21世纪是海洋的世纪, 从海洋中开发能源已成为历史发展的必然趋势^[1]。波浪能是海洋表面波浪带来的动能和势能, 是一种易直接利用的、取之不竭的可再生清洁能源。评估数据显示, 全球波浪能资源总量达2 TW^[2], 并因其储量大、能量密度高、分布面广、易于获取、环境影响小等优点^[3], 成为海洋能源开发的焦点。自20世纪70年代世界石油危机以来, 北美、欧洲各海洋国家不断增加对波浪能领域资金和科技投入, 取得较大进展。日、英、美、澳等国家都研制出应用波浪发电的装置, 并应用于波浪发电中^[4-5]。为系统了解国内外海洋波浪能领域研究态势, 摸清科研力量布局, 分析相关学科方向, 寻找领域前沿热点, 为海洋波浪能研究开展提供思路参考, 为海洋可再生能源产业发展和“碳达峰、碳中和”目标实现提供支撑。

1 研究方法与数据来源 1.1 研究路线

本文以Web of Science(WOS)文献数据为样本, 通过对检索数据的整理和清洗, 获取包括论文题目、摘要、作者、机构、关键词等在内的规范化基础信息, 运用文献计量法和知识图谱可视化分析方法进行计量可视化分析, 梳理海洋波浪能领域研究趋势、科研力量布局、分析主要涉及学科方向和学科交叉趋势, 构建领域监测指标和前沿热点剖面, 挖掘领域演进脉络与高被引关键文献, 分析全球海洋波浪能研究领域研究动态、前瞻热点及未来趋势。基于文献计量的研究态势分析方法实现路线图如图 1所示。

1.2 数据来源与方法

文献数据来源于WOS科技文献检索平台, 采取主题关键词检索式: TS=((sea or ocean or marine or offshore or off-shore or seafloor or seawater or seabed or "deep* sea" or "deep* seas" or "deep* water*" or "deep* ocean*") near/10(wave energy*) near/10(generate* or convert*)) and WC=(ENERGY FUELS OR GREEN SUS TAINABLE SCIENCE TECHNOLOGY OR ENGIN EERING CIVIL OR ENGINEERING MEC HANICAL OR ENGINEERING MARINE OR MECHANICS OR INSTRUMENTS INSTRUMENTATION OR ENGI NEERING MULTIDISCIPLINARY), 数据库为Web of Science核心合集SCI-E, 年限为“所有年份”, 文献类型为Article、Review articles、Proceedings Papers, 共得到1 868篇文献(检索时间为2022年6月22日), 经人工甄别与数据清洗, 摒除不相关的文献371篇, 最终得到1 497篇有效数据。每条文献包括作者、机构、摘要、关键词、发表年份、期(卷)及参考文献等。

本文主要使用了文献计量和知识图谱两种分析方法, 采用Bibexcel、Pajek和VOSviewer软件开展分析。文献计量法是采用数学、统计学等方法来定量描述、评价和预测学术现状与发展趋势的研究方法^[6]; 知识图谱是显示科学知识的发展进程与结构关系的知识领域映射地图。Bibexcel是由瑞典科学家Olle Persson开发的一款用于数据清洗与文献计量的软件^[7]; Pajek是由荷兰学者Vladimir Batagelj和Andrej Mrvar开发的是用于处理大型数据集合、研究目前所存在的各种复杂非线性网络的可视化分析工具^[8]; VOSviewer是由莱顿大学(Leiden University)团队开发的用于构建和可视化文献计量网络的软件工具。

2 海洋波浪能研究概况 2.1 研究变化趋势

从发文量角度看, 全球海洋波浪能研究从20世纪80年代起步, 2005年之前发文数量较少, 发展较缓, 2005年开始海洋波浪能研究增多, 逐步升温(图 2)。在碳中和、碳达峰战略背景下, 波浪能作为清洁能源成为一种亟待开发的具有战略意义的新能源, 全球包括英国、美国、中国等在内的多个国家均在探索开发波浪能技术及系统, 对于整个波浪能科研起到了至关重要作用, 刺激了研究论文的增长。全球海洋波浪能年总发文量1 486篇, 2016年被引次数最高(3 533次), 2021年发文达到高峰(199篇), 反映了近年来全球海洋波浪能科研论文质量与研究热度。近5年平均发文量达189篇、年均被引为2 788次, 总体来看全球海洋波浪能领域科研趋势持续升温, 彰显出海洋波浪能活跃的创新潜力与发展前景。

2.2 科研力量布局 2.2.1 主要国家或地区

通过对全球海洋波浪能领域各研究国家发文量、总被引及平均被引次数等综合指标比对分析(表 1), 能够透析该领域优势来源国及竞争力布局。结果发现, 中国、英国、美国发文量及占比排名靠前, 遥遥领先其他国家, 正处于快速上升期; 英国、美国、葡萄牙的总被引频次列入全球前三, 达4 000次以上, 一定程度上代表着海洋波浪能领域的科研影响力; 挪威、葡萄牙、丹麦、英国的平均被引次数较高, 均超过30次/篇; 中国虽然发文数量及占比最高, 但总被引频次并不高(3 640次), 平均被引次数排名落后, 仅为12.13次/篇。而从同行被引次数看, 英国、葡萄牙、西班牙占据有利竞争地位。综合来看, 英国、美国在该领域综合实力处于领先位置, 中国在海洋波浪能领域科研竞争力和影响力亟需更大提升。

通过Bibexcel对全球海洋波浪能领域SCIE数据库的1 497篇研究论文进行文本合并、数据除重和清洗后, 提取作者所在国家信息, 设置阈值为25, 保留前25位国家或地区, 创建网络(net)文件和矢量(vec)文件, 并加载到Pajek中, 绘制出国家合作网络, 如图 3所示。图 3中圆圈节点表示国家, 节点大小表示节点的度值大小, 节点越大, 代表与该节点国家合著的节点国家的数量越多, 则节点影响力越高, 在网络中占有的位置就越重要。如果国家之间产生合作, 它们之间就会用线连接起来, 即连线表示两国共同发表论文的数量, 节点之间线越粗, 代表节点关联强度越大。从图 3国家合作网络图谱中可以看出, 英国处于合作网络的核心地位, 其次为中国、美国、澳大利亚、西班牙、葡萄牙、爱尔兰等国家, 也具有很大影响力。从网络连线粗细来看, 英国的主要合作对象除了中国外, 还有西班牙、爱尔兰、丹麦、美国等国家, 这些国家在海洋波浪能领域具有较强合作力量与科研优势。中国在该领域的国际合作方面较活跃, 与英国、美国、澳大利亚和新加坡合作往来较多, 仍需加强与领域更多科研强国联系与互动。

2.2.2 重点研究机构

通过全球海洋波浪能领域机构分布及比较研究, 能够明确领域核心机构、力量配置与创新区域。在机构发文量方面, 居于前5位的机构分别为葡萄牙里斯本大学高等技术研究所、英国普利茅斯大学海洋科学与工程学院、英国爱丁堡大学能源系统研究所、中国的大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室、瑞典乌普萨拉大学工程科学系。葡萄牙、英国、中国的研究机构在海洋波浪能研究方面发文量占据一定优势(图 4), 这些国家的机构主要由大学系统、研究系所和海洋工程类国家重点实验室组成。从各机构系别来看, 全球海洋波浪能主要力量集中在高校及科研院所的工程学科和能源学科, 不仅仅包含海洋工程、能源系统, 还涉及机械工程、土木工程、电气工程等, 代表波浪能开发与研究的学科交融与多元化发展趋势。在全球前20位研究机构中, 英国的机构占据四分之一, 科研优势地位明显, 占领着世界波浪能研究的中心。从被引次数看, 英国的普利茅斯大学海洋科学与工程学院、葡萄牙的里斯本大学高等技术研究所、圣地亚哥德孔波斯特拉大学以及瑞典的乌普萨拉大学工程科学系占据重要位置。

2.2.3 核心人才队伍

从全球视角扫描海洋波浪能研究领域核心作者及分布, 能够盘点高潜人才、挖掘核心团队, 为波浪能领域人才引进与科研合作提供支撑。全球海洋波浪能发文量前20位高产作者综合指标如表 2所示。核心作者Leijon M发文量和发文占比最高, 来自瑞典乌普萨拉大学工程学系、可再生能源转换研究中心, 主要研究方向为能源工程与燃料; 核心作者Iglesias G的总被引、年均被引及行业内被引次数都是最高的, 在波浪能领域有着较深学术影响力, 他来自英国普利茅斯大学海洋科学与工程学院, 研究集中在线性发电机、波浪能转换装置、深水波浪能提取模拟发生器等方面; 核心作者Vicinanza D平均被引次数最高, 来自意大利那不勒斯大学, 在复合式海堤波浪能转换系统、波浪能和海上风能的联合开发及多能互补方面研究造诣深厚。

高产作者合作网络图谱(图 5)中的每个节点代表海洋波浪能领域的1位专家, 节点越大, 在网络中占有的地位就越重要, 表征着一定的领域研究水平。节点之间连线代表专家合作的关联程度, 连线越粗, 即连线上的共现次数值越大, 研究领域的相关性就越大, 两者间研究合作的次数越多。可以看出, 全球海洋波浪能形成了部分显著的合作群体, 其中第一团体以Leijon M、Bostrom C、Waters R、Eriksson M等为核心, 是瑞典可再生能源转换中心、乌普萨拉大学电子工程系卓越队伍, 长期致力于波能变换器运行分析、线性发电机和海上变电站、波能转换系统电气控制策略等; 第二团体以Iglesias G、Ringwood J V、Ramos V为代表, 在海洋波浪能研究中跨机构、跨学科合作较强, 分别来自英国普利茅斯大学海洋科学与工程学院、梅努斯大学海洋能源研究中心和圣地亚哥德孔波斯特拉大学, 在波浪能资源评估和特征描述方面做出很大贡献; 第三团体以Gato L M C、Henriques J C C等为核心, 主要来自葡萄牙里斯本大学, 研究集中在振荡水柱波能转换装置和空气涡轮机。此外, 还形成以2人、3人为主的小团体, 研究力量相对分散。总体来看, 全球海洋波浪能研究虽已形成部分合著群体, 但网络中节点间资源的相互流通性一般, 群体间存在合作孤岛现象, 该领域全球合作态势仍有较大发展空间。

3 海洋波浪能学科领域分析 3.1 领域学科方向

依据Web of Science(WOS)学科分类, 全球海洋波浪能所涉及的相关研究学科有: 能源与燃料学、绿色可持续科学技术、工程海洋、海事工程学、土木工程、热力学、电气与电子工程等(表 3)。其中能源与燃料学所占比重最大, 有805篇相关论文, 其次是绿色可持续科学技术, 有424篇论文, 工程海洋学科有389篇。

3.2 学科交叉分析

以海洋波浪能领域1 487篇来源数据为基础, 在Bibexcel中以WC(web of science类别)为数据提取标签, 经过数据合并、转换与清洗, 将前20位领域共现结果转入pajek软件可视化处理, 得到如图 6所示的领域共现知识图谱。图 6共有20个节点, 91条连线, 每个网络节点代表海洋波浪能研究的某相关主题领域。能源与燃料学(Energy & Fuels)、绿色可持续科学技术(Green & Sustainable Science & Technology)、工程海洋(Engineering, Ocean)占据主导, 是主要的关联研究领域。热力学与机械学、工程海洋与机械工程、土木工程与电气电子工程之间有着较强的关联度, 它们之间存在着重要的学科交叉性。此外, 环境科学和水资源、机械学等学科间也存在领域结合点, 其创新及结合对于海洋波浪能领域研究发展起着关键作用。

3.3 发表期刊分布

自20世纪80年代以来, 国际海洋波浪能相关科研文献分布于149种能源学、海洋科学与工程、物理学等方面的期刊, 载文量前20位的期刊如表 4所示。出版来源国主要集中在英国、美国, 其被引及影响因子具有较高的领域竞争力。

4 海洋波浪能前沿剖面分析 4.1 前沿热点监测

对全球海洋波浪能科学前沿热点的监测有助于发现领域重要科学问题和关键技术革命性突破的先兆, 对于进一步强化该领域的科研布局和技术攻关具有重要支撑意义。采用文献计量与情报可视化分析方法, 构建波浪能领域关键词共现网络(图 7)和引文网络(图 8), 结合聚类算法进行文献主题聚类, 挖掘较为明显聚类成群的主题以及对应的文献群落, 从文献的标题、摘要和关键词中提取凝练主题方向, 将海洋波浪能研究领域划分为4个主要基础技术方向(表 5)。

从科学文献计量评价指标和知识图谱角度进行知识前沿挖掘, 能够宏观地把握目前研发的热点及热点之间的关系, 有助于开展科学前沿的监测和关键技术的识别。海洋波浪能领域研发热点前沿评价指标说明见表 6。

基于波浪能研究领域波浪能转换装置子技术方向SCIE论文数据, 绘制该技术方向的引文网络(图 9)、高频关键词共现网络(图 10), 并通过自然语言处理从标题、关键词、辅助关键词以及摘要中提取名词性术语, 构建术语共现网络, 并按照TF-IDF算法提取主题词列表(表 7), 整理高频关键词、TF-IDF主题词、高被引新词等, 综合判断子技术领域基础研究前沿与研发方向。全球海洋波浪能各方向热点前沿剖面如表 8所示。

全球海洋波浪能研究主要集中在波浪能转换装置、波浪能资源评估、振荡水柱波能转换、波浪能多能互补及环境相互作用4个技术方向。围绕波浪能转换装置方向, 主要聚焦点吸收器、发电机及动力输出装置等进行热点前瞻部署和集中攻关创新, 关注流体动力性能, 近年来研究多集中在混合动力系统、动力输出系统等。围绕波浪能资源评估方向, 已在地中海、黑海等全球热点海域开展资源评估与能源勘查, 收集波浪能势、波高等条件参数, 近年来更加关注波浪能资源分类系统。围绕振荡水柱波能转换方向, 侧重气室系统、冲击式涡轮机和杆式浮标振荡水柱等研究, 近年主要关注圆柱形双室、双径向涡轮机。围绕波浪能多能互补及环境相互作用方向, 研究多倾向于风能和波浪能组合装置, 近年来在波浪能-风能综合利用系统、组合式风能波浪能联合发电装置技术等方面进行开拓性研究。

由引文关键词及文献主题分析可知波浪能领域的热点分布和发展现状, 并可从中洞悉该领域的一些重要科学问题。波浪能发电系统包含受波与转换装置、发电装置, 已成为波浪能发电系统的重中之重。根据主题前沿与热点综合分析可知, 未来波浪能科学研究发展将主要呈现以下趋势: 研发基于新原理的或改进的波浪能发电技术、由单一的波浪能发电技术向波浪能与其他能源发电技术集成应用发展、由波浪能发电向波浪能综合利用发展、由波浪能近岸应用向深海应用发展。

4.2 核心文献与演进脉络

选取海洋波浪能领域检索数据集中文献引用次数最多的30篇文献(表 9), 利用HistCite引文分析软件制作高被引论文之间相互引用关系图, 见图 11。表 9每一篇HisctCite自动编号的文献已按本地引用次数由高到低排列。图 11中每个圆圈表示一篇文献, 圈中数字为该文献在HistCite中的编号, 圈内面积与该文献本地被引次数绝对值成正比^[9]。圆圈越大意味着被引次数越多, 受关注度越高。不同圆圈间有箭头连接, 箭头指示文献间引用关系, 箭头指向被引文献, 箭尾指向引证文献。另外, 我们也可以根据连线密度与外延程度推断研究领域的活跃度以及对其他领域的影响^[10]。

海洋波浪能领域高引用的核心文献有编号115 (Falcao A F D, 2010)^[11]、编号74(Falnes J, 2007)^[12]、编号111(Drew B, 2009)^[13]、编号457(Falcao A F O, 2016)^[14]、编号57(Henderson R, 2006)^[15]、编号213 (Gunn K, 2012)^[16], 本地引用次数均达到100次以上。其中编号115^[11]高被引数高达381次, 主要论述了20世纪70年代以来波浪能利用的发展, 描述波能资源特征, 特别是与波浪能量吸收和控制的流体动力学相关的理论背景, 提出了波浪能概念、设计、模型测试、构建和部署应用, 以及对于特定设备(空气涡轮机和水轮机、高压液压系统、线性发电机)和系泊系统开发的建议, 成为领域最有影响力的核心文献; 编号74^[12]分析了与海洋中波浪能量的传输、分布和变化有关的波谱参数, 提出了多种不同类型的波能转换装置, 并推导了浸入式振荡系统的提取能量与体积之比的上限; 编号111^[13]评估了代表当前波浪能转换装置(WEC)技术的设备类型, 尤其侧重于英国正在研发的装置, 确定可能的功率输出系统和控制策略, 以提高点吸收器型波浪能转换装置的效率; 编号457^[14]全面回顾了振荡水柱技术和空气涡轮机, 并重点阐述了振荡水柱变换器的理论、数值和实验建模技术。最后指出无功相位控制、闭锁相位控制与涡轮机转速控制是振荡水柱波能转换要解决的重要问题; 编号57^[15]介绍了一种用于“海蛇”波能转换装置的液压动力输出系统, 分解该系统的开发过程, 包括全尺寸的模拟和效率测量结果, 为领域装置设计研发提供参考; 编号213^[16]指出波浪能转换装置(WEC)的持续发展和大规模部署, 需要对全球海洋波浪能潜在资源进行量化, 从而洞察潜在的资源位置和未来市场。

由引文历史脉络图可知, 该领域最早的节点是发表于1999年的编号27(Falnes J, 1999)^[17], 重点阐述了如何通过两个单模振荡体之间的相对运动实现波能转换。从整个引文编年时序看, 该文陆续被后来多数学者参考和引用, 成为该领域的开山之作。1999—2006年处于研究初始阶段, 有部分学者开启进一步研究, 涌现出个别影响力文献, 如编号43(Polinder H, 2004)^[18]介绍了用于阿基米德波浪摆动中波能转换的线性永磁发电机系统; 编号45(Leijon M, 2005)^[19]介绍了永磁直线发电机波能到电能转换的多物理模拟。此阶段文献少、热点也少且零散, 文献引证关系简单, 研究内容具有局限性, 研究方向具有分散性, 但还是为后续研究夯实了基础。2007—2015年为海洋波浪能研究的繁荣发展阶段, 出现了一批关键节点的核心文献, 如编号74、编号57、编号111、编号115、编号213等, 主题分布在波浪能转换装置、振荡水柱波能转换、波浪能潜在资源评估等, 该阶段整体引证密度较大, 说明此阶段海洋波浪能研究正在快速推进, 处于核心文献高产阶段, 研究内容有所拓宽, 研究热点表现出多元化态势。2016年后海洋波浪能研究进入深化发展阶段。2016年的文献节点开始减少, 而且图上并没有2017年之后的线, 这并不代表近期海洋波浪能领域研究不热门, 近两年发表的文章比较多, 但可能是由于近期发表文章时间短、作品较新, 导致到现在为止被引频次还不多。该阶段代表文献有编号457(Falcao A F O, 2016)^[20]和编号651(Mustapa M A, 2017)^[21], 分别阐述了振荡水柱技术与空气涡轮机、浮式防波堤与波浪能发电一体化及多能集成。该阶段深入了更微观层面, 研究深度延伸、内容更加细化, 展示出海洋波浪能持续研究热度与活跃度。

5 总结与建议

海洋可再生能源是取之不尽、用之不竭的清洁能源。海洋波浪能具有开发潜力大、可持续利用、绿色清洁等优势, 已经成为国际上重要的战略性资源。通过文献计量与知识可视化地图方法挖掘全球海洋波浪能前沿和热点主题, 把握科研态势、前沿方向和技术热点。

随着人们对海洋可再生能源需求和可持续发展, 全球海洋波浪能科研论文体量及被引量整体呈逐步上升趋势, 反映出领域文献学术水平和受重视程度越来越高, 全球研究者对海洋波浪能领域的关注持续升温。从发文国家来看, 英国、美国、葡萄牙、西班牙在海洋波浪能领域拥有较强的科研竞争力和学术影响力。在机构层面, 英国的普利茅斯大学海洋科学与工程学院、葡萄牙的里斯本大学高等技术研究所等机构占据重要位置。大多数拥有先进波浪能发电技术的国家及研究机构集中在欧洲, 它们所在的沿海区域往往是重要的经济带, 重视海洋新能源的开发和利用, 同时也拥有较好的科研基础和资金支持。中国在该领域研究产出数量相对较多, 但科研机构和团队的成果数量及论文质量亟需提升。国际虽已形成部分合著群体, 但与该领域科研强国研究联系不够紧密, 研究群体间存在合作孤岛现象, 该领域全球合作态势仍有较大发展空间。海洋波浪能是多学科交叉的新兴领域, 对全球海洋波浪能的开发利用不仅要考虑流体力学、热动力学、能源与燃料学等学科发展, 也要促进与海洋工程、机械及电气电子工程等学科的融合, 并兼顾对海洋生物资源、景观资源、空间资源及海洋水动力环境资源等的影响。

全球海洋波浪能转换的技术发展还未达到成熟的阶段, 可俘获波浪的海域所需环境条件也给能源开发带来很多不确定性。此外在目前阶段波浪能开发尚还存在经济性问题, 因此一方面需要加强波浪能电能转换装置研发、控制策略优化, 另一方面需要突破技术投资成本及利润的评估和可行性分析^[22-23]。全球海洋波浪能研究热点主要集中在波浪能转换装置、波浪能资源评估^[24-25]、振荡水柱波能转换、波浪能多能互补及环境相互作用。多元化和综合利用是波浪能发展的新趋势, 与风能等新能源多能互补和组合式联合发电、与其他海上结构耦合开发已成为海洋波浪能领域发展的重要方向。