國內海洋能發電技術發展研究及合理建議

劉子銘 李東輝

(大連交通大學電氣信息學院，遼寧 大連 116028)

提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護海洋權益，建設海洋強國是新時期我國海洋事業的發展方針[1]。由于兩次石油危機和地球資源的持續銳減，各能源消費國加強了對可再生能源開發的重視，海洋能發電事業得到了快速發展。近年來，國內外關于海洋能源發電課題的研究逐步深入，英國、挪威、澳大利亞、日本、韓國及加拿大等國的海洋能發電裝置已投運或商業化運營；我國海洋能源發展起步較晚，但針對具體海域情況和發展要求，在我國可再生能源政策的支持和引導下，部分海洋能發電站也已投運。

國外海洋能發電技術主要集中在歐洲，以英國為主，亞洲以日本為主，關鍵技術領先，掌握大量專利和知識產權，法國朗斯潮汐電站(年發電量為5.44億kW·h)、英國塞汶電站(年發電量為720萬kW·h)及加拿大芬地灣電站(年發電量為380萬kW·h)[2]等均采用潮汐發電技術；潮流發電技術，如Marine Current Turbine公司的SeaGen潮流發電裝置已在英國沿海投入運營[3]，單機功率達1.2MW，整機運行可達2MW；波浪發電技術方面，如日本的巨鯨號浮動型波浪發電站(120kW)已完全投入運營。表1為國外先進波浪發電技術的案例。在海洋溫差發電技術上美國、日本是主要強國，日本佐賀大學2013年3月在沖繩縣完成一種新型OTEC電站，并在4月開始試驗，其主要目的是向公眾證明有效性并展示模型。2014年7月，DCNS集團與Akuo能源合作，宣布由NER300計劃資助NEMO項目，裝機16MW、總輸出達10MW的電廠將是迄今為止最大的OTEC電廠。鹽差發電目前國外都處于實驗室試驗階段，尚無成熟案例。

表1 國外先進波浪發電技術裝置

(續表1)

2 潮汐發電

2.1 我國潮汐發電現狀

潮汐發電，利用海水漲潮落潮時造成的高低水位差，帶動水輪發電機組發電。根據蓄水庫型可分為單庫單向型、單庫雙向型和雙庫單向型。

我國潮汐發電開始于20世紀50年代后期，迄今為止建成8座電站，總裝機量6 120kW。我國自主研制了單機容量500kW和700kW的燈泡貫流式水輪發電機組[8]。開發潮汐能一般在水深20～30m、距海岸線1km以內的海域。表2列出我國已建成的大型潮汐電站。

表2 我國已建成的大型潮汐電站

2.2 我國潮汐發電的主要技術難題

我國潮汐發電的主要技術難題有：工程投資大、水輪發電機組造價高；水頭低、機組耗鋼多；發電不連續；泥沙淤積問題；海水、海生物腐蝕和掛粘問題[9]。

2.3 合理建議

潮汐發電技術在我國發展最早，技術成熟，證明我國在此領域已具備大規模建設并投運的可能，在水工建筑物形式及施工方法等方面不足的原因是國內沒有關于此方面的專業施工團隊，在單位裝機造價方面，應考慮更多的大范圍公開招標，降低成本的同時使該技術更成熟，同時應借鑒英國在此技術方面的發展經驗。

3 潮流發電

3.1 潮流發電的原理和關鍵技術

根據海洋潮流運動和風場流動的相似性，以風力發電技術為原型衍生出新型海洋能發電技術，該項技術的關鍵是水輪機的設計。由于水平式潮流發電水輪機效率很低，為了提高發電機組效率，通常加裝輔助導流罩，這樣不僅可以提高能源利用率，還可以減少海生物對設備的影響，如圖1所示。潮流發電機組的固定裝置將承受巨大的負荷力矩才能保證整個系統穩定運行，因此固定方式采用較多的有漂浮式、系泊式、基樁式及重力式等[9]。

圖1 加裝導流罩后的水輪機

3.2 我國潮流發電技術研究現狀

由哈爾濱工程大學設計研制的“萬向Ⅰ”型70kW潮流試驗電站和“萬向Ⅱ”型40kW潮流發電試驗電站(垂直式)，分別被列入“九五”期間國家科技攻關計劃和國家“863”計劃。機械科學研究總院與中國海洋大學聯合承接國家“863”計劃項目海洋潮流能驅動的柔性葉片發電設備研究，該裝置已在中國海洋大學進行了水槽模型試驗，并獲得了較好的試驗效果。2014年，由哈爾濱工程大學協同中海油研究總院等多家單位研制，具有我國自主知識產權的“海能Ⅲ”號立軸潮流發電站在浙江岱山縣龜山水道成功運行，“海能Ⅲ”號是世界發電量最大的漂浮式立軸潮流能示范電站，標志著我國潮流發電在關鍵技術上處于世界領先水平[10]。

3.3 合理建議

潮流能繼承了潮汐發電中優勢方面技術，應先建設百千瓦級示范裝置，解決機組的水下安裝、維護和海洋生態環境中的生存問題。和風力發電一樣，應發展“機群”，以一定的單機容量發展標準化設備，從而達到工業化生產降低成本的目的。同時研究人員還應加強國際間的技術交流。

4 波浪發電

4.1 波浪發電的原理、分類和關鍵技術

波浪發電是利用波浪運動的位能差、往復力或浮力產生動力，通過發電機來產生電能。波浪發電的關鍵技術在于如何有效利用不規則運動的波浪能。

波浪發電技術按波浪發電機的種類被分為傳統型和試驗型。傳統型波浪發電技術采用旋轉式電機作為發電單元，目前大部分投運中或試驗效果較好的裝置都采用傳統發電機作為發電單元，其技術相對成熟，運行相對穩定，但能量轉換裝置使能源利用率較低。試驗型波浪發電裝置采用各種新型發電裝置作為發電單元，如直線電機、飛輪電池及各種切割磁感線裝置等，其相應技術都處于試驗或理論設計階段，但其簡化或省去了能量轉換裝置，提高了能源利用率。

振蕩水柱式(OWC)波浪發電裝置是當今世界最普遍的海洋波浪能轉換器，其有效地將不規則波浪能轉換為雙向直線運動的氣流，從而帶動渦輪發電機發電，由于裝置內氣流雙向運動，研制單向旋轉的空氣透平發電機成為其關鍵技術，圖2所示為OWC波浪發電原理和雙向沖擊式透平。

圖2 OWC裝置原理和雙向沖擊式透平

4.2 我國波浪發電技術發展現狀

近30年波浪發電的研究發展迅速，我國首先成功研制了氣動式航標燈用微型波浪發電裝置，在我國南北沿岸海域和大型燈船上廣泛應用，彎管型浮標波浪發電裝置已出口國外，這標志著我國在微型波浪發電技術和小型岸基式波浪發電技術上已進入世界先進行列。波浪能的并網方案和策略一直是國內研究的焦點[11]。為解決由于潮汐造成的水位差，波浪發電自適應裝置的研究也成為國內主要的研究課題[12]。

由中國科學院廣州能源研究所研制的“鷹式一號”新型海洋波浪發電裝置于2012年12月28日在萬山島海域投放并成功運行，“鷹式一號”與現有波浪能裝置相比具有較多優勢，實現了小浪況下間斷發電、大浪況下連續發電，并始終保持高效率運行[13]。裝置在海洋中拖行或航行時，水阻小、穩定性好，可滿足遠距離拖行要求。投放與回收不需要海上工程船舶，裝置回港維修或在海面檢修時，裝置整體上浮露出甲板，方便技術人員對其進行檢修和保養。

4.3 波浪發電發展趨勢

波浪發電技術是一個集合了機械、物理、力學、防腐及海洋科學等多領域的課題，目前關于波浪能發電技術的研究大部分還處于試驗階段，少數處于運營階段，所以該方面的課題尚處于發散狀態[14]。

多元發展和綜合利用是波浪發電技術的另一個方向，結合防波堤等海洋工程設施建造波浪發電站，可減少開發成本。多種可再生能源的綜合利用也具有較大的發展空間，如波浪發電、海風發電、海洋太陽能發電的結合，為海島、海上鉆井平臺供電等[15]。

4.4 合理建議

我國波浪能發電事業應逐步發展為獨立行業，近期主要以岸基式波浪能發電站為目標，但大規模利用要考慮發展漂浮式波浪發電站，鼓勵制造水下裝備經驗豐富的傳統企業與科研單位合作，縮短產業化的距離，發揮我國在制造成本上的優勢，加強百千瓦級機組的商業化工作，經小范圍推廣后，再根據歐洲的波浪能資源，設計制造出口型裝置。現階段適合開發波浪能的地區為長江口以南沿海地區，以北海域由于全年浪低，波能功率密度較低[16]。

5 海洋溫差發電

5.1 海洋溫差發電原理和我國技術發展近況

海洋溫差發電是利用深層海水與表層海水的溫度差來汽化工作流體，帶動渦輪機發電。根據循環方法不同分為閉式循環、開式循環和混合循環[17]。

我國海洋溫差發電技術起步較晚，美國及日本等技術強國在此領域一直處于世界先進行列，近年來由于國家對可再生能源發電的政策支持，海洋溫差發電快速發展，“十一五”國家科技支撐計劃15kW海洋溫差能發電裝置所使用的國海循環發電效率達5.1%，而美國朗肯循環的發電效率為3.0%，日本上原循環的發電效率是4.9%，這表明我國已躋身海洋溫差發電的世界前列，成為第三個獨立掌握海洋溫差發電技術的國家[18]。

5.2 前景展望與合理建議

海洋溫差發電技術的優點是幾乎不會排放二氧化碳，可以獲得淡水，由于它可將深海富營養鹽類的海水抽到上層來，將有利于海洋生物的生長繁殖。我國若將發電、海水養殖和淡水供應結合起來綜合開發，將會取得更好的經濟效益。

中國華彬集團與美國洛克希德馬丁公司技術投入型簽約，計劃在我國南海建造海洋溫差發電站，這標志著我國在新能源發電設備制造領域已達到世界先進水平，所以我國應擴大該技術在商業化領域的投入，加大同民營企業的技術合作。

6 海洋鹽差發電

6.1 鹽差發電原理

鹽差能是指海水和淡水之間或兩種含鹽濃度不同的海水之間的化學電位差能，主要存在于河海交界處或淡水資源豐富的鹽湖和地下鹽礦。按發電原理分為滲透壓法、蒸汽壓法和反電滲析電池法[19]。

6.2 我國鹽差發電技術成果與合理建議

西安建筑科技大學對水壓塔系統進行了試驗研究，上水箱高出滲透器約10m，用30kg干鹽可以工作8～14h，發電功率為0.9～1.2W[20]。我國在鹽差發電技術領域一直處于低速發展態勢，據預算，反電滲析電池裝置投資成本約50 000美元/(kW·h)，而滲透壓法裝置的發電成本也高達10～14美元/(kW·h)，蒸汽壓能法裝置研制更是無法估算。導致鹽差發電裝置造價昂貴的原因是滲透膜成本太高、使用壽命過短，我國現階段還不適合大規模應用鹽差發電裝置，應在理論研究和滲透膜研制方面加大投入和支持。

7 海洋能綜合發電系統

7.1 近海可再生能源綜合發電技術

海洋能綜合發電技術是將潮流發電技術、波浪發電技術及海上風力發電技術等結合在一起試驗綜合發電。目前在世界范圍內對近海可再生能源綜合發電系統的研究還很少。在混合發電系統的可行性、混合發電系統的控制策略、各個發電裝置的最大功率跟蹤控制及平滑功率波動等技術上還處于試驗階段[21]。

7.2 我國海洋能綜合發電技術的近況

近年我國在海風力發電、波浪能發電及潮流能發電等近海可再生能源發電技術領域蓬勃發展，在此基礎上，提出了融合近海風力發電、波浪能發電和潮流能發電的近海可再生能源綜合發電系統的構建、建模和控制，在發電裝置優化組合和空間布置、綜合發電單元能量轉換效率、交互性影響分析、能量管理、綜合發電單元等效建模及建立含綜合發電廠電網的分層次控制策略體系等方面都取得了相應的成績[21]。圖3所示為近海可再生能源綜合發電系統結構示意圖[22]。

7.3 合理建議

海上可再生能源綜合發電系統在我國還是比較新穎的課題，目前國內對這個課題還只是理論研究和仿真模擬，我國海上可再生能源綜合發電技術的主要問題還是并網策略問題，應借鑒我國風力及光伏發電等并網策略，進行部分試驗裝置的制造和投放，為燈塔、海標和海上各種平臺進行供電試驗。

圖3 近海可再生能源綜合發電系統結構示意圖

8 國內外相關政策閱讀

英國政府在2013年12月確定了對海洋能的固定上網補貼，項目裝機容量在30MW以內，波浪能和潮汐能項目給予508.5美元/(MW·h)的補貼。美國的海洋能發電融資為0.41億美元，較2012年增長20.6%，增幅具全球之首；中國海洋能發電融資較2012年僅增長0.01億美元；法國和韓國海洋能發電融資較2012年基本持平，融資難也成為制約我國海洋能發電事業的一大主要問題。《2013年全球海洋能發電產業概況》指出，降低成本是海洋能發電產業未來發展的重要任務[23]。近日華東能源監管局對轄區內項目裝機容量6MW(不含)以下的海洋能等新能源發電項目實行豁免電力業務許可，經營總裝機6MW(不含)以下的海洋能新能源發電，可以簡化相關發電類電力業務許可證申請要求[24]。2012年，我國海洋局908專項海洋能普查進行了波浪能重點開發利用區資源勘查和選劃，為我國近海波浪能資源開發利用規劃提供決策依據[25]。

9 結束語

我國若要實現海洋能發電商業化發展，必須突破技術難關，鼓勵民營企業在海洋能發電技術領域進行科研投入，適當建立商用、民用、軍用相互聯系的合作關系，從而解決成本高的難題，可以引進國外少數關鍵技術，進行技術本土化，將資源優化后投放到攻關的技術難題上，實現與技術強國的同步。國家應大力提倡并支持海洋能發電事業發展，從而使融資額加大，著力解決技術攻關所需資金問題及開發周期過長等問題。在政策上適當放寬條件，給予更大裝機容量和經營總裝機容量的豁免許可并簡化申請要求。國內研究者還應轉變思想，著眼于國家未來發展。常規發電技術成本低，但80%左右來自火力發電(燃煤發電)，如果遇到用電量超額需啟動補峰發電機，浪費大量石油資源，海洋能源發電技術成本雖高，但其優點是可再生、持續、清潔。與此同時國外已經開始對海洋能發電技術生態影響進行大量研究，我國在這方面幾乎處于空白階段，所以大力發展海洋能發電技術，對于優化我國能源消費結構，支撐經濟社會可持續發展意義重大。

[1] 楊寧生.我國海洋新興產業戰略概觀[J].工程研究-跨學科視野中的工程,2014,6(2):156～166.

[2] Baker C.Tidal Power[J].Energy Policy,1991,19(8):792～797.

[3] Ozan K，McDonald A S，Mueller M.A Direct Drive Permanent Magnet Generator Design for a Tidal Current Turbine(SeaGen)[C].2011 IEEE International Electric Machines & Drives Conference.IEEE：Canada，2011：224～229.

[4] Henderson R.Design,Simulation,and Testing of a Novel Hydraulic Power Take-off System for the Pelamis Wave Energy Converter[J].Renewable Energy,2006,31(2):271～283.

[5] Kofoed J P,Frigaard P,Friis-Madsen E,et al.Prototype Testing of the Wave Energy Converter Wave Dragon[J]. Renewable Energy,2006,31(2):181～189.

[6] Esteban M,Leary D.Current Developments and Future Prospects of Offshore Wind and Ocean Energy[J].Applied Energy,2012,90(1):128～136.

[7] Nanehkaran A M B,Deniss T.Wave Energy Extraction System Using an Oscillating Water Column Attached to the Columns of an Offshore Platform[P].U S：13/518,734，2010-12-24.

[8] 張斌.潮汐能發電技術與前景[J].科技資訊,2014,(9):3～4.

[9] 戴軍,單忠德,王西峰,等.潮流發電技術的發展現狀及趨勢[J].能源技術,2010,(1):37～41.

[10] 唐曉偉.“海能Ⅲ”號立軸潮流能電站運行[N].中國船舶報,2014-05-23(6).

[11] 盧婷,劉哲,王皓君,等.波浪能并網影響研究綜述[J].電工電氣,2014,(2):1～3.

[12] 劉圣冠,顧煜炯,王兵兵,等.自適應潮位變化的岸基式波浪能發電裝置[J].可再生能源,2014,32(5):723～726.

[13] 陳愛菊,游亞戈,盛松偉,等.鷹式波浪能裝置旋轉碰撞的損傷分析[J].新能源進展,2014,2(2):129～134.

[14] 肖曦,擺念宗,康慶,等.波浪發電系統發展及直驅式波浪發電系統研究綜述[J].電工技術學報,2014,29(3):1～11.

[15] 陳韋,余順年,詹立壘,等.波浪能發電技術研究現狀與發展趨勢[J].能源與環境,2014,(3):83～84.

[16] 王綠卿,馮衛兵,唐筱寧,等.中國大陸沿岸波浪能分布初步研究[J].海洋學報,2014,36(5):1～7.

[17] 門浩.淺談海洋溫差能發電[J].科技創業家,2013,(21):170.

[18] 陳萌.冷暖之間發掘海洋無限力量[N].科技日報,2013-01-23(7).

[19] 楊捷,胡以懷.長江口鹽差能發電站的選址[J].可再生能源,2013,31(1):114～116.

[20] 劉伯羽,李少紅,王剛.鹽差能發電技術的研究進展[J].可再生能源,2010,28(2):141～144.

[21] 吳峰,鞠平,秦川,等.近海可再生能源發電研究綜述與展望[J].河海大學學報(自然科學版),2014,42(1):80～87.

[22] 秦川,鞠平,聞丹銀,等.近海可再生能源綜合發電的系統構建與并網方式[J].中國電機工程學報,2014,34(13)：2013～2021.

[23] 劉艾瑛.全球海洋能發電后勁不足[N].中國礦業報,2014-07-08(8).

[24] 楊曉翔.豁免五類項目電力業務許可[N].中國電力報,2014-07-18(3).

[25] 訚耀保.海洋波浪能綜合利用——發電原理與裝置[M].上海:上海科學技術出版社,2013.