波浪能资源储量大、分布广，是一种极具优势的海洋可再生能源，其高效利用对保障我国能源安全、推动经济可持续发展和实现双碳愿景均具有重要意义。当前波浪能利用装置形式多样，但均受限于装置转换效率低、有效工作频段窄、生存能力弱的现实，商业化进程缓慢。实验室宁德志教授团队针对波浪能安全高效利用方面的技术难题持续攻关并取得突破，相关成果连续发表在海岸工程领域顶级期刊Coastal Engineering上。

首先，针对装置转换效率低、有效工作频段窄的瓶颈问题，团队基于多重共振原理，创新性地提出了多气室结构的设计，扩大了装置有效工作频带，且水动力效率在整个工作频段内均得到了提升。进一步研究发现，沿波浪传播方向布置超过三个气室时，装置的整体转换效率反而会降低，但仍高于单气室情况。同时，研究发现装置吃水对其俘能效果影响最大，为关键结构设计参数，且各气室宽度相等时装置整体俘能效果最优。相关成果发表在海岸工程领域顶级期刊Coastal Engineering(2024, 190: 104510)。

图1 不同数量气室条件下各个子气室的水动力效率对比

其次，针对波能装置生存能力弱的瓶颈问题，团队1）基于系列物理模型试验和高保真数值模拟，明晰了以孤立波为代表的极端波浪对海工结构的砰击载荷作用机制/模式，并指出砰击载荷与砰击作用高度以及角度强相关。若砰击作用高度相同，当砰击角度为90°，即水平砰击(planer collision)发生时，砰击载荷最大；2）提出了在振荡水柱式波能装置前方布置透空结构的创新防护设计方案。进一步研究发现，基于优化的透空结构，该设计可实现波能装置俘能效果降低很小的情况下，高频波浪荷载大幅降低，有效平衡了高效俘能和耗能减载间的矛盾。这主要得益于透空结构对波浪能量从低频向高频转换的抑制机制，振荡水柱波能装置对低频长波的俘获效果更佳。相关成果发表在海岸工程领域顶级期刊Coastal Engineering(2024, 193: 104592；2024, 194:104614)。

图2 作用在工程结构上的不同砰击载荷模态

 （a）水动力效率                   （b）气室前墙载荷

图3 振荡水柱波能装置集成透空结构后的水动力效率和气室前墙荷载对比

此外，波浪能装置阵列化布置开发，是波浪能规模化利用的重要途经。科学的阵列布置有利于实现波浪能的高效俘获。团队提出可在开敞海域中布置抛物型聚能墙，利用反射汇聚原理，对局部波浪场进行重构，创造若干不同等级的聚能区，以用作装置阵列的布置点，突破了主流方法依赖经验预设阵型的局限，为波浪能装置阵列布局提供了新思路。通过系列高仿真数值模拟，证实在各级聚能区（即具有不同聚能效果/强度的空间点）阵列布置振荡水柱式波浪能装置，可实现总体俘获能量的数倍放大。相关成果发表在海岸工程领域顶级期刊Coastal Engineering(2024, 192: 104559)。

图4 在聚能型振荡水柱式波能装置阵列

图5 阵列整体及各个波浪能装置的水动力效率

Coastal Engineering致力于发表海岸、港口和近海工程领域高质量的研究成果，是该领域的国际顶级期刊。研究工作得到国家重点研发计划项目（2023YFB4204100）和国家自然科学基金（U22A20242)）资助。