETO 5的六倍。装置完全潜没并锚定于海床，确保风暴保护、零视觉影响和最小海洋生物环境影响。CETO 6是澳大利亚Albany波浪能项目（AWEP）的核心，但该项目于2019年3月取消，因此其TRL低于CETO 5。
南鲲号是中国自主开发的首个兆瓦级波浪能转换装置，于2023年6月15日在广东省珠海海岸下水。装置采用大型半潜式漂浮平台，三角形配置，长300 m、宽88 m、重6000吨，排水量15,000吨。平台配备15个漂浮板捕获波浪能。额定容量1 MW，理论上每日可发电24,000 kWh，实际运行中平均日产约10,000 kWh，宣称总效率为22%。其质量功率比约6000 t/MW，远逊于CorPower C4的约200 t/MW，反映两种对立的设计理念：紧凑高效单浮标与稳健多吸收器平台。
Lysekil项目由乌普萨拉大学电力部门领导，自2006年起在海中运行。测试场位于瑞典西海岸Lysekil附近约2 km处，水深24–25 m。乌普萨拉概念使用永磁（Nd-Fe-B）同步直线发电机置于海床，通过刚性连接由表面点吸收式装置直接驱动。首个原型机10 kW、200 V，于2006年3月部署。2015年11月实现电网同步，2017年增加更多单元。项目持续进行系统性环境监测，发现对底栖和移动动物群影响有限，同时具有积极的人工礁效应。
3.2. 衰减器
Mocean Energy Blue X由苏格兰公司Mocean Energy开发，基于铰接筏技术并具有几何设计创新。装置在苏格兰奥克尼群岛的欧洲海洋能源中心（EMEC）完成广泛的开放海域试验。Blue X结构由两个通过中央铰链连接的独立部分构成，波浪通过时两部分绕铰链弯曲旋转，相对运动由内部转换机制（即PTO）捕获并转换为电力。其独特创新在于不对称几何和末端潜没板，显著增强波浪捕获能力。设计灵活性使装置能在风暴期间“潜没”于较大波浪之下，提高恶劣环境中的生存能力。Blue X原型的主要作用是演示海上工业离网能源解决方案的可行性，应用包括为水下传感器和监测系统供电、为自主水下航行器（AUV）充电以及为油气和海上风电行业提供能源解决方案。
3.3. 柔性管装置
S3 WEC由SBM Offshore开发，代表柔性管装置类别的激进范式转变。装置是长弹性体柔性管，完全充满水并在两端密封，系泊于海床并以潜没位置运行。工作原理包括：波–结构相互作用产生内部驻波系统；电活性聚合物（EAP）发电机，更具体地说是介电弹性体发电机（DEG），沿管长分布，同时作为结构材料和PTO系统，将管壁的循环机械变形直接转换为电力；EAP发电机产生高压直流电，低纹波，分布在整个结构中。S3的关键优势在于完全消除涡轮机、液压部件、铰链、齿轮箱和任何其他运动机械部件，实现无例行维护、降低生产成本和操作灵活性。SBM Offshore自2009年以来开展广泛实验开发，但最终战略决定终止S3项目，因其未能展示当前形式下清晰的商业化路径。S3仍是柔性管WEC直接电活性转换发展的重要里程碑。
3.4. 陀螺式系统
ISWEC（惯性海浪能转换器）由都灵理工大学与Wave for Energy s.r.l.（大学衍生公司）和Eni合作开发。ISWEC是地中海海域唯一经过测试并接入电网的WAB装置。2015年8月，首个商业化前原型机安装在Pantelleria海岸800 m处，水深35 m。2023年3月，Eni宣布完成与岛屿电网的连接，峰值功率260 kW，在波浪能领域实现世界首创。工作原理基于陀螺效应解决WEC典型的“反作用问题”：使用内部惯性质量提供功率提取所需的反作用力。系统运行阶段包括波浪激励、陀螺进动、功率提取和传输上岸。ISWEC的关键优势包括模块化、可靠性和耐久性（整个转换机制在防水船体内运行，无运动部件暴露于盐水）、适应性（基于气象和海洋数据的控制系统）、风暴生存能力（关闭陀螺系统后表现为惰性漂浮体）和低视觉影响（仅高出水面约1 m）。ISWEC设计用于利用波陡而非绝对波高，非常适合地中海中等但持续的波浪环境。
3.5. 讨论、结果总结与装置比较
在十种装置中，技术成熟度各不相同。点吸收式装置和陀螺式系统构成高成熟度集群：CorPower Ocean C4和ISWEC已结合全尺寸开放海域运行与电网连接，而Lysekil阵列和CETO 5提供了更早的多月电网连接演示。其余转换器处于中等成熟度（TRL 5–6）。质量功率比是资本强度最一致的报告代理指标，区分了两种对立的设计理念：紧凑谐振点吸收式装置最小化单位功率结构质量（CorPower C4约200 t/MW），而多吸收器南鲲平台达到约6000 t/MW。装置级LCOE和CAPEX很少公开，但文献提供稳健的原型范围：大多数已发表估计将波浪能LCOE置于约300至1200 �/MWh之间，远高于海上风电（50–80 �/MWh）。文献聚焦于三个复合成本降低杠杆——规模经济和阵列部署、集成WEC–PTO–控制协同设计和干中学——预计到2030年可将波浪LCOE降至约110 �/MWh。地中海波浪气候显著不如大西洋和北海，年均平均通量仅在撒丁岛西部达到约15 kW/m，西西里海峡约8–9 kW/m，亚得里亚海低于3 kW/m。在此环境中，全方向性、紧凑性和利用波陡而非绝对波高的能力比原始功率捕获更重要。多标准评分确认：谐振点吸收式装置CorPower C4在每种假设下均领先（20–20），其次是长期运行的直驱Lysekil阵列（18–18）和电网连接的ISWEC（范围16–20）。多吸收器南鲲平台在完全记录的证据上排名最低（8–8），柔性管S3范围为8–12。
4. PTO简要概述
能量输出系统（PTO）是将从波浪运动提取的机械能转换为可用电力的子系统，比其他任何部件更能决定WEC的整体效率、可靠性和成本。文献识别出有限的PTO架构集合——液压、直驱电气、机械（包括新兴解决方案）以及用于柔性管转换器的分布式电活性转换——每种架构具有不同的效率范围和特定装置类别。最近PTO研究聚焦于集成设计和控制而非单个部件：通过遗传算法对WEC结构、PTO和控制进行协同设计，在容量从10 kW扩展到1 MW时可将LCOE降低多达六倍；主动离合器机械运动整流器和过驱动多自由度架构已将捕获宽度比提升至单自由度极限以上。全尺寸验证仍是关键瓶颈：对已部署转换器的现场测量表明，除非明确包含发电机惯量和速度相关摩擦，否则常规PTO模型可将能量输出高估多达三倍。长期耐久性和可靠性仍是主要关注点，优先研究方向包括WEC–PTO–系泊–控制链的集成优化、PTO非线性的高保真建模、先进轻量化和防污材料以及基于AI的实时控制和预测性维护。
5. 结论与展望
本系统综述分析了分布在四个代表性子类别中的十种波浪激活体（WAB）装置，并辅以PTO系统概述。点吸收式装置和陀螺式系统代表最成熟的WAB类别，CorPower Ocean C4达到TRL 7，ISWEC达到TRL 7–8，两者均在真实海域条件下接入电网；衰减器和柔性管装置处于中等或较低TRL（5–6）。质量功率比成为经济竞争力的判别指标：紧凑谐振设计（C4约200 t/MW）证明主动相位控制和风暴生存策略的密集使用可大幅降低单位装机容量的结构质量，而多吸收器平台超过6000 t/MW。在地中海背景下，ISWEC已证明设计用于利用波陡而非绝对波高的陀螺架构非常适合该海域中等但持续的波浪环境。最可信的近期技术进步将来自已在海上运行的谐振点吸收式和陀螺式技术路线，优先事项不再是概念验证，而是类型认证和多年度阵列可靠性演示。从单装置向波浪发电场的转变是决定性经济步骤：LCOE随阵列规模和集成协同设计急剧下降，容量从10 kW扩展到1 MW时可降低多达六倍。柔性管、电活性聚合物方法仍是高风险高回报的前沿，其承诺取决于弹性体在海水中长期耐久性和介电弹性体发电机大规模转换效率的证明。对地中海而言，现实前景是利基优先部署：离网和弱电网岛屿、水产养殖和海上平台供应以及与海上风电和太阳能集成，波浪能取代昂贵柴油而非与公用事业规模可再生能源正面竞争。本综述的局限性包括多标准评分方案的等权重选择、跨装置可比数据的不均匀可用性以及地中海适用性标准的定性性质。
