综述：关于浮动防波堤-波浪能转换器集成系统的综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：A review of floating breakwater-wave energy converter integrated systems

海上漂浮光伏（OFPV）需应对波浪载荷威胁，浮动防波堤-波浪能转换器（FB-WEC）系统通过波能衰减与捕获实现双重效益。研究梳理了FB-WEC的结构分类、集成模式及多目标优化方法，重点分析波能转换系数（Kt）、捕获宽度比（CWR）和平准化度电成本（LCOE）等关键指标，提出需突破极端工况结构可靠性、智能化控制与数字孪生技术等瓶颈，以实现OFPV规模化部署与碳中和目标。

　　

王海军|孙振星|连继健|李家乐

天津大学水力工程智能建造与运行国家重点实验室，中国天津，300350

摘要

海上浮动光伏（OFPV）电站为低碳沿海电力提供了一种可扩展的途径，但其性能和可用性在很大程度上取决于波浪气候。恶劣的海况会加剧波浪运动、锚固载荷和维护需求，从而增加生命周期成本，并限制大规模阵列的部署。浮动防波堤-波浪能转换器（FB-WEC）系统可以通过减少波浪传输和近场扰动来保护OFPV，同时利用部分入射波浪能量作为辅助动力。本文批判性地总结了FB-WEC的发展，以OFPV为主要应用场景，重点探讨了集成设计如何在保护、能量捕获和结构载荷之间取得平衡。文章建立了以OFPV为导向的防波堤类型和衰减机制分类体系，兼容的波浪能转换器家族及集成布局，并使用一致的性能指标（如$K_t$、捕获宽度比和LCOE）进行性能比较。此外，还综合了多目标设计和控制方法，以在现实海况下同时解决波浪衰减、能量产出、OFPV生存能力、技术经济可行性和环境影响等问题。主要瓶颈包括极端条件下的生存能力、长期可靠性，以及缺乏标准化的OFPV相关性能和生态评估框架，同时提到了先进材料、智能PTO/锚固控制、模块化架构和数据驱动的数字孪生技术等新兴方向。总体而言，本文阐明了当前的研究现状和差距，并为设计下一代FB-WEC系统提供了指导，这些系统能够增强OFPV的韧性并支持可持续的沿海脱碳。

引言

全球能源系统正从以化石燃料为主的集中式供应向更加分散的低碳组合转变。尽管能源需求和化石燃料使用量持续增长，但长期依赖煤炭、石油和天然气与气候和可持续性目标越来越不兼容。最新统计数据显示，2024年的能源需求增长超过了十年平均水平[1]，而可再生能源提供了最大的增量，电力需求的增长速度超过了总能源使用量和GDP的增长速度，反映了电气化的深化（图1）。近年来，太阳能光伏（PV）成为增长最快的电力技术，占新增可再生能源发电量的最大份额。这些趋势凸显了太阳能光伏在全球能源转型中的核心作用，但也暴露出由于土地竞争和主要负荷中心沿海聚集而导致的陆上大规模部署的日益受限[2]。因此，海上区域正成为低碳发展的战略前沿，海上浮动光伏发电因其占用土地少、太阳能资源丰富以及与风能和波浪能系统的协同位置而受到青睐[3,4]。

在这种背景下，海上浮动光伏（OFPV）被视为人口密集沿海地区的战略选择（图2）。然而，大型OFPV阵列极易受到波浪、风暴和长周期海浪的影响，因此其技术和经济可行性在很大程度上取决于有效的波浪衰减措施。浮动防波堤通过反射、衍射和消散入射波浪来减少OFPV锚固和支撑结构的载荷，从而提高生存能力并降低维护成本。与需要大规模土木工程、对海底和海岸线造成显著干扰且在深水区难以实施的固定防波堤相比，浮动防波堤可以在更深的水域部署，基础成本更低，生态影响也更小[[5], [6], [7]]，这使得这种保护作用在传统固定防波堤不适用的地方尤为重要。同时，威胁OFPV的波浪气候也是一种密集且部分可预测的能量资源；在多种海洋可再生能源中，波浪能因其高功率密度、与太阳能发电的时间互补性以及与许多OFPV站点的地理共位性而特别具有吸引力[[8], [9], [10], [11], [12]]（图3）。波浪的双重作用——既是危害也是资源——自然激发了保护和能量捕获功能的集成。设计合理的波浪能转换器（WEC）可以为局部负载供电或馈入沿海电网，但部署受到波浪随机性、非线性水动力学和极端海况下的疲劳影响的挑战。这些因素推动了集成概念的发展，其中浮动防波堤不仅保护OFPV模块，还容纳WEC设备，将波浪载荷从设计约束转变为额外的低碳能源来源[13]。

由于浮动防波堤和WEC在结构和功能上的高度相似性，近期研究转向了多功能平台的集成。这些系统保留了浮动防波堤的波浪衰减作用，同时嵌入WEC单元以实现“波浪保护加发电”的双重功能。当与OFPV电站共位时，这种混合结构可以保护PV筏免受波浪载荷，并提供辅助可再生能源，实现共享基础、锚固和电网连接，更高效地利用有限的近岸空间[16]。然而，实际实施仍具有挑战性。在高度变化的海况下确保结构完整性对于与大型OFPV阵列的长期合作至关重要。此外，WEC的能量捕获强度依赖于频率，因此增强能量转换的设计可能会牺牲波浪衰减效果（反之亦然），使得传输系数（$K_t$）和CWR的同时优化变得困难。现有研究很少提供结合水动力性能、技术经济指标（如LCOE）以及整个生命周期内环境和生态系统影响的全面评估框架，这突显了需要将现场监测、先进数值建模和生态评估相结合的集成研究。

基于这一动机，本文对FB-WEC系统进行了重点和批判性的综合分析，特别关注保护和为大规模OFPV部署提供动力。首先探讨了浮动防波堤的演变和分类，重点关注其作为OFPV保护带的结构配置、波浪衰减机制和海况适应性。然后总结了主流的WEC概念——溢流式（OWEC）、振荡水柱式（OWCWEC）和振荡体式（OBWEC）装置——强调与FB-WEC-OFPV共位最兼容的几何形状、PTO方案和安装方式。现有FB-WEC原型和概念从波浪聚焦和共振耦合机制、水动力相互作用模式以及报告的传输系数（$K_t$）和CWR等方面进行了评估。在此基础上，综合了集成策略、控制方法和多目标优化方法，综合考虑了能量捕获、结构安全、波浪衰减性能和能源平准化成本（LCOE）。进一步强调了不同概念在代表性海洋环境中的相对优势和局限性。最后，指出了先进结构材料、基于智能控制的适应性功率调节、数字孪生辅助设计和适用于恶劣海况的模块化多能源平台等关键研究方向。总体而言，本文为FB-WEC系统的设计和评估提供了结构化的基础，为设计增强OFPV韧性并支持沿海脱碳的FB-WEC系统提供了实用指导。

章节片段

浮动防波堤

作为海上浮动光伏（OFPV）电站的重要保护基础设施，浮动防波堤可以衰减入射波浪能量，减少PV筏、锚固线和阵列间电缆的水动力载荷，从而在波浪能量较大的海况下提高系统的生存能力。入射波浪通过与防波堤结构的相互作用（反射、衍射和能量耗散）来减少传输的波浪幅度，直接降低OFPV的波浪诱导运动响应

集成系统研究进展

集成FB-WEC系统利用浮动防波堤和波浪能转换器之间的耦合，在有限的沿海和海上空间内同时实现波浪衰减和能量发电。然而，大多数概念仍处于实验室或原型阶段，要成功部署仍需更好地理解耦合水动力学、能量转换效率、结构稳健性和环境经济权衡。本节首先对FB-WEC系统进行了分类

结论

本文综述了海上浮动光伏（OFPV）用浮动防波堤-波浪能转换器（FB-WEC）系统的最新进展，重点介绍了主要类型、集成机制和设计挑战，并总结了主要见解和研究重点。

• (1)
  浮动防波堤为OFPV提供了多种可行的保护方案，但其选择受到衰减、运动性和实用性之间权衡的影响。箱型、浮筒型和水平型

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金、国家创新人才博士后计划和中国博士后科学基金的支持，资助编号分别为52501350、BX20250042和2025M773148。特此表示感谢。