海洋能发电技术研究

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【摘要】海洋能是取之不尽、用之不竭的清洁能源。海洋能多种多样，主要包括波浪能、潮流能、潮汐能和温差能等。利用海洋能发电能够改善能源结构和环境，有利于海洋资源开发，受到许多国家的重视。文中对各种海洋能发电系统的主要技术原理、特点和国内外技术现状作了综述，最后指出海洋能利用的意义和前景。

【关键词】海洋能;海洋能发电;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年全球一次能源消费量为143851TWh，其中81.2%来自化石燃料。随着矿物燃料的日趋枯竭，世界主要海洋国家纷纷将目标转向蕴藏丰富能源的海洋，不断加大科技和资金投入，以期在海洋可再生能源开发利用的“争夺战”中抢得先机。海洋能主要指波浪能、潮流能（海流能）、潮汐能、温差能和盐差能等可再生能源。海洋能总量是巨大的，据估计与全球一次能源消费能源的50%相当，其中，全球海浪发电的理论储量为29500TWh/年左右，全球潮汐（含潮流）发电的理论储量为7800TWh/年左右，全球海洋热发电转换的理论储量为44000TWh/年左右，全球盐差能的理论储量估计为1650TWh/年左右。虽然海洋能源分布不均匀，但在每一个海岸，往往不止一种形式可以供应当地的电力需求。我国重视海洋可再生能源的开发利用，将包括海洋能在内的新能源产业视为引领我国未来经济社会可持续发展的七大新兴战略性产业之一。近年来，我国先后设立了“908专项（我国近海海洋可再生能源调查与研究项目）”和“海洋可再生能源专项资金”支持计划等，支持海洋能的海岛独立发电系统与并网示范工程、关键技术产业化、新技术研究试验以及公共支撑服务体系建设等，并拟在海洋能资源丰富地区建设海洋能示范电站，开展万千瓦级潮汐电站建设工作。

2.国外海洋能发电技术现状

2.1 波浪能发电技术

现阶段，波浪能发电技术的基本原理是：利用物体在波浪作用下的升沉和摇摆运动将波浪能转换为机械能，或利用波浪的爬升将波浪能转换成水的势能。波浪能转换系统一般包括三级能量转换机构：一级能量转换机构将波浪能转换成某个载体的机械能;二级能量转换机构将一级能量转换所得到的能量转换成旋转机械的机械能;三级能量转换通过发电机将旋转机械的机械能转换成电能。根据一级能源转换系统的原理，波能发电技术可分为振荡水柱技术、筏式技术、收缩波道技术、点吸收（振荡浮子）技术和鸭式技术等。振荡水柱技术是利用空气作为转换介质的，其优点是转动机构不与海水接触，防腐性能好，安全可靠，维护方便;其缺点是二级能量转换效率较低。目前，国外建成的振荡水柱发电装置有英国的LIMPET电站（500kW固定式）、葡萄牙的400kW固定式电站和澳大利亚的500kW漂浮式装置。应用筏式技术的发电装置主要由铰接的筏体和液压系统组成，其优点是设备抗浪性能较好，缺点是设备成本高。目前，国外建成的筏式发电装置有英国Cork大学和女王大学研究的McCabe波浪泵波力装置和苏格兰Ocean Power Delivery公司的Pelamis（海蛇）波能装置。

应用收缩波道技术的发电装置主要由收缩波道、高位水库、水轮机和发电机组成，其优点是一级转换没有活动部件，可靠性好，维护费用低，在大浪时系统出力稳定;不足之处是小浪下的系统转换效率低。目前，国外建成的收缩波道发电装置有挪威350kW的固定式收缩波道装置以及丹麦的WaveDragon。

应用点吸收技术的发电装置主要由相对运动的浮体、锚链、液压或发电装置组成，其主要特点是点吸收式发电装置的尺度与波浪尺度相比很小。目前建成的点吸收式发电装置有英国的AquaBuOY装置、阿基米德波浪摆、PowerBuoy以及波浪骑士装置。

应用鸭式发电技术的发电装置的横截面成鸭蛋形，发电效率很高，在短波时的一级转换效率接近于100%，但抗风浪能力有待提高。

2.2 潮流能（海流能）发电技术

潮汐是一种周期性海水自然涨落现象。在太阳和月球引力作用下，海水作周期性的运动，它包括海面周期性的垂直升降和海水周期性的水平流动。垂直升降部分为潮汐的位能，被称为潮差能;水平流动部分为潮汐的动能，被称为潮流能。潮流能的主要特点是：

①较强的规律性和可预测性;

②功率密度大，能量稳定;

③潮流能的利用形式通常是开放式的，不会对海洋环境造成大的影响。

一般说来，最大流速在2m/s以上的水道，其潮流能均有实际开发的价值。

新型潮流能发电装置作为一种开放式的海洋能量捕获装置，无需巨额的前期投资;利用该装置发电时，由于叶轮转速慢，不产生大的噪声，不影响人们的视觉环境，各种海洋生物仍可以在叶轮附近流动，因此可保持良好的地域生态环境。潮流能发电装置根据其透平机械的轴线与水流方向的空间关系可分成水平轴式和垂直轴式2种结构。垂直轴式发电装置研究起步较早，目前国外主要的设备样机有加拿大Blue Energy公司的Davis四叶片垂直轴涡轮机、意大利Ponte di Archimede International SpA公司和Naples大学航空工程系合作研发的Kobold涡轮垂直轴水轮机（130kW）、美国GCK Technology公司的螺旋形叶片的垂直轴水轮机和日本Nihon大学的垂直轴式Darrieus型水轮机。水平轴式发电装置是近10多年才兴起的，与垂直轴式结构相比，水平轴式潮流能发电装置具有效率高、自启动性能好的特点。目前国外主要的设备样机有英国Marine Current Turbine公司的1.2MW双叶轮结构的“Seagen”样机、挪威Hammerfest Strom公司的300 kW并网型潮流能发电原型样机。

2.3 潮汐能发电技术

潮汐能发电与水力发电的原理、组成基本相同，也是利用水的能量使水轮发电机发电。潮汐能发电技术研究始于欧洲，早期的潮汐能电站有德国（1912年）的布苏姆潮汐电站和法国（1966年）的朗斯河口潮汐电站，其中朗斯电站的建成及其近40年的成功运行证实了潮汐电站技术的可行性，它使潮汐电站进入了实用阶段。目前，在英、加、俄、印、韩等13个国家运行、在建及拟建的潮汐电站达139座，进行规划设计的10余座潮汐电站均为100MW～1000MW级。据资料显示，韩国正在建设世界上最大的潮汐电站――Shihwa湖大型潮汐电站。

2.4 温差能发电技术

热带海洋表层与千米深处存在着基本恒定的20℃～25℃的温差，这就提供了一个量大且稳定的能源。海洋温差能是利用海洋表面的温海水（26℃～28℃）加热某工作介质并使之汽化，驱动汽轮机获取动力;同时，利用从海底提取的冷海水（4℃～6℃）将做功后的乏气冷凝，使之重新变为液体。按照工作介质及流程的不同可分为开式循环、闭式循环、混合式循环。开式循环的工作介质是表层温海水，其优点在于产生电力的同时可进行海水淡化，缺点是设备尺寸大，机械能损耗高，单位功率的材料占用大，施工困难。闭式循环的工作介质是氨等低沸点物质，其优点是设备尺寸小、机械耗能低、系统转换效率高，缺点是不能进行海水淡化。混合式循环同时包括开式循环和闭式循环，其特点是效率高、设备造价低，且可实现海水淡化。目前，温差能发电技术和装备尚处于示范试验阶段，国外主要有美国奎尔哈公司的开式循环OTEC温差能电站、印度海洋技术国家研究所的陆基温差能电站和日本佐贺大学的混合温差能电站。

3.国内海洋能发电技术现状

3.1 波浪能发电技术

我国波浪能发电技术研究已有30多年的历史，先后研建了100千瓦振荡水柱式和30千瓦摆式波浪能发电试验电站，利用波浪能发电原理研制的海上导航灯标已商业化并出口。目前，国内处于试验阶段的设备主要有：国家海洋技术中心开发的浮力摆波浪能发电系统、广州能源研究所开发的鸭式波浪能发电装置（10kW）和点吸收式波浪能发电装置（10kW）、华南理工大学开发的摆式振荡浮子式波浪能发电系统和七一研究所开发的筏式波浪能发电系统。

3.2 潮流能（海流能）发电技术

“八五”和“九五”期间，我国研建了70千瓦和40千瓦的潮流实验电站。在 “十一五”科技支撑计划和海洋能专项资金支持下，我国启动了一项百千瓦级垂直轴潮流能示范试验电站、一项小型水平轴潮流能示范电站和多项潮流能示范工程建设。

目前，国内处于试验阶段的设备主要有：浙江大学的25kW水平轴潮流发电装置、哈尔滨工程大学的万向系列垂直轴潮流发电装置（70kW和40kW）和东北师范大学的5kW模块化潮流能发电装置。

3.3 潮汐能发电技术

我国大陆海岸线长（达18000km），海湾、河口多（近200个），可开发潮汐能年总发电量大（约60TW・h），装机总容量可达20GW。近五十年来，中国在有关潮汐电站的研究、开发方案及设计方面做了许多工作，但建成投运的潮汐电站数量很少，目前正常运行或具备恢复运行条件的电站有8座，总装机容量不及可开发总量的1%，开发潜力巨大。

3.4 温差能发电技术

2004～2005年，天津大学完成了对混合式海洋温差能利用系统的理论研究课题，并就小型化试验用200 W氨饱和蒸汽透平进行了研究开发。在“十一五”科技支撑计划支持下，国家海洋局第一研究所和华电青岛发电有限公司正开展15千瓦闭式温差能电站研建工作。

4.结束语

海洋温能作为一种清洁、可再生的能源，具有很好的发展前景。其开发、利用对我国经济的可持续发展和人民生活水平的提高具有重要的现实意义。对海洋能发电技术及其装备的研究，是一项可持续能源需求的高技术投资项目，关系国家能源结构优化和可持续发展战略的实施，经济前景广阔，现实意义重大。

参考文献

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作者简介：刘文丽（1982―），女，讲师，主要研究方向：电力系统规划与新能源技术。