海洋能發電技術的比較與分析

□古云蛟上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

海洋能發電技術的比較與分析

□古云蛟
上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

海洋能主要包括潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、溫差能、鹽差能等，從各種海洋能發電技術的基本原理、技術特點以及應用現狀等方面作了綜合介紹，給出了海洋能發電技術應用與發展的方向。

當今世界能源短缺和環境污染等問題日益加劇，開發利用高效清潔能源成為迫在眉睫的重要任務。海洋能作為一種可再生的清潔能源，具有巨大的開發利用價值。海洋覆蓋地球表面達到70%以上，地球接收來自宇宙的能量，大部分都以各種形式存儲在海洋或海洋上空，并轉化成海洋能。海洋也因蘊含著各種形式的海洋能而被認為是地球上最后的能源寶藏，海洋能種類繁多，主要包括潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、溫差能、鹽差能等［1］。

海洋能主要來源于太陽輻射和月球的引力。太陽輻射的不均勻致使地球大氣流動產生風，從而使海洋表面產生波浪運動，形成波浪能；太陽照射海洋表面，太陽能被海水吸收，致使海水表層溫度升高，從而形成海水表層與海水深部的溫度差，形成溫差能；在近海岸由月球引力引起的海平面相對于海岸升高形成的位能，稱為潮汐能；由月球引力引起的有規則雙向海水流動的動能稱為潮流能；由風以及海水自身密度差等因素引起的海水非潮流的流動能，稱為海流能。

海洋能是清潔可再生能源，世界各國越來越重視對海洋能的開發與利用，因此，海洋能發電技術得到了長足的發展。筆者對各種海洋能發電技術進行了系統的介紹，分析了未來海洋能發電技術的應用模式。

1 潮汐能發電

潮汐能是由月球和太陽等引力作用導致海水周期性漲落而產生的能量，利用潮汐能進行發電，其原理與水力發電類似，技術組成也基本相同，都是利用水的位能驅動水輪機進行發電。

潮汐能發電研究已有100多年的歷史，英國、法國、加拿大和俄羅斯不少電站開發規劃和設計論證已長達幾十年。1966年，法國在希列塔尼米島建成一座最大落差13.5 m、壩長750 m、總裝機容量240 MW的郎斯河口潮汐電站，之后潮汐發電技術進入以大規模商業性生產為目的、降低造價為目標的科研論證階段。潮汐發電技術是目前海洋能發電技術中運用最成熟的技術，潮汐發電有以下三種形式［2］：①單庫單向發電，即落潮發電。漲潮時水庫打開進行蓄水，等到落潮后用水庫中水的勢能驅動水輪機進行發電，浙江省溫嶺市沙山潮汐電站就是這種類型。②單庫雙向發電。用一個水庫，但是漲潮與落潮時均可驅動輪機發電，只是在平潮時不能發電，廣東省東莞市的鎮口潮汐電站及浙江省溫嶺市江廈潮汐電站，就是這種類型。③雙庫雙向發電。采用高低水位的兩個水庫，在兩個水庫之間布置發電機組，漲潮時上水庫蓄滿水，落潮時下水庫放水，始終維持兩個水庫的水位差，這種方式不僅在漲落潮全程中都可以連續不斷地發電，還能使電力輸出比較平穩，浙江玉環縣茅埏島上的海山潮汐電站就是此種類型，雙庫雙向發電原理俯視圖如圖1所示。

圖1 雙庫雙向發電原理俯視圖

近幾十年來，我國在潮汐發電技術的研究和開發方面做了許多工作，目前已有不少建成投運的潮汐電站，表1是國內外已建成的主要潮汐電站。

表1 國內外已建成的主要潮汐電站

2 波浪能發電

波浪能主要是由于海面上空的風、氣壓和水自身的重力等相互作用產生起伏運動，形成動能和勢能，波浪能的大小與波高和周期有關，是一種能量密度低、不穩定、無污染、可再生、儲量大、分布廣的能源。目前波浪能發電的原理主要是利用物體或者波浪自身上下浮升和搖擺運動將波浪能轉變為機械能，再將機械能轉變成旋轉機械（如水力透平、空氣透平、液壓電動機、齒輪增速機構）的機械能，然后再通過電動機轉換為電能，也有一些波浪能發電裝置是直接俘獲波浪能驅動發電機進行發電。目前，世界上波浪能發電技術主要包括：振蕩水柱（Oscillation Water Column，OWC）技術、筏式技術、擺式技術、振蕩浮子（點吸收）技術、鴨式技術、波龍（The Wave Dragon）技術等，筆者主要介紹其中幾種常見的技術。

2.1 OWC技術

OWC波浪能發電技術是利用空氣作為介質，采用波浪壓縮空氣，經過噴管驅動空氣透平，帶動發電機進行發電的一種發電方式，如圖2所示。該裝置包含一個空氣室，空氣室下部開口在水下與波浪連通，空氣室上部開口與大氣連通，波浪上下振蕩，作用空氣室內的空氣上，壓縮空氣往復通過噴管，將波浪能轉換成空氣的動能和壓能，再驅動空氣透平帶動發電機進行發電，圖3是澳大利亞500 kW OWC發電裝置［3］。OWC技術的優點就是發電設備不與海水接

圖2 OWC波浪能發電技術示意圖

圖3 澳大利亞OWC發電裝置

觸，耐腐蝕性好，安全可靠，方便維護，但是其轉換效率相對較低。

2.2 筏式技術

筏式波浪能發電裝置主要由相互鉸接的筏體以及筏體之間的液壓系統組成。筏體隨波浪上下起伏運動，驅動液壓泵，將波浪的動能轉化成液壓能，驅動液壓電動機轉動，從而帶動發電機進行發電。目前，筏式發電技術應用比較成功的案例有：英國Cork大學和女王大學研究的McCabe波浪泵發電裝置、蘇格蘭 Ocean Power Delivery公司的海蛇（Pelamis）波浪能發電裝置。

圖4為McCabe波浪泵發電裝置，它由三個浮子線性鉸接并與波浪方向一致，中間浮子結構較小，其下連接一個水下阻尼板，使中間附體運動幅度較小，從而增大前浮和尾浮與中間浮子的相對角位移，從而驅動液壓電機去發電，發電功率可達到250～500 kW。圖5為海蛇波浪能發電裝置，該裝置不僅允許浮子縱搖，也允許艏搖，因而減小了斜浪對浮體的負荷。該裝置浮體為直徑3.5 m的浮筒，利用相鄰浮筒之間的角位移驅動液壓泵，帶動發電機進行發電，該裝置的總裝機容量為750 kW，總長150 m，置于水深50～60 m的海面上。

2.3 振蕩浮子技術

圖4 McCabe波浪泵發電裝置

圖5 海蛇波浪能發電裝置

振蕩浮子波浪能發電是一種點吸收式發電技術，這種裝置的尺度與波浪的尺度相比很小，它是利用波浪的升降運動吸收波浪能。振蕩浮子發電裝置主要由浮子、繩索、直線發電機、彈簧等組成，如圖6所示。目前，世界上建成的振蕩浮子發電裝置主要有英國的AquaBuoy裝置、阿基米德波浪裝置、Power-Buoy以及波浪騎士等［4］。

圖6 振蕩浮子發電裝置示意圖

3 潮流能和海流能發電

潮/海流能發電裝置 （Tidal or Marine CurrentTurbine）不同于傳統的潮汐能發電機組，它是一種開放式的海洋能捕獲裝置，該裝置葉輪轉速相對要慢很多，一般來說最大流速在2 m/s以上的流動能都具有利用價值，潮/海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為水平軸式和垂直軸式兩種結構。

3.1 水平式發電系統

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，若在系統中增加變槳或對流機構，則可使機組適應雙向的潮流環境，這種結構興起于最近十年，取得了較大的發展。英國Marine Current Turbine公司設計了世界上第一臺大型水平軸式潮流發電機Seaflow，容量300 kW，并于2003年在Devon郡北部成功進行海上試運行。2008年，該公司第二階段商業規模的1.2 MW雙葉輪結構“SeaGen”發電機也在北愛爾蘭Stanford港成功運行，如圖7所示。3.2垂直式發電系統

圖7 SeaGen結構示意圖

垂直式發電系統顧名思義就是指輪機的轉軸與海面垂直，海水流動驅動葉片，帶動轉軸垂直轉動，從而驅動發電機發電。

加拿大Blue Energy公司在垂直式潮流發電裝置設計方面技術較為成熟，著名的Davis四葉片垂直軸渦輪機就是該公司的產品，如圖8所示。

4 溫差能發電

海洋溫差能是因為太陽輻射海面，造成海面與深海之間產生溫差，這就提供了一個總量巨大且比較穩定的能源。海洋溫差能發電（Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC）主要是利用海洋表面高溫海水（26～28℃）加熱工質，使之汽化以驅動汽輪機，同時利用深海的低溫海水（4～6℃）將做功后的乏氣冷凝，使之重新回到液體狀態。海洋溫差發電技術一般可以分為以下三類：開式循環、閉式循環、混合循環。

4.1 開式循環

圖8 Davis四葉片垂直軸渦輪機

海洋溫差能開式循環發電技術是利用海面表層溫海水作為工質，當溫海水進入真空室后，低壓使之發生閃蒸，形成蒸汽，該蒸汽膨脹驅動低壓汽輪機轉動產生動力，從而驅動電機進行發電。開式循環中不斷從海洋表層抽取溫海水作為工質，閃蒸的蒸汽做功冷凝后又可作為淡水資源，如圖9所示。

4.2 閉式循環

閉式循環發電系統中，采用氨水等低沸點工質，利用溫海水與氨水在熱交換器中產生熱交換，使氨水蒸發產生不飽和蒸氣，蒸氣膨脹后驅動汽輪機進行發電。然后進入另一個熱交換器與冷海水進行熱交換，將氨蒸氣冷凝成液體，減小汽輪機的背壓，冷凝后工質被泵輸送到蒸發器開始下一次循環，如圖10所示。

圖10 閉式循環示意圖

4.3 混合式循環

混合式循環中既含有開式循環又含有閉式循環。其中，開式循環中溫海水在真空室閃蒸成不飽和水蒸氣，并穿過一個換熱器后冷凝生成淡水，同時在換熱器的另一側安裝一個閉式循環系統，利用溫海水的熱量加熱閉環工質，產生不飽和蒸氣，膨脹后驅動汽輪機，從而進行發電。做功后的乏氣進入另一個換熱器與冷海水換熱冷凝，降低汽輪機的背壓，并被泵送到蒸發器參與下一次循環。

5 鹽差能發電

鹽差能發電主要是利用各種河流入海口淡水與海水之間的濃度差，采用半透膜裝置，將淡水與鹽水分別隔離，使淡水不斷滲透到鹽水側，直至兩邊濃度達到一致，此時鹽水側的水位高于淡水側，再利用這個勢差進行發電［5］，如圖11所示。由于這種方法消耗淡水，而海洋熱能轉換電站卻生產淡水，相比較而言，鹽差能發電在戰略上不可取，目前這項研究仍處在基礎理論研究階段，尚無實際的技術利用。

圖11 鹽差能利用原理圖

6 海洋能發電綜合分析

就目前的發展看來，在各項海洋能發電技術中，潮汐能發電技術最為成熟，已經進入到商業化運營階段。并且我國海岸線長達18 000 km，有近200個海灣、河口等可開發潮汐能的地理環境。據估計，我國可開發潮汐能年發電總量達到60 TW·h，裝機容量可達20 GW，但至今已開發利用的不足1%，具有巨大的開發潛力。波浪能、海流能的能量流密度相對最大，但目前波浪能和潮流能發電技術相對不夠成熟，雖然有各式各樣的能量利用方式，但總體上成本較高。溫差能的優點是不僅可發電還可以產生淡水，特別適合一些島上配備。實際中，由于潮汐能的利用需要建各種大壩，對環境的影響較大，而波浪能、海流能的利用則對環境影響較小，因而近年來國外在波浪能和海流能發電技術方面研究是最多的，發展也較快。

總而言之，各國都非常重視對包括海洋能在內的可再生能源的開發利用。盡管海洋可再生能源在我國的能源構成中所占的比例極小，但從發展的眼光來看，這是一種不可忽視的、很有前途的新能源。當前應該未雨綢繆，加強對開發利用海洋可再生能源技術研究的支持力度，制定相應的激勵政策，促進海洋可再生能源發電技術的發展。就目前而言，海洋能發電技術總體上還是存在以下一些問題［6］。

（1）海洋能發電裝置出力不平穩。海洋能發電多是不穩定的能量，受海洋能功率變化而變化，裝置自身無法控制其自身出力情況。

（2）海洋能發電裝置難以實現并網。這是由于海洋能發電裝置發電不穩定造成的，海洋能發電的波動性和間歇性會對局部電網產生干擾，這進一步限制了海洋能發電產業化的進程。

（3）海洋能發電難以利用。由于海洋能發電不穩定以及難以并網這兩大問題的困擾，使海洋能與實際負荷難以匹配，從而造成電力時而不足時而過剩。

（4）海洋能發電設備工作環境惡劣且難以維護。因各種海洋能發電裝置的運行條件都比較惡劣，且海水具有腐蝕性，各種裝置一旦出現故障維護很困難。

（5）海洋能發電轉換效率較低。

以上這些問題嚴重阻礙了海洋能發電的商業化進程，要使海洋能的利用越來越廣泛，既要不斷發展優化海洋能發電裝置，同時還要研究海洋能發電的利用模式。考慮到以上問題，可以將海洋能作為一種分布式能源，通過在沿海或者海島建立智能微網，并將海洋能發電裝置接入，與海上光伏、海上風電以及各種儲能電池相結合，通過統一規劃、協同調度，從而克服海洋能出力不穩定、難以并網等缺點，通過多能源互補實現海洋能的高效利用［7］。采用多種互補智能微網系統對海洋能進行綜合利用，不僅可以在不擴大裝置規模的情況下，提高發電功率，滿足用戶端的電力需求，而且在發電的同時，還可以利用海洋能進行海水淡化、制氫、制冰、提取重金屬等，既降低了發電成本，又可以對海洋能發電的電能質量進行調節，確保海洋能發電的各項指標達到要求，從而對海洋能發電裝置實現優化。

7 結論

筆者通過對各種海洋能發電技術進行介紹，了解各項海洋能發電技術的優缺點以及應用技術難點，掌握了海洋能利用技術的研究與發展方向，同時通過分析海洋能發電存在的問題，提出了利用智能微網多能互補的發電模式進行海洋能發電利用，從而突破限制海洋能發電技術發展的瓶頸，加快推進實現海洋能發電技術的商業化進程。

［1］游亞戈，李偉，劉偉民，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）：1-12.

［2］許寅，王培紅.潮汐能利用及江蘇省潮汐能發展概況［J］.上海電力，2010（3）：188-190.

［3］Peter Meisen，Alexandre Loiseau.Ocean Energy Technologies for Renewable Energy Generation［R］.NewYork：Global EnergyNetwork Institute（GENI），2009.

［4］Leijon M，Danielsson O，etc.An Electrical Approach toWave Energy Conversion ［J］.Renewable Energy，2006，31（9）：1309-1319.

［5］王傳崑.海洋能及其分類［J］.太陽能，2008（9）：17-18.

［6］邵萌.海洋能多能互補智能供電系統總體開發方案研究及應用［D］.青島：中國海洋大學，2012.

［7］熊焰，王海峰，崔琳，等.大管島多能互補獨立供電系統總體設計研究［J］.海洋技術，2008，27（4）：78-82.

Ocean energy mainly includes tidal energy，wave energy，tidal current energy，ocean current energy，energy by thermal gradient，and energy by salinity gradient.Gived an integrated presentation on the basic principles of power generation technology by using a variety of ocean energies as well as their technical features and application status and explored the application and development directions in terms of ocean energy generation technology.

海洋能發電；潮汐能；波浪能；潮流能；智能微網

Ocean Energy Generation；TidalEnergy；Wave Energy；TidalCurrent Energy；Smart Microgrid

TK7

A

1672-0555（2015）04-069-06

2015年8月

古云蛟（1988-）男，碩士，工程師，主要從事分布式能源技術的應用研究