海洋能利用工程的研究進(jìn)展與關(guān)鍵科技問(wèn)題

鄭金海，張繼生

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

海洋能利用工程的研究進(jìn)展與關(guān)鍵科技問(wèn)題

鄭金海，張繼生

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

針對(duì)海洋能利用工程這一港口、海岸及近海工程學(xué)科的前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域，從能源資源調(diào)查與評(píng)估、能源轉(zhuǎn)換技術(shù)與示范工程等方面評(píng)述了海洋能利用工程的研究進(jìn)展，指出新型結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定、海域水沙環(huán)境影響、轉(zhuǎn)換效率與并網(wǎng)技術(shù)等關(guān)鍵科技問(wèn)題是大規(guī)模利用海洋能的研究重點(diǎn)與難點(diǎn)，急需開(kāi)展系統(tǒng)深入的學(xué)術(shù)研究和工程實(shí)踐。

海洋能利用工程；潮汐能；潮流能；波浪能；溫差能；鹽差能；能源轉(zhuǎn)換；水沙環(huán)境

港口、海岸及近海工程學(xué)科涵蓋水運(yùn)與海岸帶資源開(kāi)發(fā)和空間利用工程、河口海岸防災(zāi)減災(zāi)與環(huán)境保護(hù)以及技術(shù)規(guī)劃管理與物流工程等方面，其研究與建設(shè)取得了顯著的進(jìn)展［1-2］。隨著國(guó)家海洋資源和可再生能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)和實(shí)施，海洋能利用工程正成為港口、海岸及近海工程學(xué)科的前沿研究熱點(diǎn)之一。為了更好地交流與討論該領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)、示范應(yīng)用及政策規(guī)劃等方面的熱點(diǎn)問(wèn)題，2008年美國(guó)Department of Energy新創(chuàng)辦了國(guó)際會(huì)議“Annual Global Marine Renewable Energy Conference”，國(guó)際著名會(huì)議OMAE和 ISOPE先后在 2007年和 2010年新增海洋能專(zhuān)題“Ocean Renewable Energy Symposium”和“Renewable Energy＆Environment Symposium”。我國(guó)也于2012年設(shè)立“中國(guó)海洋可再生能源發(fā)展年會(huì)暨論壇”，為促進(jìn)我國(guó)海洋能的開(kāi)發(fā)利用集思廣益、建言獻(xiàn)策。此后，國(guó)際知名出版社Elsevier和Springer分別于2013年和2015年創(chuàng)建新期刊《International Journal of Marine Energy》和《Journal of Ocean Engineering and Marine Energy》，為及時(shí)發(fā)表海洋能利用的最新研究成果提供學(xué)術(shù)交流平臺(tái)。

我國(guó)海岸線漫長(zhǎng)，蘊(yùn)藏著豐富的海洋能，且沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，能源需求量大，這些都為大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用海洋能提供了有利條件和動(dòng)力。安全高效的海洋能利用工程是開(kāi)發(fā)海洋能的重要前提和必備條件，但其規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、實(shí)施、維護(hù)等方面仍處于起步階段，技術(shù)尚不成熟，面臨很多挑戰(zhàn)。本文從海洋能資源調(diào)查與評(píng)估、能源轉(zhuǎn)換技術(shù)與示范工程和關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題等幾個(gè)方面，綜述海洋能利用工程的現(xiàn)狀、研究進(jìn)展與前沿問(wèn)題。

1 海洋能資源調(diào)查與評(píng)估

海洋能是指海洋中所蘊(yùn)藏的潮汐能、潮流能（海流能）、波浪能、溫差能、鹽差能等，具有總蘊(yùn)藏量大、可持續(xù)利用、綠色清潔等特點(diǎn)。在20世紀(jì)，以英國(guó)為代表的歐美國(guó)家對(duì)其海洋能開(kāi)展了大量的資源調(diào)查與評(píng)估，以了解他們國(guó)家的海洋能的分布情況［3-5］。我國(guó)海洋能資源調(diào)查與評(píng)估工作到目前大致可分為3個(gè)階段，第一階段，20世紀(jì)50、70、80年代開(kāi)展了3次海洋能普查工作，其評(píng)估數(shù)據(jù)多取自于歷史數(shù)據(jù)，采用的估算方法多為經(jīng)驗(yàn)公式法，評(píng)估能源的類(lèi)型較少但為我國(guó)海洋能的資源評(píng)估積累了寶貴的資料和研究經(jīng)驗(yàn)。第二階段，2003年9月經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)“我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)（908專(zhuān)項(xiàng)）”正式啟動(dòng)，包括“我國(guó)近海海洋可再生能源調(diào)查與研究”等調(diào)查評(píng)估系列項(xiàng)目，利用實(shí)測(cè)調(diào)查數(shù)據(jù)評(píng)估了潮汐能、潮流能、波浪能、溫差能、鹽差能和海洋風(fēng)能6類(lèi)可再生能源，以掌握我國(guó)海洋能的分布情況［6-7］。

為了滿足海洋能規(guī)劃和建設(shè)選址的需要，解決海洋能規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用的資源分析瓶頸問(wèn)題，2010年財(cái)政部設(shè)立的海洋可再生能源專(zhuān)項(xiàng)資金資助開(kāi)展第三階段海洋能資源調(diào)查，于2010年和2011年分別支持了“潮汐能和潮流能重點(diǎn)開(kāi)發(fā)利用區(qū)資源勘查與選劃”“波浪能重點(diǎn)開(kāi)發(fā)利用區(qū)資源勘查與選劃”等多個(gè)海洋能勘查選劃項(xiàng)目，旨在“908專(zhuān)項(xiàng)”海洋能調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，遴選數(shù)十個(gè)重點(diǎn)區(qū)域分別開(kāi)展潮汐能、潮流能和波浪能的勘查和選劃，摸清勘查區(qū)域的潮汐能、潮流能、波浪能資源儲(chǔ)量及其時(shí)空分布狀況。調(diào)查研究結(jié)果顯示，我國(guó)近海（臺(tái)灣海域除外）海洋能總蘊(yùn)藏量為15.80億kW，理論年發(fā)電量為13.84萬(wàn)億kW·h；總技術(shù)可開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量為6.47億kW，年發(fā)電量為3.94萬(wàn)億kW·h［8］。

需要指出的是，影響海洋能資源評(píng)估的因素很多。海洋能蘊(yùn)藏量和技術(shù)可開(kāi)發(fā)量與其采用的評(píng)估方法、基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬技術(shù)都密切相關(guān)。由于海洋能種類(lèi)多、分布廣，現(xiàn)有的調(diào)查與評(píng)估涉及的種類(lèi)和覆蓋的海域范圍都是很有限的，僅能反映出一個(gè)基本概況，離全面、準(zhǔn)確地描述我國(guó)海洋能的資源狀況還有一定的差距。此外，資源評(píng)估是為了明確其實(shí)際利用的價(jià)值和大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的可能性，除了評(píng)估能源蘊(yùn)藏量和技術(shù)可開(kāi)發(fā)量等重要指標(biāo)［9-10］外，還需要與發(fā)電設(shè)備性能特征結(jié)合起來(lái)，以便進(jìn)一步確認(rèn)海洋能利用工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。例如，在潮流能資源評(píng)估中引入潮流能水輪機(jī)的連續(xù)發(fā)電時(shí)間和離散度［11］，可更好地服務(wù)于場(chǎng)址比選和水輪機(jī)選型。

2 海洋能發(fā)電技術(shù)與示范工程

2.1 潮汐能發(fā)電技術(shù)與示范工程

潮汐能發(fā)電技術(shù)研究起步較早，具有一定的工程技術(shù)積累。它是利用漲落潮水位在水庫(kù)兩側(cè)形成落差進(jìn)行發(fā)電，可以采用單庫(kù)單向、單庫(kù)雙向或雙庫(kù)雙向等3種形式。按照水輪機(jī)工作原理，又可分為沖擊式水輪機(jī)和反擊式水輪機(jī)。1912年，德國(guó)在Busum建成了世界上第一座潮汐電站，從此開(kāi)始了潮汐能發(fā)電的歷史。1967年，世界上第一座大型潮汐電站Rance潮汐電站（240 MW）在法國(guó)商業(yè)運(yùn)行，目前仍在正常運(yùn)行。1984年，加拿大建成Annapolis實(shí)驗(yàn)潮汐電站，潮汐發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量達(dá)到20 MW。2011年韓國(guó)的Siwhalake潮汐電站竣工，成為目前世界上單機(jī)和總裝機(jī)都是最大的潮汐電站。目前，在法國(guó)、英國(guó)、加拿大、俄羅斯、印度、韓國(guó)等13個(gè)國(guó)家進(jìn)行的潮汐能開(kāi)發(fā)利用項(xiàng)目中，運(yùn)行、擬建、在建、設(shè)計(jì)的潮汐電站超過(guò)140座。

建國(guó)初期，我國(guó)在浙江、福建等東南沿海省份相繼建設(shè)了40余座潮汐能發(fā)電站，雖然由于各種原因陸續(xù)廢棄，但為潮汐能的利用積累了大量經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)前還在運(yùn)行的江廈潮汐電站已正常發(fā)電30余年，初始裝機(jī)容量3.2MW，經(jīng)過(guò)專(zhuān)項(xiàng)資金以及國(guó)家863計(jì)劃的支持升級(jí)改造，電站總裝機(jī)容量將達(dá)4.1 MW，是世界上第四大潮汐能電站。目前，我國(guó)已具備低水頭大容量潮汐水輪機(jī)組設(shè)計(jì)及加工能力，能在低水位差條件下高效運(yùn)行，大大提升了潮汐能的利用效率。在海洋可再生能源專(zhuān)項(xiàng)資金支持下，浙江甌飛（裝機(jī)容量擬定為400MW，規(guī)模為世界第一）潮汐能電站規(guī)劃于2013年正式啟動(dòng)。山東乳山口（裝機(jī)容量40 MW）、福建八尺門(mén)（裝機(jī)容量30MW）、福建馬鑾灣（裝機(jī)容量24MW）潮汐電站預(yù)可研工作穩(wěn)步實(shí)施，目前已基本完成研究任務(wù)。在可再生能源規(guī)模化發(fā)展項(xiàng)目CRESP一期資金的支持下，中國(guó)國(guó)電集團(tuán)公司、中國(guó)大唐集團(tuán)公司分別在浙江健跳港、福建八尺門(mén)開(kāi)展了潮汐電站建設(shè)前期工作。清華大學(xué)、河海大學(xué)、華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院等正在開(kāi)展動(dòng)態(tài)潮汐能（DTP）技術(shù)研究，尋求一種高效開(kāi)發(fā)潮汐能的新型技術(shù)。此外，河海大學(xué)在潮汐能發(fā)電站的超低水頭水輪機(jī)方面做了大量研究工作，促進(jìn)了超低水頭豎井貫流式水輪機(jī)的快速發(fā)展［12-13］。當(dāng)前，潮汐能發(fā)電技術(shù)已不再是瓶頸問(wèn)題，潮汐發(fā)電工程應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如何有效減低投資成本、提高綜合效益和減少生態(tài)環(huán)境影響等方面。

2.2 潮流能發(fā)電技術(shù)與示范工程

利用潮流動(dòng)能推動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電稱為潮流能發(fā)電，方法類(lèi)似于風(fēng)力發(fā)電，其發(fā)電裝置被形象地比喻為“水下風(fēng)車(chē)”。國(guó)外的潮流能發(fā)電技術(shù)研究始于20世紀(jì)70年代，發(fā)電設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先地位，達(dá)到MW級(jí)裝機(jī)容量。例如，英國(guó)MCT（Marine Current Turbine）公司研發(fā)的SeaGen 1.2MW潮流能水輪機(jī)于2009年在北愛(ài)爾蘭海外的Strangford Lough成功滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)前正在全力推進(jìn)SeaGen S（＞2MW）、SeaGen U（＞3MW）系列水輪機(jī)。在同一年，加拿大Nova Scotia電力公司設(shè)計(jì)了1MW商業(yè)型示范樣機(jī)，并成功安裝于Fundy Bay。作為目前全球規(guī)模最大的潮流能發(fā)電計(jì)劃，MeyGen潮流能示范工程預(yù)計(jì)于2016年在英國(guó)蘇格蘭北部的Pentland Firth開(kāi)始運(yùn)行，計(jì)劃安裝269臺(tái)水輪機(jī)，裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到398MW，一旦完工后，可滿足17.5萬(wàn)戶家庭用電需求。

近年來(lái)，在國(guó)家科技計(jì)劃和專(zhuān)項(xiàng)資金支持下，我國(guó)研發(fā)了10余項(xiàng)潮流能試驗(yàn)裝置，主要潮流能發(fā)電技術(shù)已全面進(jìn)入海試階段，基本解決了潮流能發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件已基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。例如，哈爾濱工程大學(xué)自1980開(kāi)始研究潮流能發(fā)電機(jī)組，其研發(fā)的“海能I號(hào)”（總裝機(jī)容量300kW）已通過(guò)海試。目前，哈爾濱工程大學(xué)在浙江舟山海域建立的岱山600 kW潮流能機(jī)組項(xiàng)目已進(jìn)入試運(yùn)行階段，并取得良好效果。中國(guó)海洋大學(xué)基于柔性葉片開(kāi)發(fā)的潮流能發(fā)電機(jī)可雙向發(fā)電，并于2008年在山東齋堂島海試5kW的樣機(jī)。河海大學(xué)在優(yōu)化雙向潮流能發(fā)電機(jī)組翼型方面也做了大量研究，研發(fā)的水平軸式水輪機(jī)和垂直軸式水輪機(jī)正處于水槽測(cè)試階段，運(yùn)行效果良好。浙江大學(xué)研制的60 kW水平軸潮流能發(fā)電機(jī)組于2014年進(jìn)行海試，目前正在與國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)公司開(kāi)展300kW機(jī)組設(shè)計(jì)與制造。

隨著技術(shù)的不斷成熟，一些大型企業(yè)也進(jìn)入了潮流能示范工程這一領(lǐng)域。當(dāng)前，中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司、華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心等單位已完成我國(guó)首個(gè)MW級(jí)潮流能示范工程的整體設(shè)計(jì)方案，將在浙江舟山普陀山島與葫蘆島之間海域建設(shè)實(shí)施。該示范工程建成以后，將為我國(guó)的潮流能發(fā)電設(shè)備提供統(tǒng)一的測(cè)試平臺(tái)。同時(shí)，浙江舟山聯(lián)合動(dòng)能新能源開(kāi)發(fā)有限公司正在研發(fā)的LHD-L-1000林東模塊化大型海洋潮流能發(fā)電機(jī)組，已獲得地方政府用海許可。中國(guó)節(jié)能環(huán)保集團(tuán)公司在浙江舟山海域通過(guò)引進(jìn)技術(shù)正在建設(shè)1MW并網(wǎng)示范項(xiàng)目。山東齋堂島“500 kW海洋能獨(dú)立電力系統(tǒng)”示范工程，目前已經(jīng)向島上居民供電。這些示范工程的順利實(shí)施已成為商業(yè)大規(guī)模利用潮流能的重要前提和必經(jīng)階段，依托示范工程發(fā)現(xiàn)、分析與解決潮流能開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是未來(lái)的工作重心。

2.3 波浪能發(fā)電技術(shù)與示范工程

波浪能發(fā)電是以波浪的能量為動(dòng)力生產(chǎn)電能。一般說(shuō)來(lái)，通過(guò)一定的波浪能裝置將波浪能首先轉(zhuǎn)換為機(jī)械能（液壓能），然后再轉(zhuǎn)換成電能。根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，可將波浪能發(fā)電技術(shù)分為振蕩水柱、擺式、閥式、收縮波道、點(diǎn)吸收（振蕩浮子）、鴨式等技術(shù)。目前，在國(guó)外建成的振蕩水柱式發(fā)電裝置有英國(guó)LIMPET 500 kW固定式電站、葡萄牙400kW固定式電站和澳大利亞500 kW離岸固定式裝置。建成的擺式發(fā)電裝置包括日本5kW懸掛擺和英國(guó)400 kW海底鉸接擺Oyster。海蛇Pelamis是閥式發(fā)電裝置的典型代表，總裝機(jī)容量為750kW。目前，正在運(yùn)轉(zhuǎn)的收縮波道電站有挪威的350kW固定式收縮波道裝置和丹麥的離岸漂浮式波能裝置Wave Dragon（＞1MW）。點(diǎn)吸收式發(fā)電的典型裝置主要有英國(guó)的AquaBuoy裝置和美國(guó)的PowerBuoy裝置。國(guó)外的波浪發(fā)電技術(shù)種類(lèi)多、涉及面廣、裝機(jī)容量跨度大，并在波浪能示范工程中得到較好應(yīng)用。

我國(guó)在波浪能發(fā)電技術(shù)研究方面，主要開(kāi)展了功率在100kW以下裝置的研發(fā)試驗(yàn)，目前有超過(guò)15個(gè)波浪能裝置開(kāi)展了海試。國(guó)家海洋技術(shù)中心研發(fā)的30 kW重力擺、100 kW浮力擺波浪能裝置均已開(kāi)展示范運(yùn)行。中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所目前已建成100kW固定振蕩水翼式電站［14］，在研發(fā)5kW鴨式系列波浪能裝置的基礎(chǔ)上開(kāi)展了鷹式波浪能裝置研發(fā)并進(jìn)行了1年多的海試，還研發(fā)了哪吒系列的點(diǎn)吸式波浪能裝置并成功開(kāi)展了海試。中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所的150kW閥式液壓波浪發(fā)電裝置“海龍”在廣東萬(wàn)山海域開(kāi)展了海試。集美大學(xué)研發(fā)的10kW浮式波浪能裝置“集大1號(hào)”在福建小澄島海域開(kāi)展了海試。

對(duì)于遠(yuǎn)離陸地而又沒(méi)有傳統(tǒng)能源儲(chǔ)備的孤島，波浪能開(kāi)發(fā)是解決能源供應(yīng)的可行途徑。2009年，在珠江口的擔(dān)桿島初步建成投產(chǎn)綜合利用波浪能、太陽(yáng)能和風(fēng)能的可再生獨(dú)立能源電站，島上300居民實(shí)現(xiàn)了24h電力自行供應(yīng)；山東大管島波浪能、太陽(yáng)能和風(fēng)能多能互補(bǔ)電站為島上居民生產(chǎn)生活供電，是居民實(shí)際需求的1.1倍以上［15］。目前，我國(guó)計(jì)劃在廣東珠海萬(wàn)山建設(shè)波浪能海上試驗(yàn)場(chǎng)，為波浪能發(fā)電設(shè)備提供統(tǒng)一的測(cè)試平臺(tái)。同時(shí)，在山東威海建設(shè)的國(guó)家海上綜合測(cè)試場(chǎng)也可為波浪能設(shè)備進(jìn)行原理測(cè)試。相比小功率波浪能發(fā)電裝置而言，大功率波浪能發(fā)電技術(shù)與示范工程仍處于起步階段。

2.4 溫差能和鹽差能發(fā)電技術(shù)與示范工程

溫差能發(fā)電是利用海洋中受太陽(yáng)能加熱的暖和表層水與較冷深層水之間的溫差進(jìn)行發(fā)電。目前，國(guó)外正在實(shí)施和計(jì)劃實(shí)施的溫差能發(fā)電項(xiàng)目主要在日本、荷蘭和英國(guó)。日本電力公司在Nauru成功建設(shè)100 kW溫差能發(fā)電站的基礎(chǔ)上，將再建造一座20MW的溫差能電站。同時(shí)，正在利用一座5 kW電站進(jìn)行溫差能發(fā)電與養(yǎng)殖業(yè)的綜合利用試驗(yàn)研究。荷蘭擬在Antilles和Bali分別建造10 MW浮動(dòng)式溫差能電站和100 kW岸基溫差能電站。英國(guó)也計(jì)劃在加勒比海或者太平洋修建一座10 MW溫差能電站。我國(guó)的溫差能研究處在起步階段。國(guó)家海洋局第一海洋研究所研發(fā)了15kW溫差能發(fā)電裝置并開(kāi)展了電廠溫排水試驗(yàn)，同時(shí)也進(jìn)行了溫差能技術(shù)為海洋觀測(cè)儀器供電的相關(guān)研究。雖然溫差能發(fā)電的總體規(guī)模較小，但是溫差能發(fā)電技術(shù)的研究與發(fā)展較為活躍，我國(guó)南海西沙群島被認(rèn)為是最適合開(kāi)展溫差能開(kāi)發(fā)試驗(yàn)的場(chǎng)地［16］。

鹽差能發(fā)電的主要工作原理是將不同鹽濃度海水之間的化學(xué)電位差能轉(zhuǎn)換成水的勢(shì)能，再驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電。鹽差能的研究以美國(guó)、以色列的研究較為領(lǐng)先，中國(guó)、瑞典和日本等也開(kāi)展了一些研究。例如，Statkraft公司從1997年開(kāi)始研究鹽差能利用裝置，2003年建成世界上第一個(gè)專(zhuān)門(mén)研究鹽差能的實(shí)驗(yàn)室，2008年設(shè)計(jì)并建設(shè)了一座功率為2～4kW的鹽差能發(fā)電站。相比其他海洋能而言，鹽差能利用技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室原理研究階段。

3 關(guān)鍵科技問(wèn)題

3.1 新型結(jié)構(gòu)形式

為減少潮汐電站對(duì)環(huán)境的影響，新的潮汐能利用方式應(yīng)運(yùn)而生。Cornett等［17］討論了建設(shè)潟湖潮汐電站對(duì)環(huán)境的影響，預(yù)測(cè)在Fundy河口建設(shè)潟湖潮汐電站的發(fā)電量。潟湖潮汐電站是在潮差較大的河口、海灣等近岸地區(qū)，建設(shè)圓形等形式的圍堰，漲潮注水、落潮截流，等圍堰內(nèi)外形成可利用的水頭差后開(kāi)始發(fā)電。同時(shí)，英國(guó)也開(kāi)始著手在Swansea Bay建設(shè)潟湖潮汐電站，該發(fā)電站將由6個(gè)巨型潮汐能轉(zhuǎn)換設(shè)施構(gòu)成，完工后將負(fù)責(zé)全英國(guó)8%的供電。

潮流能開(kāi)發(fā)利用時(shí)，因水流結(jié)構(gòu)垂向上的變化，會(huì)引起布置在表層和底層的潮流能水輪機(jī)輸出電量的不同。Sanchez等［18］針對(duì)西班牙Galiza一個(gè)河口地區(qū)，對(duì)比分析了座底式和漂浮式潮流能水輪機(jī)的發(fā)電量，由于水平速度在垂直方向上不均勻分布，采用漂浮式潮流能水輪機(jī)的發(fā)電量大于采用座底式潮流能水輪機(jī)的發(fā)電量。

在波浪能發(fā)電方面，傳統(tǒng)的岸式振蕩水柱式設(shè)備不能適應(yīng)水平面的漲落，在應(yīng)用上具有一定的局限性，人們開(kāi)始尋求漂浮式波浪能技術(shù)，例如以英國(guó)McCabe和丹麥Pelamis為代表的閥式波浪能發(fā)電技術(shù)和以英國(guó)AquaBuoy為代表的點(diǎn)吸式波浪浮子技術(shù)。

然而，單一的海洋能利用形式開(kāi)發(fā)成本太高，與常規(guī)能源利用相比經(jīng)濟(jì)性不好，不利于大規(guī)模商業(yè)推廣。研發(fā)新型海洋能開(kāi)發(fā)利用工程結(jié)構(gòu)，建設(shè)多能互補(bǔ)的電站，綜合利用潮汐能、潮流能、波浪能、海上風(fēng)能和太陽(yáng)能，可以提高能源開(kāi)發(fā)效率。研究新型的防波堤、擋潮閘、圍堤形式以利用海洋能，是促進(jìn)海洋能商業(yè)化開(kāi)發(fā)利用的有效途徑［19］。

3.2 結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定

在全球氣候環(huán)境變化影響下，極端天氣不斷增加，其引起的臺(tái)風(fēng)浪、風(fēng)暴潮等惡劣海況對(duì)海洋能利用工程及其設(shè)備的破壞也不可忽視，如何有效保護(hù)工程及其設(shè)備設(shè)施的安全與穩(wěn)定已成為海洋能利用的關(guān)鍵難點(diǎn)。與傳統(tǒng)的靜態(tài)海洋工程結(jié)構(gòu)如防波堤與海上石油平臺(tái)相比，海洋能利用工程的發(fā)電裝置具有動(dòng)態(tài)發(fā)電特點(diǎn)，例如，潮流能葉片運(yùn)作與波浪浮子運(yùn)動(dòng)，對(duì)其樁基等固定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的沖刷防護(hù)有更高要求［20］。

災(zāi)害性海洋過(guò)程如臺(tái)風(fēng)浪、風(fēng)暴潮等也蘊(yùn)含了巨大能源，如果能從海洋災(zāi)害中提取出能量，既能防災(zāi)減災(zāi)、又能提供能源，可為海洋能的開(kāi)發(fā)利用拓寬思路。海洋能利用工程材料的使用環(huán)境苛刻，處于水表面的部分長(zhǎng)期受干濕交替、冷熱循環(huán)作用，對(duì)結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的耐久性提出了更高要求；海下結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受海水及海生物的侵蝕產(chǎn)生腐蝕，除了承擔(dān)自身重力外，還遭受風(fēng)浪、海流、地震、低溫等自然力的惡劣海況［21］。此外，微生物附著不但會(huì)降低海洋能的發(fā)電效率，也會(huì)影響結(jié)構(gòu)物的生命周期。因此，對(duì)海洋能利用工程的結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)提出了高強(qiáng)度、高韌性、耐低溫、抗疲勞、防生物附著等要求，急需開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究。

3.3 海域水沙環(huán)境影響

根據(jù)能源分布的特點(diǎn)，海洋能利用工程多采用陣列布局的發(fā)電機(jī)組，如潮流能水輪機(jī)陣列、波浪能浮子陣列等發(fā)電機(jī)組。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，在海洋能開(kāi)發(fā)利用的實(shí)踐工程中，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始關(guān)注和評(píng)估海洋能利用工程對(duì)臨近海域環(huán)境的影響。海洋能發(fā)電機(jī)組在安裝、運(yùn)行和報(bào)廢的不同階段都會(huì)直接影響其周邊水沙動(dòng)力生態(tài)環(huán)境，其中主要包括水文動(dòng)力環(huán)境、沉積物環(huán)境、水質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和地形地貌等［22-23］。例如，潮流能水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)潮流動(dòng)力產(chǎn)生擾動(dòng)影響，在葉輪區(qū)提取能量將改變潮流流速和方向，水下支撐結(jié)構(gòu)影響附近區(qū)域的流體動(dòng)力特性。Robins等［24］以英國(guó)Skerries Islands附近的潮流能電站為例，發(fā)現(xiàn)當(dāng)潮流能的開(kāi)發(fā)規(guī)模大于50MW時(shí)，發(fā)電機(jī)組局部的泥沙輸運(yùn)過(guò)程與岸灘演變規(guī)律會(huì)受到顯著影響。但是，目前這方面的影響都以定性分析為主，并未對(duì)海洋能利用工程的環(huán)境影響進(jìn)行定量化研究?，F(xiàn)有規(guī)劃的海洋能利用示范工程，例如，英國(guó)的MeyGen示范工程項(xiàng)目和我國(guó)的舟山潮流能示范工程項(xiàng)目，通常分為多個(gè)階段，海洋環(huán)境影響的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、分析與預(yù)測(cè)是第一階段實(shí)施的重要工作內(nèi)容，可為后續(xù)階段和其他類(lèi)似工程建設(shè)提供重要參考價(jià)值。為盡可能減少甚至避免海洋能利用對(duì)臨近水域水沙環(huán)境的不利影響，應(yīng)盡早開(kāi)展影響評(píng)價(jià)體系研究以便進(jìn)行定量評(píng)估，促進(jìn)環(huán)境友好型海洋能利用工程的發(fā)展。

3.4 轉(zhuǎn)換效率與并網(wǎng)技術(shù)

海洋能發(fā)電一般是先將海洋能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換為電能。目前，海洋能發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率低，急需研發(fā)高轉(zhuǎn)換效率的發(fā)電裝置。同時(shí)，海洋能輸出功率受自然資源特性，如潮流流速流向、波浪浪高等限制，具有很強(qiáng)的隨機(jī)變化性、間歇性、波動(dòng)性等特點(diǎn)，輸出功率變化大。發(fā)展海洋能既可以建立獨(dú)立分布式電站，也可以建立并網(wǎng)式電站。建立獨(dú)立式電站應(yīng)考慮電力用戶需求問(wèn)題，只要沿海和島嶼居民有需求就可以就近布置電站，不考慮并網(wǎng)問(wèn)題。當(dāng)考慮海洋能發(fā)電并網(wǎng)時(shí)，海洋新能源并網(wǎng)會(huì)給電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻、電壓控制、電能質(zhì)量等帶來(lái)一定的影響［25］。為了充分發(fā)揮海洋能發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，解決其輸出功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響，需要在發(fā)電系統(tǒng)中配置一定容量的儲(chǔ)能裝置?？刂苾?chǔ)能系統(tǒng)和發(fā)電場(chǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，使儲(chǔ)能系統(tǒng)適時(shí)吸收和釋放功率，可以有效地平抑海洋能電場(chǎng)注入電網(wǎng)的功率波動(dòng)，改善并網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，提高源網(wǎng)協(xié)調(diào)性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

海洋能利用工程正成為港口、海岸及近海工程學(xué)科的前沿研究熱點(diǎn)之一。本文回顧了海洋能利用工程領(lǐng)域的資源調(diào)查與評(píng)估、能源轉(zhuǎn)換技術(shù)與示范工程的國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展，指出了其所面臨的許多挑戰(zhàn)。集成多功能的新型結(jié)構(gòu)形式、惡劣海況下的結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定、復(fù)雜未知的海岸與近海水沙環(huán)境影響、高效可控的轉(zhuǎn)換效率與并網(wǎng)技術(shù)等關(guān)鍵科技問(wèn)題是大規(guī)模利用海洋能的研究重點(diǎn)與難點(diǎn)，急需開(kāi)展系統(tǒng)深入的學(xué)術(shù)研究和工程實(shí)踐。

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Recent advances and key technologies in marine energy utilization engineering

ZHENG Jinhai，ZHANG Jisheng
（College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Marine energy utilization engineering is one of main issues in the field of harbor，coastal，and offshore engineering.This paper reviews recent advances in investigation and evaluation of energy resources，energy conversion technology，and demonstration projects.Key scientific and technical problems for innovative structures，the safety and stability of structures and foundations，the impact on sea water and sediment environment，the conversion rate，and the grid connection technique，which need to be further studied and practiced，were study emphases as they remain difficulties in large-scale utilization of marine energy.

marine energy utilization engineering；tidal energy；tidal current energy；wave energy；temperature gradient energy；salinity gradient energy；energy conversion；water and sediment environment

P743

A

1000-1980（2015）05-0450-06

10.3876／j.issn.1000-1980.2015.05.009

20150713

國(guó)家自然科學(xué)基金（51137002，51479053）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金（20130094110014）；中央高?？蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)（2014B04114）

鄭金海（1972—），男，福建莆田人，教授，博士，主要從事港口、航道、海岸及近海工程研究。E-mail：jhzheng＠hhu.edu.cn