海洋能發電技術研究

【摘要】海洋能是取之不盡、用之不竭的清潔能源。海洋能多種多樣，主要包括波浪能、潮流能、潮汐能和溫差能等。利用海洋能發電能夠改善能源結構和環境，有利于海洋資源開發，受到許多國家的重視。文中對各種海洋能發電系統的主要技術原理、特點和國內外技術現狀作了綜述，最后指出海洋能利用的意義和前景。

【關鍵詞】海洋能;海洋能發電;可再生能源

Abstract：This paper presents the elements and the characteristic of the Ocean Energy Generation Technology，and recommend the actuality of the Ocean Energy Generation Equipment.

Key word：Ocean Energy;Ocean Energy Generation Technology;reproducible Energy

1.引言

2008年全球一次能源消費量為143851TWh，其中81.2%來自化石燃料。隨著礦物燃料的日趨枯竭，世界主要海洋國家紛紛將目標轉向蘊藏豐富能源的海洋，不斷加大科技和資金投入，以期在海洋可再生能源開發利用的“爭奪戰”中搶得先機。海洋能主要指波浪能、潮流能（海流能）、潮汐能、溫差能和鹽差能等可再生能源。海洋能總量是巨大的，據估計與全球一次能源消費能源的50%相當，其中，全球海浪發電的理論儲量為29500TWh/年左右，全球潮汐（含潮流）發電的理論儲量為7800TWh/年左右，全球海洋熱發電轉換的理論儲量為44000TWh/年左右，全球鹽差能的理論儲量估計為1650TWh/年左右。雖然海洋能源分布不均勻，但在每一個海岸，往往不止一種形式可以供應當地的電力需求。我國重視海洋可再生能源的開發利用，將包括海洋能在內的新能源產業視為引領我國未來經濟社會可持續發展的七大新興戰略性產業之一。近年來，我國先后設立了“908專項（我國近海海洋可再生能源調查與研究項目）”和“海洋可再生能源專項資金”支持計劃等，支持海洋能的海島獨立發電系統與并網示范工程、關鍵技術產業化、新技術研究試驗以及公共支撐服務體系建設等，并擬在海洋能資源豐富地區建設海洋能示范電站，開展萬千瓦級潮汐電站建設工作。

2.國外海洋能發電技術現狀

2.1 波浪能發電技術

現階段，波浪能發電技術的基本原理是：利用物體在波浪作用下的升沉和搖擺運動將波浪能轉換為機械能，或利用波浪的爬升將波浪能轉換成水的勢能。波浪能轉換系統一般包括三級能量轉換機構：一級能量轉換機構將波浪能轉換成某個載體的機械能;二級能量轉換機構將一級能量轉換所得到的能量轉換成旋轉機械的機械能;三級能量轉換通過發電機將旋轉機械的機械能轉換成電能。根據一級能源轉換系統的原理，波能發電技術可分為振蕩水柱技術、筏式技術、收縮波道技術、點吸收（振蕩浮子）技術和鴨式技術等。振蕩水柱技術是利用空氣作為轉換介質的，其優點是轉動機構不與海水接觸，防腐性能好，安全可靠，維護方便;其缺點是二級能量轉換效率較低。目前，國外建成的振蕩水柱發電裝置有英國的LIMPET電站（500kW固定式）、葡萄牙的400kW固定式電站和澳大利亞的500kW漂浮式裝置。應用筏式技術的發電裝置主要由鉸接的筏體和液壓系統組成，其優點是設備抗浪性能較好，缺點是設備成本高。目前，國外建成的筏式發電裝置有英國Cork大學和女王大學研究的McCabe波浪泵波力裝置和蘇格蘭Ocean Power Delivery公司的Pelamis（海蛇）波能裝置。

應用收縮波道技術的發電裝置主要由收縮波道、高位水庫、水輪機和發電機組成，其優點是一級轉換沒有活動部件，可靠性好，維護費用低，在大浪時系統出力穩定;不足之處是小浪下的系統轉換效率低。目前，國外建成的收縮波道發電裝置有挪威350kW的固定式收縮波道裝置以及丹麥的WaveDragon。

應用點吸收技術的發電裝置主要由相對運動的浮體、錨鏈、液壓或發電裝置組成，其主要特點是點吸收式發電裝置的尺度與波浪尺度相比很小。目前建成的點吸收式發電裝置有英國的AquaBuOY裝置、阿基米德波浪擺、PowerBuoy以及波浪騎士裝置。

應用鴨式發電技術的發電裝置的橫截面成鴨蛋形，發電效率很高，在短波時的一級轉換效率接近于100%，但抗風浪能力有待提高。

2.2 潮流能（海流能）發電技術

潮汐是一種周期性海水自然漲落現象。在太陽和月球引力作用下，海水作周期性的運動，它包括海面周期性的垂直升降和海水周期性的水平流動。垂直升降部分為潮汐的位能，被稱為潮差能;水平流動部分為潮汐的動能，被稱為潮流能。潮流能的主要特點是：

①較強的規律性和可預測性;

②功率密度大，能量穩定;

③潮流能的利用形式通常是開放式的，不會對海洋環境造成大的影響。

一般說來，最大流速在2m/s以上的水道，其潮流能均有實際開發的價值。

新型潮流能發電裝置作為一種開放式的海洋能量捕獲裝置，無需巨額的前期投資;利用該裝置發電時，由于葉輪轉速慢，不產生大的噪聲，不影響人們的視覺環境，各種海洋生物仍可以在葉輪附近流動，因此可保持良好的地域生態環境。潮流能發電裝置根據其透平機械的軸線與水流方向的空間關系可分成水平軸式和垂直軸式2種結構。垂直軸式發電裝置研究起步較早，目前國外主要的設備樣機有加拿大Blue Energy公司的Davis四葉片垂直軸渦輪機、意大利Ponte di Archimede International SpA公司和Naples大學航空工程系合作研發的Kobold渦輪垂直軸水輪機（130kW）、美國GCK Technology公司的螺旋形葉片的垂直軸水輪機和日本Nihon大學的垂直軸式Darrieus型水輪機。水平軸式發電裝置是近10多年才興起的，與垂直軸式結構相比，水平軸式潮流能發電裝置具有效率高、自啟動性能好的特點。目前國外主要的設備樣機有英國Marine Current Turbine公司的1.2MW雙葉輪結構的“Seagen”樣機、挪威Hammerfest Strom公司的300 kW并網型潮流能發電原型樣機。

2.3 潮汐能發電技術

潮汐能發電與水力發電的原理、組成基本相同，也是利用水的能量使水輪發電機發電。潮汐能發電技術研究始于歐洲，早期的潮汐能電站有德國（1912年）的布蘇姆潮汐電站和法國（1966年）的朗斯河口潮汐電站，其中朗斯電站的建成及其近40年的成功運行證實了潮汐電站技術的可行性，它使潮汐電站進入了實用階段。目前，在英、加、俄、印、韓等13個國家運行、在建及擬建的潮汐電站達139座，進行規劃設計的10余座潮汐電站均為100MW～1000MW級。據資料顯示，韓國正在建設世界上最大的潮汐電站——Shihwa湖大型潮汐電站。

2.4 溫差能發電技術

熱帶海洋表層與千米深處存在著基本恒定的20℃～25℃的溫差，這就提供了一個量大且穩定的能源。海洋溫差能是利用海洋表面的溫海水（26℃～28℃）加熱某工作介質并使之汽化，驅動汽輪機獲取動力;同時，利用從海底提取的冷海水（4℃～6℃）將做功后的乏氣冷凝，使之重新變為液體。按照工作介質及流程的不同可分為開式循環、閉式循環、混合式循環。開式循環的工作介質是表層溫海水，其優點在于產生電力的同時可進行海水淡化，缺點是設備尺寸大，機械能損耗高，單位功率的材料占用大，施工困難。閉式循環的工作介質是氨等低沸點物質，其優點是設備尺寸小、機械耗能低、系統轉換效率高，缺點是不能進行海水淡化。混合式循環同時包括開式循環和閉式循環，其特點是效率高、設備造價低，且可實現海水淡化。目前，溫差能發電技術和裝備尚處于示范試驗階段，國外主要有美國奎爾哈公司的開式循環OTEC溫差能電站、印度海洋技術國家研究所的陸基溫差能電站和日本佐賀大學的混合溫差能電站。

3.國內海洋能發電技術現狀

3.1 波浪能發電技術

我國波浪能發電技術研究已有30多年的歷史，先后研建了100千瓦振蕩水柱式和30千瓦擺式波浪能發電試驗電站，利用波浪能發電原理研制的海上導航燈標已商業化并出口。目前，國內處于試驗階段的設備主要有：國家海洋技術中心開發的浮力擺波浪能發電系統、廣州能源研究所開發的鴨式波浪能發電裝置（10kW）和點吸收式波浪能發電裝置（10kW）、華南理工大學開發的擺式振蕩浮子式波浪能發電系統和七一〇研究所開發的筏式波浪能發電系統。

3.2 潮流能（海流能）發電技術

“八五”和“九五”期間，我國研建了70千瓦和40千瓦的潮流實驗電站。在 “十一五”科技支撐計劃和海洋能專項資金支持下，我國啟動了一項百千瓦級垂直軸潮流能示范試驗電站、一項小型水平軸潮流能示范電站和多項潮流能示范工程建設。

目前，國內處于試驗階段的設備主要有：浙江大學的25kW水平軸潮流發電裝置、哈爾濱工程大學的萬向系列垂直軸潮流發電裝置（70kW和40kW）和東北師范大學的5kW模塊化潮流能發電裝置。

3.3 潮汐能發電技術

我國大陸海岸線長（達18000km），海灣、河口多（近200個），可開發潮汐能年總發電量大（約60TW·h），裝機總容量可達20GW。近五十年來，中國在有關潮汐電站的研究、開發方案及設計方面做了許多工作，但建成投運的潮汐電站數量很少，目前正常運行或具備恢復運行條件的電站有8座，總裝機容量不及可開發總量的1%，開發潛力巨大。

3.4 溫差能發電技術

2004～2005年，天津大學完成了對混合式海洋溫差能利用系統的理論研究課題，并就小型化試驗用200 W氨飽和蒸汽透平進行了研究開發。在“十一五”科技支撐計劃支持下，國家海洋局第一研究所和華電青島發電有限公司正開展15千瓦閉式溫差能電站研建工作。

4.結束語

海洋溫能作為一種清潔、可再生的能源，具有很好的發展前景。其開發、利用對我國經濟的可持續發展和人民生活水平的提高具有重要的現實意義。對海洋能發電技術及其裝備的研究，是一項可持續能源需求的高技術投資項目，關系國家能源結構優化和可持續發展戰略的實施，經濟前景廣闊，現實意義重大。

參考文獻

[1]游亞戈等.海洋能發電技術的發展現狀與前景[J].電力系統自動化，2010，34（14）.

[2]夏登文.海洋能開發利用國際現狀.國家海洋技術中心，2011.

[3]羅續頁.我國海洋可再生能源開發利用現狀.國家海洋技術中心，2011.

[4]鄧隱北等.海洋能的開發與利用[J].可再生能源，2014，3.

[5]劉偉民等.海洋溫差能發電現狀綜述.中國可再生能源學會海洋能專業委員會第三屆學術討論會論文集（P185-P194）.

[6]任建莉等.海洋波能發電的現狀與前景[J].浙江工業大學學報，2006，34（1）.

作者簡介：劉文麗（1982—），女，講師，主要研究方向：電力系統規劃與新能源技術。