海洋能發(fā)電技術(shù)的比較與分析

□古云蛟上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

海洋能發(fā)電技術(shù)的比較與分析

□古云蛟
上海電氣集團(tuán)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(fā)電技術(shù)的基本原理、技術(shù)特點(diǎn)以及應(yīng)用現(xiàn)狀等方面作了綜合介紹，給出了海洋能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的方向。

當(dāng)今世界能源短缺和環(huán)境污染等問題日益加劇，開發(fā)利用高效清潔能源成為迫在眉睫的重要任務(wù)。海洋能作為一種可再生的清潔能源，具有巨大的開發(fā)利用價(jià)值。海洋覆蓋地球表面達(dá)到70%以上，地球接收來(lái)自宇宙的能量，大部分都以各種形式存儲(chǔ)在海洋或海洋上空，并轉(zhuǎn)化成海洋能。海洋也因蘊(yùn)含著各種形式的海洋能而被認(rèn)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(lái)源于太陽(yáng)輻射和月球的引力。太陽(yáng)輻射的不均勻致使地球大氣流動(dòng)產(chǎn)生風(fēng)，從而使海洋表面產(chǎn)生波浪運(yùn)動(dòng)，形成波浪能；太陽(yáng)照射海洋表面，太陽(yáng)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(duì)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(guī)則雙向海水流動(dòng)的動(dòng)能稱為潮流能；由風(fēng)以及海水自身密度差等因素引起的海水非潮流的流動(dòng)能，稱為海流能。

海洋能是清潔可再生能源，世界各國(guó)越來(lái)越重視對(duì)海洋能的開發(fā)與利用，因此，海洋能發(fā)電技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。筆者對(duì)各種海洋能發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，分析了未來(lái)海洋能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用模式。

1 潮汐能發(fā)電

潮汐能是由月球和太陽(yáng)等引力作用導(dǎo)致海水周期性漲落而產(chǎn)生的能量，利用潮汐能進(jìn)行發(fā)電，其原理與水力發(fā)電類似，技術(shù)組成也基本相同，都是利用水的位能驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

潮汐能發(fā)電研究已有100多年的歷史，英國(guó)、法國(guó)、加拿大和俄羅斯不少電站開發(fā)規(guī)劃和設(shè)計(jì)論證已長(zhǎng)達(dá)幾十年。1966年，法國(guó)在希列塔尼米島建成一座最大落差13.5 m、壩長(zhǎng)750 m、總裝機(jī)容量240 MW的郎斯河口潮汐電站，之后潮汐發(fā)電技術(shù)進(jìn)入以大規(guī)模商業(yè)性生產(chǎn)為目的、降低造價(jià)為目標(biāo)的科研論證階段。潮汐發(fā)電技術(shù)是目前海洋能發(fā)電技術(shù)中運(yùn)用最成熟的技術(shù)，潮汐發(fā)電有以下三種形式［2］：①單庫(kù)單向發(fā)電，即落潮發(fā)電。漲潮時(shí)水庫(kù)打開進(jìn)行蓄水，等到落潮后用水庫(kù)中水的勢(shì)能驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，浙江省溫嶺市沙山潮汐電站就是這種類型。②單庫(kù)雙向發(fā)電。用一個(gè)水庫(kù)，但是漲潮與落潮時(shí)均可驅(qū)動(dòng)輪機(jī)發(fā)電，只是在平潮時(shí)不能發(fā)電，廣東省東莞市的鎮(zhèn)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(kù)雙向發(fā)電。采用高低水位的兩個(gè)水庫(kù)，在兩個(gè)水庫(kù)之間布置發(fā)電機(jī)組，漲潮時(shí)上水庫(kù)蓄滿水，落潮時(shí)下水庫(kù)放水，始終維持兩個(gè)水庫(kù)的水位差，這種方式不僅在漲落潮全程中都可以連續(xù)不斷地發(fā)電，還能使電力輸出比較平穩(wěn)，浙江玉環(huán)縣茅埏島上的海山潮汐電站就是此種類型，雙庫(kù)雙向發(fā)電原理俯視圖如圖1所示。

圖1 雙庫(kù)雙向發(fā)電原理俯視圖

近幾十年來(lái)，我國(guó)在潮汐發(fā)電技術(shù)的研究和開發(fā)方面做了許多工作，目前已有不少建成投運(yùn)的潮汐電站，表1是國(guó)內(nèi)外已建成的主要潮汐電站。

表1 國(guó)內(nèi)外已建成的主要潮汐電站

2 波浪能發(fā)電

波浪能主要是由于海面上空的風(fēng)、氣壓和水自身的重力等相互作用產(chǎn)生起伏運(yùn)動(dòng)，形成動(dòng)能和勢(shì)能，波浪能的大小與波高和周期有關(guān)，是一種能量密度低、不穩(wěn)定、無(wú)污染、可再生、儲(chǔ)量大、分布廣的能源。目前波浪能發(fā)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(yùn)動(dòng)將波浪能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)機(jī)械（如水力透平、空氣透平、液壓電動(dòng)機(jī)、齒輪增速機(jī)構(gòu)）的機(jī)械能，然后再通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，也有一些波浪能發(fā)電裝置是直接俘獲波浪能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。目前，世界上波浪能發(fā)電技術(shù)主要包括：振蕩水柱（Oscillation Water Column，OWC）技術(shù)、筏式技術(shù)、擺式技術(shù)、振蕩浮子（點(diǎn)吸收）技術(shù)、鴨式技術(shù)、波龍（The Wave Dragon）技術(shù)等，筆者主要介紹其中幾種常見的技術(shù)。

2.1 OWC技術(shù)

OWC波浪能發(fā)電技術(shù)是利用空氣作為介質(zhì)，采用波浪壓縮空氣，經(jīng)過噴管驅(qū)動(dòng)空氣透平，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電的一種發(fā)電方式，如圖2所示。該裝置包含一個(gè)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(nèi)的空氣上，壓縮空氣往復(fù)通過噴管，將波浪能轉(zhuǎn)換成空氣的動(dòng)能和壓能，再驅(qū)動(dòng)空氣透平帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，圖3是澳大利亞500 kW OWC發(fā)電裝置［3］。OWC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)就是發(fā)電設(shè)備不與海水接

圖2 OWC波浪能發(fā)電技術(shù)示意圖

圖3 澳大利亞OWC發(fā)電裝置

觸，耐腐蝕性好，安全可靠，方便維護(hù)，但是其轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低。

2.2 筏式技術(shù)

筏式波浪能發(fā)電裝置主要由相互鉸接的筏體以及筏體之間的液壓系統(tǒng)組成。筏體隨波浪上下起伏運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)液壓泵，將波浪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成液壓能，驅(qū)動(dòng)液壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。目前，筏式發(fā)電技術(shù)應(yīng)用比較成功的案例有：英國(guó)Cork大學(xué)和女王大學(xué)研究的McCabe波浪泵發(fā)電裝置、蘇格蘭 Ocean Power Delivery公司的海蛇（Pelamis）波浪能發(fā)電裝置。

圖4為McCabe波浪泵發(fā)電裝置，它由三個(gè)浮子線性鉸接并與波浪方向一致，中間浮子結(jié)構(gòu)較小，其下連接一個(gè)水下阻尼板，使中間附體運(yùn)動(dòng)幅度較小，從而增大前浮和尾浮與中間浮子的相對(duì)角位移，從而驅(qū)動(dòng)液壓電機(jī)去發(fā)電，發(fā)電功率可達(dá)到250～500 kW。圖5為海蛇波浪能發(fā)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(duì)浮體的負(fù)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(qū)動(dòng)液壓泵，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，該裝置的總裝機(jī)容量為750 kW，總長(zhǎng)150 m，置于水深50～60 m的海面上。

2.3 振蕩浮子技術(shù)

圖4 McCabe波浪泵發(fā)電裝置

圖5 海蛇波浪能發(fā)電裝置

振蕩浮子波浪能發(fā)電是一種點(diǎn)吸收式發(fā)電技術(shù)，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(yùn)動(dòng)吸收波浪能。振蕩浮子發(fā)電裝置主要由浮子、繩索、直線發(fā)電機(jī)、彈簧等組成，如圖6所示。目前，世界上建成的振蕩浮子發(fā)電裝置主要有英國(guó)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(fā)電裝置示意圖

3 潮流能和海流能發(fā)電

潮/海流能發(fā)電裝置 （Tidal or Marine CurrentTurbine）不同于傳統(tǒng)的潮汐能發(fā)電機(jī)組，它是一種開放式的海洋能捕獲裝置，該裝置葉輪轉(zhuǎn)速相對(duì)要慢很多，一般來(lái)說(shuō)最大流速在2 m/s以上的流動(dòng)能都具有利用價(jià)值，潮/海流能發(fā)電裝置根據(jù)其透平機(jī)械的軸線與水流方向的空間關(guān)系可分為水平軸式和垂直軸式兩種結(jié)構(gòu)。

3.1 水平式發(fā)電系統(tǒng)

水平軸式潮流能發(fā)電裝置具有效率高、自啟動(dòng)性能好的特點(diǎn)，若在系統(tǒng)中增加變槳或?qū)α鳈C(jī)構(gòu)，則可使機(jī)組適應(yīng)雙向的潮流環(huán)境，這種結(jié)構(gòu)興起于最近十年，取得了較大的發(fā)展。英國(guó)Marine Current Turbine公司設(shè)計(jì)了世界上第一臺(tái)大型水平軸式潮流發(fā)電機(jī)Seaflow，容量300 kW，并于2003年在Devon郡北部成功進(jìn)行海上試運(yùn)行。2008年，該公司第二階段商業(yè)規(guī)模的1.2 MW雙葉輪結(jié)構(gòu)“SeaGen”發(fā)電機(jī)也在北愛爾蘭Stanford港成功運(yùn)行，如圖7所示。3.2垂直式發(fā)電系統(tǒng)

圖7 SeaGen結(jié)構(gòu)示意圖

垂直式發(fā)電系統(tǒng)顧名思義就是指輪機(jī)的轉(zhuǎn)軸與海面垂直，海水流動(dòng)驅(qū)動(dòng)葉片，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸垂直轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

加拿大Blue Energy公司在垂直式潮流發(fā)電裝置設(shè)計(jì)方面技術(shù)較為成熟，著名的Davis四葉片垂直軸渦輪機(jī)就是該公司的產(chǎn)品，如圖8所示。

4 溫差能發(fā)電

海洋溫差能是因?yàn)樘?yáng)輻射海面，造成海面與深海之間產(chǎn)生溫差，這就提供了一個(gè)總量巨大且比較穩(wěn)定的能源。海洋溫差能發(fā)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(zhì)，使之汽化以驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，同時(shí)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(tài)。海洋溫差發(fā)電技術(shù)一般可以分為以下三類：開式循環(huán)、閉式循環(huán)、混合循環(huán)。

4.1 開式循環(huán)

圖8 Davis四葉片垂直軸渦輪機(jī)

海洋溫差能開式循環(huán)發(fā)電技術(shù)是利用海面表層溫海水作為工質(zhì)，當(dāng)溫海水進(jìn)入真空室后，低壓使之發(fā)生閃蒸，形成蒸汽，該蒸汽膨脹驅(qū)動(dòng)低壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)力，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。開式循環(huán)中不斷從海洋表層抽取溫海水作為工質(zhì)，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(huán)

閉式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中，采用氨水等低沸點(diǎn)工質(zhì)，利用溫海水與氨水在熱交換器中產(chǎn)生熱交換，使氨水蒸發(fā)產(chǎn)生不飽和蒸氣，蒸氣膨脹后驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。然后進(jìn)入另一個(gè)熱交換器與冷海水進(jìn)行熱交換，將氨蒸氣冷凝成液體，減小汽輪機(jī)的背壓，冷凝后工質(zhì)被泵輸送到蒸發(fā)器開始下一次循環(huán)，如圖10所示。

圖10 閉式循環(huán)示意圖

4.3 混合式循環(huán)

混合式循環(huán)中既含有開式循環(huán)又含有閉式循環(huán)。其中，開式循環(huán)中溫海水在真空室閃蒸成不飽和水蒸氣，并穿過一個(gè)換熱器后冷凝生成淡水，同時(shí)在換熱器的另一側(cè)安裝一個(gè)閉式循環(huán)系統(tǒng)，利用溫海水的熱量加熱閉環(huán)工質(zhì)，產(chǎn)生不飽和蒸氣，膨脹后驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，從而進(jìn)行發(fā)電。做功后的乏氣進(jìn)入另一個(gè)換熱器與冷海水換熱冷凝，降低汽輪機(jī)的背壓，并被泵送到蒸發(fā)器參與下一次循環(huán)。

5 鹽差能發(fā)電

鹽差能發(fā)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(cè)，直至兩邊濃度達(dá)到一致，此時(shí)鹽水側(cè)的水位高于淡水側(cè)，再利用這個(gè)勢(shì)差進(jìn)行發(fā)電［5］，如圖11所示。由于這種方法消耗淡水，而海洋熱能轉(zhuǎn)換電站卻生產(chǎn)淡水，相比較而言，鹽差能發(fā)電在戰(zhàn)略上不可取，目前這項(xiàng)研究仍處在基礎(chǔ)理論研究階段，尚無(wú)實(shí)際的技術(shù)利用。

圖11 鹽差能利用原理圖

6 海洋能發(fā)電綜合分析

就目前的發(fā)展看來(lái)，在各項(xiàng)海洋能發(fā)電技術(shù)中，潮汐能發(fā)電技術(shù)最為成熟，已經(jīng)進(jìn)入到商業(yè)化運(yùn)營(yíng)階段。并且我國(guó)海岸線長(zhǎng)達(dá)18 000 km，有近200個(gè)海灣、河口等可開發(fā)潮汐能的地理環(huán)境。據(jù)估計(jì)，我國(guó)可開發(fā)潮汐能年發(fā)電總量達(dá)到60 TW·h，裝機(jī)容量可達(dá)20 GW，但至今已開發(fā)利用的不足1%，具有巨大的開發(fā)潛力。波浪能、海流能的能量流密度相對(duì)最大，但目前波浪能和潮流能發(fā)電技術(shù)相對(duì)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(yōu)點(diǎn)是不僅可發(fā)電還可以產(chǎn)生淡水，特別適合一些島上配備。實(shí)際中，由于潮汐能的利用需要建各種大壩，對(duì)環(huán)境的影響較大，而波浪能、海流能的利用則對(duì)環(huán)境影響較小，因而近年來(lái)國(guó)外在波浪能和海流能發(fā)電技術(shù)方面研究是最多的，發(fā)展也較快。

總而言之，各國(guó)都非常重視對(duì)包括海洋能在內(nèi)的可再生能源的開發(fā)利用。盡管海洋可再生能源在我國(guó)的能源構(gòu)成中所占的比例極小，但從發(fā)展的眼光來(lái)看，這是一種不可忽視的、很有前途的新能源。當(dāng)前應(yīng)該未雨綢繆，加強(qiáng)對(duì)開發(fā)利用海洋可再生能源技術(shù)研究的支持力度，制定相應(yīng)的激勵(lì)政策，促進(jìn)海洋可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。就目前而言，海洋能發(fā)電技術(shù)總體上還是存在以下一些問題［6］。

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

（2）海洋能發(fā)電裝置難以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。這是由于海洋能發(fā)電裝置發(fā)電不穩(wěn)定造成的，海洋能發(fā)電的波動(dòng)性和間歇性會(huì)對(duì)局部電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，這進(jìn)一步限制了海洋能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

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

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

（5）海洋能發(fā)電轉(zhuǎn)換效率較低。

以上這些問題嚴(yán)重阻礙了海洋能發(fā)電的商業(yè)化進(jìn)程，要使海洋能的利用越來(lái)越廣泛，既要不斷發(fā)展優(yōu)化海洋能發(fā)電裝置，同時(shí)還要研究海洋能發(fā)電的利用模式?？紤]到以上問題，可以將海洋能作為一種分布式能源，通過在沿?；蛘吆u建立智能微網(wǎng)，并將海洋能發(fā)電裝置接入，與海上光伏、海上風(fēng)電以及各種儲(chǔ)能電池相結(jié)合，通過統(tǒng)一規(guī)劃、協(xié)同調(diào)度，從而克服海洋能出力不穩(wěn)定、難以并網(wǎng)等缺點(diǎn)，通過多能源互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)海洋能的高效利用［7］。采用多種互補(bǔ)智能微網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)海洋能進(jìn)行綜合利用，不僅可以在不擴(kuò)大裝置規(guī)模的情況下，提高發(fā)電功率，滿足用戶端的電力需求，而且在發(fā)電的同時(shí)，還可以利用海洋能進(jìn)行海水淡化、制氫、制冰、提取重金屬等，既降低了發(fā)電成本，又可以對(duì)海洋能發(fā)電的電能質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保海洋能發(fā)電的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求，從而對(duì)海洋能發(fā)電裝置實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

7 結(jié)論

筆者通過對(duì)各種海洋能發(fā)電技術(shù)進(jìn)行介紹，了解各項(xiàng)海洋能發(fā)電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)，掌握了海洋能利用技術(shù)的研究與發(fā)展方向，同時(shí)通過分析海洋能發(fā)電存在的問題，提出了利用智能微網(wǎng)多能互補(bǔ)的發(fā)電模式進(jìn)行海洋能發(fā)電利用，從而突破限制海洋能發(fā)電技術(shù)發(fā)展的瓶頸，加快推進(jìn)實(shí)現(xiàn)海洋能發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。

［1］游亞戈，李偉，劉偉民，等.海洋能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（14）：1-12.

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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(fā)電；潮汐能；波浪能；潮流能；智能微網(wǎng)

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(shù)的應(yīng)用研究