國際海洋能技術(shù)進(jìn)展綜述

麻常雷，夏登文，王 萌，張 多

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

戰(zhàn)略研究

國際海洋能技術(shù)進(jìn)展綜述

麻常雷，夏登文，王 萌，張 多

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

在過去兩年中，國際海洋能技術(shù)取得了重要進(jìn)展。英國MeyGen潮流能發(fā)電場一期工程竣工，6 MW潮流能發(fā)電陣列并網(wǎng)發(fā)電，荷蘭Torcado公司1.2 MW潮流能發(fā)電陣列并網(wǎng)發(fā)電，標(biāo)志著國際潮流能技術(shù)開始邁向商業(yè)化應(yīng)用。芬蘭“企鵝”號1 MW波浪能發(fā)電裝置在英國EMEC進(jìn)行了3年多示范運行，澳大利亞Carnegie公司在英國康沃爾布放1 MW波浪能發(fā)電裝置測試運行，以西班牙Mutriku、以色列Eco等為代表的小功率波浪能發(fā)電技術(shù)已實現(xiàn)并網(wǎng)運行。百千瓦級溫差能示范電站運行良好，為兆瓦級電站建造積累了重要經(jīng)驗。分析國際海洋能技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，可為我國海洋能技術(shù)發(fā)展提供有益借鑒，有助于我國海洋能技術(shù)盡早實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

海洋能；進(jìn)展；MeyGen；EMEC；FORCE

綠色清潔的海洋可再生能源（以下簡稱“海洋能”）具有巨大的開發(fā)利用潛力。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布的一項研究報告表明，全球海洋能資源理論上每年可發(fā)電2 000萬億kWh，約為2008年全球電力供應(yīng)量的100多倍。同時，海洋能資源的能量密度不高、分布不均勻，使其開發(fā)利用難度較大。近年來，隨著英國、美國等海洋強國持續(xù)加大對海洋能技術(shù)研發(fā)應(yīng)用及其示范的資金投入和政策支持力度，大型跨國能源和制造業(yè)巨頭也開始進(jìn)軍海洋能領(lǐng)域，國際海洋能技術(shù)取得了一系列重要進(jìn)展,世界最大的潮汐電站裝機達(dá)254 MW，潮流能發(fā)電場（總裝機398 MW）初期規(guī)模達(dá)6 MW，多個波浪能發(fā)電技術(shù)（最大1 MW）已開展多年示范運行，溫差能發(fā)電及其綜合利用即將開展兆瓦級工程建設(shè)。海洋能技術(shù)在邊遠(yuǎn)海島、深遠(yuǎn)海、海底等目標(biāo)領(lǐng)域的供電及綜合利用逐步成為現(xiàn)實。

1 國際潮流能技術(shù)進(jìn)展

根據(jù)歐盟聯(lián)合研究中心（JRC）發(fā)布的一份研究報告，國際潮流能技術(shù)以水平軸式為主（占七成以上），大多數(shù)渦輪機組具有可變速傳動系統(tǒng)，且采用海底剛性結(jié)構(gòu)安裝。2015年之前，很少有潮流能機組并網(wǎng)運行的相關(guān)信息，更多的是以在英國EMEC、加拿大FORCE等海洋能試驗場進(jìn)行并網(wǎng)測試為主。目前，國際上已有數(shù)個單機兆瓦級機組實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，同時也有單機百千瓦級機組并網(wǎng)發(fā)電，從技術(shù)的工程實現(xiàn)來看，小裝機容量潮流能技術(shù)適合安裝于淺水海域，可有效降低開發(fā)成本和風(fēng)險，促進(jìn)技術(shù)累積和工程經(jīng)驗的獲取，為下一步開發(fā)大功率機組奠定基礎(chǔ)。但總體來看，隨著兆瓦級潮流能技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程加快，潮流能發(fā)電成本下降至有競爭力的水平將很快實現(xiàn)。荷蘭1.2 MW潮流能發(fā)電陣列和英國MeyGen潮流能發(fā)電場6 MW發(fā)電陣列的成功并網(wǎng)發(fā)電，標(biāo)志著國際潮流能技術(shù)邁向商業(yè)化應(yīng)用。

1.1 荷蘭Tocardo公司

2008年，荷蘭啟動三角洲工程，開始建造斯凱爾特河防風(fēng)暴橋，以抵御北海風(fēng)暴潮的侵襲，荷蘭Tocardo公司承擔(dān)了利用橋樁安裝潮流能發(fā)電陣列的項目，2015年9月，Tocardo公司和Huisman公司聯(lián)合布放了由5臺T2渦輪機組集成在單一結(jié)構(gòu)上的潮流能發(fā)電陣列，裝置全長50 m、寬20 m、總裝機1.25 MW，被安裝到放風(fēng)暴橋相鄰兩根橋樁上（見圖1），該項目已為1 000戶當(dāng)?shù)鼐用裉峁╇娏?，成為國際上首個并網(wǎng)運行的潮流能發(fā)電陣列。

圖1 T2渦輪機陣列布放到Eastern Scheldt防風(fēng)暴橋

隨后，Tocardo公司還在Afsluitdijk防風(fēng)暴橋上安裝了由3臺T1渦輪機組集成在單一結(jié)構(gòu)上的發(fā)電陣列，總裝機300 kW。為在離岸應(yīng)用，Tocardo公司正在研發(fā)半潛式潮流能發(fā)電陣列，由5臺各300 kW機組構(gòu)成，集成到U型浮體上，總裝機1.5 MW，將于2017年底布放到加拿大FORCE試驗場。

為持續(xù)優(yōu)化T2技術(shù)，2017年，Tocardo公司先后將T2機組布放到英國EMEC和ORE Catapult測試中心開展測試。

1.2 英國Atlantis公司

2012年，英國Atlantis公司獲準(zhǔn)在英國彭特蘭灣建設(shè)總裝機398 MW的潮流能發(fā)電場，這是迄今為止世界最大的潮流能開發(fā)利用計劃。

2015年1月，通過成立融資銀團(tuán)的方式，Atlantis公司與英國能源氣候變化署、英國皇家財產(chǎn)局、蘇格蘭可再生能源投資基金（REIF）、國家電網(wǎng)公司等共同籌集5 000萬英鎊，開始啟動MeyGen項目一期工程A階段（裝機6 MW），由一臺Atlantis公司的AR1500渦輪機和三臺挪威Andritz公司的HS1500渦輪機組成。

2016年4月，蘇格蘭水電配電公司完成岸基和水下配電網(wǎng)工程。2016年6月，岸基控制中心建成并網(wǎng)。經(jīng)過德國Ravensberg工廠制造和總裝后，3臺HS1500機組分別于2016年11月至2017年1月完成海上布放。AR1500機組主機艙由美國洛克希德·馬丁公司設(shè)計，在蘇格蘭Nigg能源產(chǎn)業(yè)園內(nèi)總裝后，在英國國家可再生能源中心（Narec）完成了動力系統(tǒng)測試（見圖2），于2017年2月完成了海上布放。

圖2 AR1500機組動力系統(tǒng)測試及總裝

MeyGen項目一期工程A階段自2016年11月并網(wǎng)發(fā)電以來，享受到英國ROCs（可再生能源義務(wù)制）政策的大力支持，獲得該體系下最高的5ROC支持，即每發(fā)出1 MW·h電力便可獲得5份ROC證書。截止到2017年3月底，該項目累計發(fā)電達(dá)到400 MW·h，滿足了1 250個英國家庭用電，渦輪機的發(fā)電性能超過預(yù)期。2017年4月，由于第三方造成的意外停電事故導(dǎo)致AR1500渦輪機開啟自動保護(hù)系統(tǒng)而停止運行，目前正在對AR1500渦輪機開展意外停電影響評估。

Atlantis公司在全球積極參與開發(fā)多個潮流能發(fā)電場。2016年4月，進(jìn)軍印尼建設(shè)一個150 MW潮流能發(fā)電場，目前已完成可行性研究，與國有電力公司Perusahaan Listrik Negara（PLN）達(dá)成為期25年的電力采購協(xié)議。

1.3 美國GE公司

2010年9月，英國TGL潮流能公司在EMEC布放了一臺500 kW潮流能機組-Deepgen，到2012年3月，該機組累計發(fā)電200 MW·h。2013年，法國Alstom公司收購了TGL潮流能公司，在Deepgen技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展了1 MW渦輪機技術(shù)，2013年7月，該機組布放到EMEC并實現(xiàn)滿發(fā)，到2014年11月底，累計發(fā)電量達(dá)到1 000 MW·h。2015年8月，該技術(shù)通過DNV-GL認(rèn)證。2016年，美國GE公司收購了Alstom公司能源業(yè)務(wù)，在該技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展了1.4 MW的Oceade-18技術(shù)（見圖3），轉(zhuǎn)子直徑23 m，水下電力節(jié)點可以同時連接4～16臺渦輪機，輸出電壓高達(dá)33 kV。

圖3 Oceade-18機組及水下電力節(jié)點

目前，法國政府選定Alstom和GDF Suez公司共同在Raz Blanchard建設(shè)潮流能發(fā)電場，將布放4臺Oceade-18機組及一個水下電力節(jié)點，計劃2017年底完成，將可滿足5 000人用電需求。

1.4 法國DCNS公司

2006年開始，愛爾蘭OpenHydro公司研發(fā)的250 kW空心貫流式潮流能機組Open-Centre在EMEC海試。2009年，在FORCE測試了1 MW型機組。2013年4月，法國DCNS集團(tuán)控股（60%）了OpenHydro公司，繼續(xù)研發(fā)2 MW型機組。

2004年，法國EDF公司獲準(zhǔn)在Paimpol-Bréhat建設(shè)潮流能發(fā)電場，2008年獲得啟動實質(zhì)性工作，2011年8月，建造完成首臺500 kW機組并開始測試，直到2016年1月，OpenHydro公司才成功布放首臺直徑16 m的渦輪機組，2016年5月布放了第二臺機組，該潮流能陣列于7月成功并網(wǎng)。

2016年11月，由加拿大Emera公司和Open－Hydro公司聯(lián)合成立的加拿大Cape Sharp Tidal公司，在FORCE布放了一臺2 MW、直徑16 m的Open-Centre機組，并實現(xiàn)并網(wǎng)（見圖4），2017年將布放第2臺機組。

DCNS公司積極布局全球潮流能開發(fā)利用。2016年初，被日本環(huán)境部選中作為納魯海峽潮流能渦輪機供應(yīng)商，2017年開始2 MW機組制造，2018年完成在日本海域的布放。2016年11月，與印尼PT AIR公司簽署合作協(xié)議，初步完成了開發(fā)選址，計劃2019年布放首個10 MW潮流能發(fā)電場，中長期在印尼開發(fā)300 MW潮流能發(fā)電場。

1.5 英國Nova Innovation公司

蘇格蘭Nova Innovation公司與比利時ELSA公司合作在英國設(shè)得蘭群島Bluemull海峽獲準(zhǔn)建設(shè)3臺Nova M-l00渦輪機組成的潮流能發(fā)電陣列。2016年3月，布放了首臺機組，成為英國海域最早實現(xiàn)商業(yè)化并網(wǎng)發(fā)電的潮流能機組。2016年8月，布放了第2臺機組，2017年2月，布放了第3臺機組。

圖4 Open-Centre在FORCE布放及并網(wǎng)

綜上，國際潮流能技術(shù)已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。隨著美國GE公司、法國DCNS公司、法國EDF公司等國際知名公司進(jìn)入潮流能領(lǐng)域，國際潮流能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加快。對于潮流能資源豐富的海域，研發(fā)布放兆瓦級機組可有效降低單位發(fā)電成本。同時，百千瓦級機組既適合于淺水區(qū)安裝，又可以在短期內(nèi)實現(xiàn)潮流能發(fā)電陣列的應(yīng)用，降低整個發(fā)電場成本，因此國際上也有較多公司致力于小功率潮流能機組研發(fā)。

2 國際波浪能技術(shù)進(jìn)展

國際波浪能技術(shù)在近年來得到了迅速發(fā)展，但波浪能技術(shù)種類比較分散，尚未進(jìn)入技術(shù)收斂期。盡管全球有不少波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行了長期海試，但在惡劣環(huán)境下波浪能發(fā)電裝置的生存性、長期工作可靠性、高效轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)問題仍然有待突破。例如2004年實現(xiàn)在EMEC實現(xiàn)并網(wǎng)的英國Pelamis Wave Power公司研制的Pelamis波浪能裝置，以及2009年在EMEC實現(xiàn)并網(wǎng)的英國Aquamarine Power公司研制的Oyster波浪能裝置，分別于2014年和2015年底由于技術(shù)遲遲無法商業(yè)化導(dǎo)致公司破產(chǎn)。但Pelamis在EMEC累計測試時間超過15 000 h，積累了大量的海試經(jīng)驗和教訓(xùn)，為其它波浪能裝置研發(fā)和海試都具有重要借鑒意義，目前EMEC在蘇格蘭波浪能計劃（WES）支持下，繼續(xù)對Pelamis的部件性能在進(jìn)行測試。

表1 主要潮流能技術(shù)對比

2.1 西班牙EVE公司

2011年7月，由西班牙EVE能源公司建設(shè)的Mutriku振蕩水柱式波浪能電站建成并網(wǎng)運行（見圖5），電站建于畢爾巴鄂北部Amintza的防波堤內(nèi)，由16個氣室組成，總裝機296 kW，年均發(fā)電400 MW·h。每個氣室內(nèi)安裝由VOITH公司生產(chǎn)的WELLS透平機組，透平直徑為750 mm，額定功率18.5 kW，輸出電壓460 V，額定轉(zhuǎn)速3 000 rpm。

圖5 Mutrico電站及其WELLS透平機組

目前，該電站作為振蕩水柱式波浪能發(fā)電技術(shù)測試場，拿出其中一個氣室測試Oceantec的新式透平技術(shù)。

2.2 以色列EWP公司

2012年4月，以色列EWP公司在克里米亞半島一處防波堤上安裝了首個10 kW波浪能岸基電站進(jìn)行測試。2014年1月，該裝置完成測試運到以色列雅法港并網(wǎng)運行至今。

在歐盟區(qū)域發(fā)展基金支持下，2014年6月，公司與英屬直布羅陀政府簽署了5 MW波浪能發(fā)電場電力購買協(xié)議，可滿足直布羅陀15%的電力需求。2016年7月，該發(fā)電場一期100 kW工程建成并網(wǎng)（見圖6）。

圖6 直布羅陀100 kW波浪能電站

2.3 澳大利亞Carnegie公司

澳大利亞 Carnegie Wave Energy公司研制“CETO”波浪能裝置，采用大型水下浮子驅(qū)動，安裝在水下25～50 m的深度，與安裝海床上的渦輪泵組相連接，除了發(fā)電，“CETO”裝置還能利用波浪能進(jìn)行海水淡化，利用波浪能驅(qū)動海水淡化高壓泵，海水受壓流過滲透膜裝置，轉(zhuǎn)為可飲用的淡水（見圖7）。

圖7 CETO工作原理示意

2009-2011年，完成了200 kW“CETO 3”波浪能發(fā)電裝置示范運行，最大發(fā)電功率203 kW，并可輸送77 bar的高壓海水。2016年11月，英國在康沃爾郡啟動首座波浪能發(fā)電場的建造計劃，計劃到2020年完成15個Carnegie公司研制的“CETO6”1MW波浪能發(fā)電裝置的安裝，能滿足6 000戶家庭的用電需求。首臺“CETO 6”現(xiàn)已開始制造，投資1 470萬歐元，將于2018年底發(fā)電。

2.4 芬蘭WelloOy公司

芬蘭Wello Oy公司研發(fā)的“Penguin”波浪能發(fā)電裝置，采用浮體船形式的設(shè)計，吸收波浪動能將其轉(zhuǎn)化為船體內(nèi)部活動部件的旋轉(zhuǎn)運動，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電能，整個裝置只有一個運動部件，且其位于船體內(nèi)，有效避免了海生物附著及海水腐蝕等問題，可有效降低維護(hù)成本。

2012年，“Penguin I”（1MW）在EMEC進(jìn)行了3年的并網(wǎng)測試。2017年3月，在CEFOW（海洋清潔能源）項目的支持下，該裝置被運到位于英國Cornwall的Wave Hub試驗場開展示范運行。

綜上，國際波浪能技術(shù)基本處于示范運行階段，可靠性、生存性等關(guān)鍵技術(shù)仍是制約波浪能技術(shù)發(fā)展的瓶頸，而且現(xiàn)有波浪能發(fā)電裝置基本安裝在近岸海域運行，尚未到波浪能資源更好的離岸 6 km以遠(yuǎn)開展示范運行。同時，以西班牙Mutriku、以色列Eco等為代表的小功率波浪能發(fā)電技術(shù)實現(xiàn)并網(wǎng)運行，將為波浪能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展積累重要的運行經(jīng)驗。

3 國際溫差能技術(shù)進(jìn)展

近年來，日本、美國、印度等國建造了幾個百千瓦級溫差能發(fā)電及綜合利用示范電站，取得了較好的運行效果，為兆瓦級電站建造積累了重要經(jīng)驗，法國、美國、韓國等國已經(jīng)啟動了兆瓦級溫差能電站建設(shè)。

表2 主要波浪能技術(shù)對比

3.1 美國Makai公司

2015年8月，在美國海軍研究辦公室和海軍設(shè)施工程司令部資助下，Makai海洋工程公司制造的100 kW閉式循環(huán)海洋溫差能轉(zhuǎn)換裝置在夏威夷自然能源實驗室正式啟動，成為美國首個并網(wǎng)的溫差能電站，可以滿足夏威夷120戶家庭年用電需求（見圖8），目前上網(wǎng)電價約19美分/kWh，剩余電能出售產(chǎn)生的收益將用于溫差能技術(shù)的發(fā)展和研究。Makai公司最終目標(biāo)是研建100 MW溫差能電站。3.2日本IHI公司

圖8 MAKAI 100 kW溫差能電站

2013年，日本IHI工程公司與Xenesys公司和橫河電機公司合作在日本沖繩島的久留島建成50 kW示范電站（見圖9），該技術(shù)是基于日本佐賀大學(xué)30 kW溫差能示范電站技術(shù)，為溫差能技術(shù)商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

圖9 沖繩50 kW溫差能電站

此外，印度于2012年在米尼科伊島（Minicoy）建造了日產(chǎn)淡水約100 t的溫差能海水制淡示范電站，韓國海洋科學(xué)與技術(shù)研究所于2013年建成20 kW溫差能試驗電站，法國DCNS公司正在塔希提開展10 MW溫差能電站建設(shè)可行性研究?？傮w來看，國際溫差能技術(shù)仍處于核心技術(shù)突破階段，其冷水管技術(shù)、平臺水管接口技術(shù)、熱力循環(huán)技術(shù)以及整體集成技術(shù)等方面仍存在一定問題。溫差能發(fā)電要突破高發(fā)電成本的制約，需要向十兆瓦甚至百兆瓦電站規(guī)模發(fā)展，同時利用其在海水淡化、制氫、空調(diào)制冷、深水養(yǎng)殖等方面的綜合利用優(yōu)勢。

4 我國海洋能技術(shù)發(fā)展建議

我國海洋能資源總量較為豐富，分布較廣，種類齊全，但各類型資源不均，多個類型資源的品質(zhì)不高。近年來，在相關(guān)部門支持下，尤其是財政部與國家海洋局聯(lián)合設(shè)立的海洋可再生能源專項資金的積極推動下，我國海洋能技術(shù)取得了較快發(fā)展，為工程化應(yīng)用奠定了堅實科技基礎(chǔ)，積累了重要的工程經(jīng)驗。

潮流能技術(shù)方面，以LHD-1000垂直軸技術(shù)和浙大半直驅(qū)水平軸技術(shù)為代表的國內(nèi)技術(shù)，基本具備國際先進(jìn)水平。針對我國近海潮流能資源狀況，發(fā)展單機百千瓦級技術(shù)，多機組兆瓦級集成工程化應(yīng)用是更好的選擇。

波浪能技術(shù)方面，以鷹式漂浮式技術(shù)為代表的國內(nèi)技術(shù)，示范運行效果較好，初步具備國際先進(jìn)水平。需要積累更多的運行經(jīng)驗，為向離岸更遠(yuǎn)海域布放應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。同時，也可考慮適當(dāng)發(fā)展岸基波浪能技術(shù)，工程風(fēng)險相對低，有望實現(xiàn)波浪能并網(wǎng)運行的突破。

溫差能技術(shù)方面，國內(nèi)溫差能發(fā)電技術(shù)在循環(huán)效率等方面處于國際先進(jìn)水平，缺乏示范工程應(yīng)用經(jīng)驗，需要在南海盡快開展百千瓦級甚至兆瓦級溫差能示范電站建設(shè)。此外，在溫差能制冷、制淡、深海養(yǎng)殖等綜合利用方面，也有較大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

[1]夏登文，康健.海洋能開發(fā)利用詞典[M].北京：海洋出版社，2014.

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Review on the Progress of Marine Renewable Energy Technologies in the World

MA Chang-lei,XIA Deng-wen,WANG Meng,ZHANG Duo
National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

During the last couple of years,there has been some renewed intelligence in marine renewable energy (MRE)development in the world.For tidal current energy,the phase 1 A(6 MW)of MeyGen project connected to the grid in Feb 2017 and had generated more than 400 MWh by the end of Mar 2017.The 1.2 MW tidal array (5×250 kW)deployed by Torcado company had been integrated into the grid since Sep 2015.In a word,tidal current technology has reached TRL 9 across the globe.For wave energy,the Penguin I has been tested in EMEC in the UK since 2012 and has been operational in Wave Hub since Mar 2017.CETO 6 wave device was selected to build the first wave energy plant in UK.Meanwhile,the Mutriku OWC plant in Spain and Eco Gibraltar plant have demonstrated the feasibility of the 10 kW level wave energy technologies.The demonstration plant of a 50 kW OTEC pilot project has been in operation in Japan since 2013.A 100 kW OTEC pilot plant built by Makai Ocean Engineering has been in operation in the USA since Aug 2015,which would provide essential experience for constructing MW plants.The analysis on the status and trend of MRE technology development in the world would provide a useful reference for the industrialization of MRE technologies in China.

marine renewable energy(MRE);progress;MeyGen;EMEC;FORCE

P74

A

1003-2029（2017）04-0070-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.013

2017-03-08

海洋可再生能源專項資金資助項目（GHME2017ZC01，GHME2016ZC01，GHME2016ZC02，GHME2016ZC03）

麻常雷（1980-），碩士，高級工程師，主要從事海洋技術(shù)戰(zhàn)略研究。E-mail：notcmachanglei@163.com