潮流能開發(fā)利用現(xiàn)狀與關鍵科技問題研究綜述

張繼生，汪國輝，林祥峰

(1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

世界氣象組織發(fā)布的2019年《溫室氣體公報》中指出，大氣中二氧化碳濃度達到4.078×10-4mg/L，再次刷新了紀錄，為1750年工業(yè)化前水平的147%。如何減少全球的碳排放量和控制全球變暖所帶來的一系列氣候環(huán)境問題已經(jīng)成為全人類面臨的重大挑戰(zhàn)。作為經(jīng)濟大國，高速發(fā)展帶來的巨大能源消耗也使得我國的碳排放形勢相當?shù)膰谰?。合理地改善能源結構，加大清潔能源在能源消費中的占比迫在眉睫。

蘊藏量極其豐富的海洋可再生能源已然對于改善能源結構、控制氣候變暖和解決環(huán)境污染問題具有重要意義。潮流能作為海洋可再生能源中的重要組成部分，相比其他海洋能而言，其具有較強的規(guī)律性和可預測性[1]，且潮流能開發(fā)利用裝置一般安裝在海底或漂浮在海面，無須建造大型水壩，對海洋環(huán)境影響小，也不占用寶貴的土地資源。與風能和太陽能相比，潮流能的能量密度高，約為風能的4倍、太陽能的30倍[2]。為提高海洋能開發(fā)利用能力，推進海洋能技術產(chǎn)業(yè)化，拓展藍色經(jīng)濟空間，在“十三五”期間(2016—2020年)出臺的海洋經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃[3]中，更是把綠色發(fā)展作為海洋經(jīng)濟發(fā)展的基本原則之一，這些都為我國開發(fā)利用潮流能提供了有利條件。

古往今來，對于潮汐潮流現(xiàn)象的觀察、記錄一直都存在，直到20世紀70年代，人們才開始逐步探究潮流能的開發(fā)利用問題，隨后美國、英國等國家對潮流能發(fā)電技術進行了不斷的完善和發(fā)展。我國也在同時期逐步開展潮流能的相關研究，并取得了顯著進展。本文將從潮流能資源分布現(xiàn)狀、潮流能發(fā)電裝置和示范工程以及關鍵科技問題等方面對潮流能發(fā)展作一個綜述。

1 潮流能資源分布現(xiàn)狀

潮流能是指月球和太陽的引潮力使海水產(chǎn)生周期性的往復水平運動而形成的動能，發(fā)電原理是將水流中的動能通過裝置轉化為機械能，進而將機械能轉化為電能[4]。適宜開發(fā)潮流能的區(qū)域通常是指流速峰值大于2 m/s的位置，發(fā)電裝置通常在潮流流速為0.8 m/s時啟動。開闊海域的潮流速度通常僅為0.1 m/s，但潮波與鄰近陸塊之間的岬角、島嶼和狹窄海峽等海岸地形的相互作用可使得流速超過2 m/s。因此，合適的地點位于沿海水域且高度局部化[5]。根據(jù)亞特蘭蒂斯能源公司的報告，潮流能在全球范圍內(nèi)儲量超過120 GW[6]。對于潮流能資源的評估，國內(nèi)外學者提出了許多不同的評估方法，在國際上大致可分為2種[7]：一是基于動能通量的方法，其中以Farm方法[8]與Flux方法[9]為典型；二是基于動力分析的方法，具有代表性的是Garrett方法[10]以及Vennell方法[11]?；趧幽芡康姆椒ㄒ蚱溆嬎闼悸非逦?，容易理解，在實際應用較為廣泛，但是存在著較大的不確定性。而后者對潮流能開發(fā)的條件引入了多種假設，盡管基于眾多假定，該方法仍不失其物理意義，但其可靠性還需要更多實踐的檢驗。

評估可用的潮流能資源是工程選址和裝置部署的關鍵第一步。然而，選址并不是簡單地確定潮流流速大的區(qū)域，還要考慮資源的時間和空間變異性，根據(jù)歐洲海洋能源中心(EMEC)的潮能資源評估指南[12]，根據(jù)評估的范圍和精細程度，潮流能資源評估可分為4個階段。第一階段是“區(qū)域評估”，即在區(qū)域或國家層面進行評估，目的是通過數(shù)值模擬了解潮流能資源的規(guī)模和特點。第二階段是“預可行性研究”，詳細探討之前在區(qū)域范圍內(nèi)確定的具體資源位置。在這一階段，基本采用現(xiàn)場調查和數(shù)值模擬相結合的方法。對于這2個階段，建議至少模擬2～4個分潮30 d的時間。第3和第4階段分別是“完全可行性研究”和“設計開發(fā)”階段，包括詳細的經(jīng)濟模型和最終設計開發(fā)。較早的潮流能資源評估出現(xiàn)在歐洲，英國、法國、西班牙、愛爾蘭、挪威等國海域都有著豐富的潮流能資源，相關政府也出臺了一系列潮流能政策促進資源開發(fā)，其中英國擁有絕佳的潮流環(huán)境與先進的技術支持，其潮流能發(fā)展走在世界前列。在資源開發(fā)方面，根據(jù)歐洲海洋能組織(OEE)的統(tǒng)計，截至2019年底，歐洲潮流能總裝機容量達27.7 MW，大約為世界其他地區(qū)的4倍。

英國碳信托基金(CT)委托開展了多項海洋能資源評估研究[13]，據(jù)估計，僅潮流能一項就可在英國1 450 km2的水域范圍內(nèi)每年提取18TW·h，這將滿足英國現(xiàn)有電力需求的5%。Blunden等[14]總結指出由能源技術支持單位(ETSU)的調查結果表明，英國年潮流能開發(fā)總量大約為57 639 GW·h。歐盟委員會(EC)對英國的潮流能調查表明英國總潮流能為8 900 MW，年輸出總潮流能約為30 910 GW·h。以位于英格蘭大陸北部與Orkney群島之間的Pentland灣為例，該海域潮流能資源豐富，有著流速峰值接近5 m/s的潮流，且基本不受波浪的影響，可以說是世界上最有前景的潮流資源開發(fā)區(qū)域。Murray等[15]評估了英國Pentland灣可利用的潮流能資源，研究發(fā)現(xiàn)在一個M2分潮周期內(nèi)潮流能的可提取最大值達10.8 GW，平均值可達4.9 GW。Draper等[16]模擬預測了整個海灣可提取約4.2 GW的功率，Defne等[17]考慮了潮流能水輪機能從Pentland灣提取的功率上限，評估了該地區(qū)實際可利用潮流能資源，估計最大可用功率約1.9 GW，當前該區(qū)域已有多個潮流能示范工程項目。近些年來，英國潮流能發(fā)展迅速，先后出臺了《海洋能源行動計劃》《英國海洋能技術路線圖(2014)》等政策。2020年以后，將會大規(guī)模部署潮流能水輪機陣列裝置，這將有助于政府實現(xiàn)到2050年減少80%碳排放的政策目標。

法國的潮流能資源主要分布于臨大西洋一側，Campbell等[18]通過區(qū)域應用模型在法國臨大西洋側的海域中選出了20處適合潮流能開發(fā)的海域。當僅考慮開發(fā)潮流平均流速大于1.5 m/s的海域時，使用高、低效率的潮流能水輪機陣列，潮流能總可開發(fā)量分別為9.71 GW、1.46 GW; 當考慮開發(fā)潮流平均流速大于0.5 m/s的海域時，使用高、低效率的潮流能水輪機陣列，潮流能總可開發(fā)量分別為16.58 GW和2.49 GW。法國政府同樣支持海洋可再生能源領域的研究，除了資助法國國家海洋能研究所發(fā)起建立的聯(lián)盟研發(fā)計劃以及地方項目，為了促進法國潮流能與海上風電等新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，地方政府在臨海多地投資港口設施建設，從而為在新碼頭區(qū)建設發(fā)電廠提供了足夠的空間。

根據(jù)歐盟委員會的非核能項目估計，歐洲總體可利用的潮流能資源高達12.5 GW[19]。當前，歐洲多國政府達成共識，組建了多個潮流能試驗場用以支持歐洲海域潮流能開發(fā)工作，其中包括英國的ECMC歐洲海洋能中心、愛爾蘭的Galway試驗基地以及丹麥的Nissum Breding測試中心等。

除了歐洲地區(qū)，北美各國也開展了潮流能資源的評估，美國電力研究協(xié)會完成了北美沿岸潮流能資源評估研究報告[20]，該評估采用Flux方法，結果表明美國阿拉斯加的Cornik灣、華盛頓的Tacoma海峽、加利福尼亞的Golden Gate水道以及加拿大Minas水道都是潮流能資源豐富的區(qū)域，是較為理想的開發(fā)選址。Hagerman等[21]對美國的潮流能資源進行了區(qū)域評價，劃出了最大平均動能密度超過500 W/m2的區(qū)域。美國歷來將能源安全作為其重要的國家戰(zhàn)略，美國可再生能源聯(lián)盟于2010年發(fā)布了《國家海洋和水動力可再生能源技術路線圖》，提出至2025年海洋可再生能源裝機容量達到100 MW，當前，美國在海洋和水力可再生能源方面支持項目超過了70個。

加拿大國家研究委員會水利中心基于潮汐潮流數(shù)據(jù)庫的實測資料并借助Tide2D潮流模型的模擬結果，通過Flux方法計算了潮流能平均能流密度和潮流能理論年平均功率，評估結果表明加拿大沿岸約有190個潮流能理論平均功率在1 MW以上的水道，潮流能理論年平均功率的總和超42 GW，其中潮流能資源儲量最豐富的海域位于Mill島和Salibury島之間，理論平均功率可達10.42 GW[22]。加拿大政府設立了海洋可再生能源裝機容量于2020年達到250 MW、2030年將達到2 GW的目標[23]，并建立了一個世界領先、并網(wǎng)、共享的潮流能示范中心——芬迪海洋能源研究中心。

在亞洲地區(qū)，Kim等[24]對韓國西南海岸進行了大量的潮流觀測，發(fā)現(xiàn)Uldolmok海峽具有最大的潮流流速，最大可達6.5 m/s；韓國海洋研究發(fā)展院對Changjuk和Hoenggan海峽的潮流進行了觀測和研究，利用平面二維潮流數(shù)值模型模擬了韓國西南沿海潮流特性，得到潮流能理論儲量約5 900 MW，經(jīng)濟可利用儲量為470 MW。

我國海域遼闊，各海域潮流能資源分布情況存在較大差異[25]。我國沿岸潮流能平均功率密度分布情況如下：東海沿岸是以半日潮為主的海岸線，浙江沿岸與舟山群島之間水道眾多，極大增強了潮流流速，水下多為基巖且水深足夠，尤其以龜山航門、西堠門水道、杭州灣北部等處，屬于潮流能資源豐富區(qū)，實測最大流速可達3.4 m/s, 被認為是我國潮流能開發(fā)利用的理想場所。侯放等[26]對比分析了舟山群島最大潮流流速超過2.5 m/s 的8處水道的潮流能分布狀況，結果表明該海域重要水道的潮流能理論蘊藏總量約1 400 MW，其中在資源豐富的重要水道的技術可開發(fā)總量約200 MW。其次，福建沿岸也有著較為豐富的潮流能資源。例如，金永德等[27]對福建莆田南日島附近海域進行了潮流能估算，得到該海域大潮期間可開發(fā)潮流能功率在0.5～1.0 MW之間，小潮期間可開發(fā)潮流能功率在0.2～0.4 MW之間。福建還有三沙灣口、羅源灣口等處流速較大，海況平穩(wěn)，具有較為優(yōu)越的開發(fā)環(huán)境。渤海海峽位于遼東半島和山東半島之間，其中潮流以規(guī)則半日潮和不規(guī)則半日潮為主，大部分海域的流速約0.5～1.0 m/s。但在老鐵山角附近海域存在超過2 m/s的大片海區(qū)，武賀等[28]指出老鐵山北側近岸海域最大可能流速約2.5 m/s, 平均能流密度超過500 W/m2，具有可開發(fā)的價值。另外，吳倫宇等[29]計算模擬得出老鐵山有的區(qū)域超過了3 m/s，最大值為3.3 m/s，這也是渤海海峽模擬的最大流速，潮流能流密度超過100 W/m2的區(qū)域就高達515 km2。與此同時，位于山東沿岸的北隍城北側與成山頭外的兩處海域最大流速超過了2 m/s，能流密度超過4 kW/m2。楊利利[30]采用Flux方法估算得到成山頭外海域潮流能的總蘊藏量為122.85 MW，可開發(fā)量為18.43 MW，并且海域潮差小、離岸較近，適宜開發(fā)。南海大部分海域潮流流速小于0.5 m/s，只有瓊州海峽和珠江口等少數(shù)地區(qū)潮流流速大于1 m/s，能開發(fā)的區(qū)域主要位于瓊州海峽，瓊州海峽內(nèi)大部分海域最大可能流速都超過2.4 m/s，表層大潮年平均功率密度大于1 500 W/m2，開發(fā)區(qū)離岸10 km以內(nèi)海域作為優(yōu)先開發(fā)利用區(qū)域，該區(qū)域面積可達192 W/m2，具有廣闊的開發(fā)前景[31]。

在1986年，國家海洋局部署開展了對海洋能源儲量的調查，在《中國沿海農(nóng)村海洋能資源區(qū)劃》中統(tǒng)計了我國130個水道潮流能的資源[32]，我國沿岸潮流能理論平均功率為13 950 MW, 其中大部分都在東海沿岸，占可利用潮流能總量的78.6%。其中浙江沿岸37個水道，理論平均功率為7 090 MW，占全國總量的一半以上，其次為福建、山東、遼寧、海南等地。在2004年，國家海洋局開展了我國近海海洋綜合調查與評價專項(簡稱908專項)，進一步摸清了我國近海99條主要水道中潮流能蘊藏量為8 330 MW，技術可開發(fā)量為1 660 MW[33-34]。我國的潮流能主要分布在東海沿岸，如舟山群島有著眾多的水道，且其流速、地形條件較為優(yōu)越，能供潮流能站址選擇余地大，當前已有不少研究機構和企業(yè)在此建設了多個潮流能示范工程項目。在政策方面，我國于2012年首次將海洋能納入“五年規(guī)劃”，將發(fā)展海洋能產(chǎn)業(yè)提升到國家戰(zhàn)略層面，充分展現(xiàn)了我國發(fā)展可再生能源的強烈愿景。在裝機容量方面，截至2019年6月底，我國潮流能電站總裝機容量達2.8 MW，累計發(fā)電350萬kW·h[35]。

2 潮流能發(fā)電技術與示范工程

自潮流能發(fā)電的概念逐步受到關注以來，發(fā)電技術便得到不斷的發(fā)展和完善，國內(nèi)外針對潮流能發(fā)電技術做了很多研究工作，也陸續(xù)建設了一些示范工程。

2.1 潮流能發(fā)電裝置

潮流能發(fā)電裝置在開發(fā)過程中，逐漸研發(fā)出多種不同的結構形式，其中根據(jù)來流的流向與水輪機裝置轉動軸的位置關系，可分為水平軸式水輪機和垂直軸式水輪機，還有通過支撐臂擺動來獲能的振蕩水翼技術等[36]；現(xiàn)有的多數(shù)潮流能裝置采用直接固定于海底的方法，這樣更有利于獲能的穩(wěn)定，但如果需要在離岸較遠、水位較深的地方安裝裝置，則需采用漂浮式結構以便于安裝和節(jié)約成本。利用天然潮流所帶來的動能推動裝置發(fā)電的技術可以避免如潮汐發(fā)電站或水電站需要修建堤壩與配套設施，能減少相應的投資，且水輪機裝置對生態(tài)環(huán)境影響小。然而，水輪機旋轉面的面積只占據(jù)了潮流截面的一小部分，對潮流能的利用率較低，同時要求潮流流速達到一定的條件來保證發(fā)電量。當前，國際上潮流能發(fā)電技術以歐洲國家較為成熟，在潮流能資源豐富的地區(qū)，進行了多種類型的全比例水輪機樣機真實海況測試。2020年，蘇格蘭Texo公司計劃在EMEC試驗場安裝2 MW的SR2000機組，潮流能行業(yè)已然進入試商業(yè)化運行階段。

2.1.1 水平軸式水輪機

當水流方向與水輪機葉輪旋轉軸平行，為水平軸式水輪機。該類型水輪機的葉片均布于輪轂上，現(xiàn)主要以三葉片葉輪為主，通過水流作用在葉片上產(chǎn)生的升力和轉矩推動葉輪繞著橫軸旋轉，以此將水流動能轉化為旋轉的機械能，然后旋轉的主軸將驅動發(fā)電機發(fā)電，將機械能轉化為電能[37]。水平軸式水輪機的發(fā)電技術與風輪機發(fā)電技術有很大相似性，很多技術沿用了風輪機技術，有較好的前期基礎，目前水平軸式水輪機主要包括英國MCT公司研發(fā)的SeaGen系列，英國SMD公司的TidEL項目以及愛爾蘭OpenHydeo公司的Open Ventre裝置等。與垂直軸式水輪機相比，水平軸式水輪機結構簡單，穩(wěn)定性好。同時，水平軸葉輪具有更佳的效率轉換、自啟動力矩大、轉動穩(wěn)定等優(yōu)點；但其葉片結構較垂直軸式更為復雜，且簡單高效葉片以及如何避免空化有待深入研究，需換向或變槳機構以適應潮流的雙向特性，結構整體比較復雜[38]。據(jù)Corsatea等[39]調查顯示，潮流能行業(yè)76%的投資都用于研發(fā)水平軸式潮流能水輪機。

2.1.2 垂直軸式水輪機

垂直軸式水輪機發(fā)電原理與水平軸式類似，但其水流方向與水輪機葉輪旋轉軸垂直。該類型水輪機的葉輪旋轉面平行于水流，葉片均布于輪緣上，葉片在水流作用下產(chǎn)生的升力、阻力及其轉矩推動葉輪繞主軸旋轉，主軸帶動發(fā)電機運轉，從而達到發(fā)電狀態(tài)[40]。目前垂直軸式水輪機主要包括加拿大NE公司設計的EnCurrent垂直軸式潮流發(fā)電系統(tǒng)、美國ORP公司通過螺旋葉片方案設計的CGen潮流能發(fā)電裝置以及哈爾濱工程大學設計的萬向系列水輪機等。與水平軸式葉輪相比，垂直軸式葉輪主要優(yōu)點[41]是：有著更為簡單的設計，較大降低了裝置總成本，可以利用來自任何方向的水流，并不需要用到任何偏航設備；適合大規(guī)模陣列布置；葉片采用對稱翼型結構簡單便于制造；發(fā)電機可置于葉輪主軸的上端水面之上以降低水下密封的難度和成本；也有研究表明它能更好地適應湍流環(huán)境[42]。此外，工作轉速較低，不易空化、減少葉尖損失，更有效地降低噪音，這樣有利于保護海洋生物的棲息地[43]。缺點主要是：相對于水平軸式較低的自啟動能力、較高的扭矩波動以及通常低于水平軸式水輪機的獲能效率，且其葉片攻角在一個旋轉周期內(nèi)處于變化的狀態(tài)，會導致輸出功率的不平衡。同時，這也會令其在緊急情況下很難停止，因為它不容易在水流中旋出，而水平軸式可以通過變槳將葉片與水流方向平行以達到停止，它需要比水平軸式葉片具有更光潔的表面，以保持較高的升阻比，這是達到合理效率所必需的，但這在海水中很難得到有效保持，也會導致其制造和維護成本顯著增加。

2.1.3 振蕩水翼技術

該類型機組主要由振蕩懸臂、水翼及液壓發(fā)電單元組成，振蕩懸臂在水翼兩側潮流的推動下擺動，其擺動可驅動高壓液體從而帶動液壓發(fā)電機發(fā)電，從而將動能轉換為電能[44]。區(qū)別于傳統(tǒng)水輪機旋轉獲能發(fā)電，振蕩水翼技術克服傳統(tǒng)水輪機占用水深大和環(huán)境影響強的缺點。水翼轉軸豎向安裝，可以避免因水翼與水密度不同而引起的水翼上浮或下沉，優(yōu)化了其運動效果。水翼結構形式十分簡單，相對于其他獲能結構制造簡便，不易損壞，即便破壞也易于更換，具有更好的工程利用價值[45]。振蕩水翼的懸臂掃掠的區(qū)域寬而淺，所以在淺海中有著一定的優(yōu)勢，但相對于研究相對成熟的水平軸式和豎直軸式潮流發(fā)電技術而言，振蕩水翼技術在水域中進行的是非定常運動，所帶來的更為復雜的尾部湍流與大尺度渦旋難以模擬，使得該技術存在極大的不穩(wěn)定性，這意味著設計必須采用保守的安全裕度，產(chǎn)生更高的成本，同時控制策略也不是最優(yōu)的，也會導致能源利用率的降低[46]。因此，目前振蕩水翼運行項目相對較少，主要有英國EBL公司設計的150 kW振蕩式潮流能裝置Stingray和PT公司開發(fā)的100 kW“Pulse-Stream 100”樣機等。

2.2 支撐結構

水輪機裝置在運行過程中，除了多變的海洋環(huán)境會影響其工作狀態(tài)，也會受到水輪機裝置支撐結構的影響。水輪機生命周期在很大程度上取決于結構與水動力相互作用，如Mason-Jones等[47]分別對多種不同形狀的支撐樁柱以及在有、無支撐結構時對水平軸式水輪機性能的影響進行了對比研究，結果發(fā)現(xiàn)不同的支撐結構會使扭矩、功率和軸向推力的振幅變化皆有不同，且支撐結構的存在會使扭矩、功率和軸向推力的振幅增大。因此，在幾何設計和材料選擇階段，準確量化荷載(包括所選用的支撐結構上的阻力)是相當重要的。當前，水輪機支撐結構安裝形式主要有重力式、樁柱式和漂浮式。

重力式結構可以理解為采用重力基腳和沉箱等結構，主要依靠基礎及壓載物重量抵抗上部水流通過水輪機時所引起的傾覆力矩和滑動力，從而使裝置結構在海底保持穩(wěn)定的安裝形式。該基礎形式結構簡單，應用技術成熟，適合水輪機的長期作業(yè)。然而重力式基礎適用于堅硬的黏土、砂土以及巖石地基，地基須有足夠的承載力支撐基礎結構自重。樁柱式是將樁基固埋設于海底的安裝形式。此種安裝結構能夠抵御波浪等惡劣環(huán)境的沖擊，有著較高的安全可靠系數(shù)，當前多數(shù)潮流能示范工程采用樁柱式基礎。但在施工過程中需要進行水下作業(yè)，且安裝后的樁柱難以回收，成本較高。隨著水深的不斷增加，固定式基礎的成本變高并且安裝運輸不便，漂浮式基礎能很好地克服這一問題，漂浮式基礎包括了單柱式平臺、半潛式等，依靠系泊系統(tǒng)固結于海底，其優(yōu)點在于節(jié)約成本、安裝便捷、易于維修與拆除。漂浮式載體浮于自由液面上，易受風浪的影響使得載體搖擺，導致水下發(fā)電裝置的獲能不穩(wěn)定；占據(jù)一定的水面空間，不利于水上交通運輸。

2.3 潮流能示范工程

隨著潮流能發(fā)電技術的不斷發(fā)展和完善，世界各國陸續(xù)涌現(xiàn)了一些潮流能示范工程和擬建項目，其中歐洲國家起到了主導作用。英國從20世紀70年代以來，制定了強調能源多元化的政策，鼓勵發(fā)展包括海洋能在內(nèi)的多種可再生能源[48]。在2003年，MCT在英國Bristol海峽試驗了一種額定功率300 kW的新型潮流能水輪機SeaFlow，在有利海況下，轉子轉速能達到15 r/min，該水輪機固定在可升降的支柱上，作為沒有并網(wǎng)的試驗平臺。在2008年，MCT公司又設計建造了其第二代產(chǎn)品SeaGen潮流能水輪機，并首次采用了雙葉輪結構，單轉子的額定功率可達500 kW，總額定功率1 MW，該機組于2019年拆除，是首個完全退役的商業(yè)化規(guī)模潮流能水輪機[49]。在2010年，SAE開啟了MeyGen示范項目，是目前世界上最大的規(guī)劃潮流能項目，該項目由4臺1.5 MW的AR1500機組組成。英國Orbital公司研發(fā)的O2機組于2017年10月至2018年10月，在EMEC示范運行1 a，總發(fā)電量達到了3.2 GW·h。

2010年以來，歐洲出臺了多個旨在促進海洋可再生能源研究和開發(fā)的計劃，充分反映出歐洲整體對海洋可再生能源的重視，其中歐盟的“Horizon 2020”快速通道創(chuàng)新試點計劃贊助了包括西班牙MR公司研發(fā)測試的2 MW潮流能機組ATIR、蘇格蘭NI公司研發(fā)的致力于節(jié)約潮流能發(fā)電成本的PTO項目等。通過政策與資金的支持，截至2019年底，歐洲潮流能總裝機容量達到了27.7 MW。潮流能發(fā)電能力得到大幅提升，發(fā)電量增加了15 GW·h，總發(fā)電量達49 GW·h[50]。

我國近代潮流能研究始于20世紀70年代末，1979年舟山的漁民何世均父子制作船用螺旋槳式葉輪及液壓傳動潮流能發(fā)電樣機，懸掛于漁船尾部，在舟山群島西候門水道進行試驗，并成功發(fā)電。隨著國家對可再生能源的重視，參與單位逐漸增加；2010年后，進入了快速發(fā)展時期[51]。在水輪機海試項目上也頻傳捷報，其中包括了哈爾濱工程大學研發(fā)的“萬向”“海能”“海明”等垂直軸式和水平軸式水輪機；中國海洋大學研發(fā)的5 kW垂直軸式柔性葉片水輪機、50 kW的坐底式水平軸式水輪機和用于海島獨立供電的100 kW水平軸式潮流能發(fā)電裝置；東北師范大學研制的300 kW自變距三葉片機組；浙江大學在摘箬山島海域建成了多個漂浮式測試平臺，2014年起，開展了多個示范項目，包括了60 kW和120 kW三葉片機組。在前期基礎上，浙江大學于2017年下半年在摘箬山島海域內(nèi)測試大長徑比半直驅高效水平軸650 kW海流能發(fā)電機組，完成研制并成功并網(wǎng)發(fā)電，是目前國內(nèi)單機發(fā)電功率最大的潮流能發(fā)電裝置。在2018年，浙江大學與國電聯(lián)合動力公司聯(lián)合承擔的“2×300 kW潮流能發(fā)電工程樣機產(chǎn)品化設計與制作”項目成功下海并發(fā)電，首次實現(xiàn)了270°變槳技術，整機轉換效率接近40%。除了高等學校和科研院所，不少企業(yè)也加入了潮流能水輪機的研發(fā)隊伍，其中包括了浙江舟山聯(lián)合動能新能源開發(fā)有限公司研發(fā)的LHD海洋潮流能發(fā)電項目。2016年，該項目首期安裝總功率為1 MW的機組下海發(fā)電，2018年11月與12月，LHD新型發(fā)電機組G模塊與LHD第三代水平軸式模塊化發(fā)電機組相繼投入運行，LHD海洋潮流能發(fā)電項目投運總裝機達到1.7 MW，截至2019年8月26日，其中1 MW機組連續(xù)發(fā)電并網(wǎng)運行27個月。2019年7月，哈爾濱電氣集團有限公司的600 kW坐底式潮流發(fā)電機被順利驗收，成為我國擁有完全自主知識產(chǎn)權的最大功率潮流能發(fā)電機組。2020年6月29日，國內(nèi)首個具備公共測試和示范功能的潮流能試驗平臺——舟山潮流能示范工程的450 kW水平軸式水輪機正式實現(xiàn)了雙向并網(wǎng)互通。

潮流能工程在我國發(fā)展迅速，多個大型項目下海且并網(wǎng)，對我國海洋可再生能源技術的探索起著積極的作用，如2015年國家海洋可再生能源專項資金項目“舟山潮流能示范工程”。該平臺建成后，將會為全國潮流能源企業(yè)與科研院所提供研究平臺，對我國發(fā)展規(guī)?；绷髂馨l(fā)電場提供數(shù)據(jù)支撐和技術支持。機組在設計階段，為了有效防止機組葉片產(chǎn)生空化現(xiàn)象并保證正常運行，根據(jù)選定的水輪機尺寸及其與海面、海底的上、下間隙要求，給出輪轂高度位置。同時，為避免水體湍流影響，機組還應盡量避開海底地形起伏較大的區(qū)域。工程區(qū)域海床底質類型主要以粉砂為主，局部分布有砂質粉砂，由于湍急流速會帶來支撐結構及部件與泥沙接觸磨損，控制水輪機轉速從而減輕過流部件泥沙磨損，以及采用性能優(yōu)異、抗腐蝕性能好、機械強度高的玻璃纖維材料使機組有著良好的使用壽命。其次，浙江沿岸受到臺風影響嚴重，機組設計時考慮了50年一遇的最大風速，并選用目前研究最多、應用最廣、相對可靠的樁柱式支撐結構，采用垂直升降裝置，在必要時可通過該升降裝置將機組升至檢修平臺，確保結構安全穩(wěn)定。在場區(qū)建立了海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對整個測試區(qū)的水文、氣象等海洋環(huán)境要素進行長期監(jiān)測，從而對潮流能發(fā)電裝置布放后對海洋環(huán)境的影響進行分析和評價。

3 關鍵技術問題

3.1 潮流能資源評估技術

潮流能資源評估工作一般可分為3個階段：資源普查階段、區(qū)域性資源詳查階段和工程建設的評估階段[52]。其中，資源普查階段旨在評估自然狀態(tài)下潮流能蘊藏量。在進行潮流能資源評估時，主要是采用計算單位時間通過單位面積的潮流動能評估海域的蘊藏量。例如，在1986年的沿海農(nóng)村海洋能資源區(qū)劃和2004年的908專項潮流能資源調查中，都是采用這種方法[53]。在現(xiàn)實工程中，受限于技術水平與當?shù)刭Y源環(huán)境要求等因素，并不能完全將海水的動能轉化為電能。所以第二階段為區(qū)域性詳查階段是在具備了可行技術條件下或控制恰當?shù)沫h(huán)境影響下對某個的具體水道的可進行開發(fā)的最多的潮流能資源進行評估。當前采用的是基于能通量的方法和基于動力分析的方法進行潮流能資源的評估。其中，應用比較廣泛的是基于能通量的方法，包括Farm方法和Flux方法?；趧恿Ψ治龅姆椒ㄊ荊arrett方法以及Vennell方法。例如，吳亞楠等[54]運用 Flux法和Garrett法對普陀山—葫蘆島水道的潮流能資源可開發(fā)量進行了評估及對比分析，結果表明利用Flux方法得到的可開發(fā)量為1.98～3.23 MW，利用Garrett方法得到的可開發(fā)量為5.33～6.08 MW，兩者相差較大，但判斷哪種方法的評估結果更為準確還有待研究。關于加拿大Fundy灣Minas水道的潮流能資源可開發(fā)量的估計，也存在類似情形[55]。此外，海底地形條件和環(huán)境流速條件、水輪機安裝成本、規(guī)?；c并入電網(wǎng)、環(huán)境效應等因素也會約束實際開發(fā)的潮流能資源量[56]。因此，第三階段則是從經(jīng)濟學、合法性、生態(tài)環(huán)保性等多方面的背景下，估算特定區(qū)域和特定水輪機布局下的潮流能資源的開發(fā)量。在潮流能工程的不同階段，資源評估技術的選擇及結果是否準確直接影響到工程決策和開發(fā)利用效益。

3.2 獲能效率與多能互補

水輪機是將流體的動能轉化成機械能的裝置，需要通過計算能量轉換效率來評估其性能，提升水輪機的獲能效率是當下潮流能技術研究重點。水輪機獲能特性會受到來流速度、水輪機尺寸、轉速等因素的影響，而這些因素可轉化為有利于比較和規(guī)范化的葉尖速比參數(shù)[57]。獲能效率與葉尖速比呈非線性關系，隨著葉尖速比的增加，獲能效率逐步增加，當達到最佳葉尖速比時，獲能效率達到峰值，隨后開始逐漸下降，水輪機的最佳葉尖速比隨著葉片翼型的不同會略有區(qū)別?？紤]到貝茨極限，在最理想情況下，水輪機能提取59.3%的輸入動能，并將其轉化為有效功[58]。然而，在工程實踐中，由于來流不穩(wěn)定、葉片與支撐結構相互作用及水輪機系統(tǒng)阻力消耗的影響，實際獲能效率遠小于該理想數(shù)。例如，Jo等[59]模擬了基于葉素理論設計的NACA-S812翼型，結果顯示當葉尖速比為5時，最大獲能效率為40%。Seo等[60]測量了直徑為0.4 m的水平軸式潮流能水輪機模型的近尾流場和動力性能，研究發(fā)現(xiàn)在低葉尖速比下，水輪機輪轂和葉根附近的流動分離增加了二次流，會導致額外的能量損失?？岛ＹF等[61]提出了一種新型六葉片水輪機，研究了該水輪機與普通三葉片水輪機的自啟動性能和能量捕獲性能，結果表明該水輪機總體優(yōu)于普通三葉片水輪機。

潮流能發(fā)電裝置放置于水下，水面部分可結合近岸風電或波能裝置形成多能互補發(fā)電系統(tǒng)，可再生能源多能互補發(fā)電相比單一的風能或水能更高效[62]。國內(nèi)外學者在這一領域有著不斷地創(chuàng)新，例如高杰[63]設計了一套潮流能-風能互補發(fā)電裝置并研究了該裝置的運動響應，該模型從上到下組成部件依次為風力發(fā)電機葉輪、浮體基礎和水輪機，其中三葉輪風力發(fā)電機安裝在浮體基礎的最頂端，三葉輪水輪機則懸掛安裝在浮體基礎下方。研究結果表明，所設計的潮流能-風能互補發(fā)電裝置在風浪較大的海況下，水輪機葉片上的受力不均勻會干擾水輪機的正常工作。但是，該裝置的優(yōu)點在于充分利用海域，在比較平穩(wěn)的海況下可滿足正常發(fā)電要求。施偉等[64]設計了一種基于單樁式風能-波浪能-潮流能集成發(fā)電系統(tǒng)，可充分利用海上可再生能源，從而達到提高單樁基礎利用率并降低集成系統(tǒng)發(fā)電總成本的目的，提高了海域的有效利用率。美國GHT公司[65]在緬因州科斯克灣建立了潮流能-波浪能聯(lián)合發(fā)電站，海試結果表明該電站運行比較平穩(wěn)，可以很好地適應多種海況。通過多能互補的方式可以充分利用海域，方便輸電管道的鋪設，相較于單一的發(fā)電系統(tǒng)，也可進一步的降低成本，深入開展該方向研究將有利于更好地推進潮流能等海洋新能源的發(fā)展進程。

3.3 安全可靠性

綜合潮流能發(fā)電裝置的長遠發(fā)展來看，機組的安全可靠是關鍵前提。水輪機盡管與風力發(fā)電機類似，但由于水密度比空氣高且葉片旋轉速度慢得多，水輪機面臨的可靠性難題與風輪機存在明顯差異。例如，施加在水輪機上的荷載、葉片空化和海水高濁度造成的磨損等更為顯著[66]。這些已被一些原型水輪機測試中發(fā)生的葉片故障所證實，如Verdant Power公司研發(fā)的35 kW水輪機在海試中折斷了葉片[67]。因此，設計高效水輪機葉片并準確預測其安全可靠對于潮流能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化至關重要。

早期設計潮流能水輪機時，多種技術指標主要參考了與水輪機類似的風力發(fā)電機，但對風輪機而言，與同等功率的潮流能水輪機相比，由于海水密度遠高于空氣密度，潮流能水輪機所受到的軸向力與力矩將會遠大于風輪機，這嚴重影響了機組的正常運行和可靠性[68]。潮流能水輪機載荷主要包括極限載荷和疲勞載荷，而載荷的根本來源是葉片，因此葉片的水動力學性能分析是載荷分析的重要基礎[69]。例如，Mccann[70]分析了湍流與波浪對水輪機葉片疲勞荷載的影響，表明疲勞載荷對波浪作用較為敏感。因此，湍流和波浪的疲勞加載機制是整個水輪機設計過程中的重要考慮因素；波浪會導致作用在水輪機葉片上的荷載產(chǎn)生波動，前人在波流共同作用方面也做了相關研究，張繼生等[71]開展了物模試驗，與純水流條件相比，波浪的存在有利于支撐結構后方水流速度恢復，但是水輪機后方近尾流的湍流強度更大；Doong等[72]研究了波流聯(lián)合載荷對潮流能水輪機的影響規(guī)律，聯(lián)合載荷將可能改變單一常規(guī)載荷作用下的頻率；Tatum等[73]模擬了潮流能水輪機在波流條件下的性能特征，研究表明由于軸向流速受波浪旋轉分量的影響，功率和推力的波動幅度隨著波高的增大而增大。同時，還有學者探討了湍流強度與葉尖速比對推力系數(shù)與荷載波動的影響，結果發(fā)現(xiàn)湍流對水輪機推力系數(shù)以及葉片荷載波動有明顯影響，提高水輪機葉尖速比會使葉片以及葉片根部彎矩的荷載波動增大。分析水輪機的運行穩(wěn)定性時還需要充分考慮工程的實際海況，例如，王樹杰等[74]針對安裝在齋堂島海域的500 kW潮流能工程，模擬了實際海況條件下坐底式支撐結構的安全穩(wěn)定性，驗證了支撐結構在極端工況下運行時具有安全特性。潮流能水輪機通常安放在惡劣且復雜多變的海洋環(huán)境中，對發(fā)電裝置的防污、防腐、密封、強度、穩(wěn)定性等提出了更高的要求[75]，因此，水輪機載荷以及強度分析就顯得尤為重要。水輪機如何以合適的結構和安全系數(shù)來滿足其應有的水動力學性能是未來研究重點之一。

3.4 水輪機尾流效應

潮流能水輪機獲取動能不僅會降低下游尾流動量，水輪機產(chǎn)生的水流擾動還會影響下游水輪機的壽命[76]。對于形狀較為復雜的水輪機，當水流流過時，其壁面上會形成邊界層，流動會從邊界層上發(fā)生分離，并在水輪機下游產(chǎn)生漩渦區(qū)。因此，對于即將商業(yè)化應用的潮流能水輪機陣列，闡明尾流的流動特性是非常必要的，這將直接關系到水輪機陣列整體性能、水輪機壽命和能源成本。例如，Mycek等[77]試驗研究了湍流強度對水輪機性能及尾流特性的影響，隨著湍流強度的增加，性能波動也會顯著增強，這可能會對發(fā)電裝置疲勞產(chǎn)生重大影響。湍流強度越大，尾流的恢復則越快，所以尾流的形狀、長度與強度在很大程度上取決于上游的湍流條件。Bahaj等[78]研究表明自由水面和海床的邊界效應對垂直尾跡的擴散起到了一定抑制作用，圓盤下游尾流中的速度損失會隨著下游距離的增加而逐漸恢復。對于2臺并排布置的水輪機而言，橫向間距、水輪機相對安裝高度和來流速度都會使尾流的剖面發(fā)生變化[79]；Zhang等[80]利用數(shù)值模擬與物理模型相結合的研究手段，分析了潮流能水輪機性能與流場特性，探討了不同水輪機浸沒深度時下游尾流結構及其對自由流速度分布恢復的影響。Wimshurst等[81]模擬研究了海床地形對水輪機尾流場擴散的影響，海床坡度的變化會使尾流場產(chǎn)生偏移，支撐結構的存在也會對尾流場起到一定影響；在現(xiàn)實海洋環(huán)境中，往往伴隨著波浪，Stallard等[82]試驗研究了波浪對尾流恢復影響，在試驗中制造與水流方向相反的不規(guī)則波，用以增加周圍流場中的速度波動，研究發(fā)現(xiàn)雖然波浪使得尾跡前半部分速度波動幅度增加2倍多，但尾流的橫向和垂直剖面并沒有實質性的改變。研究水輪機尾流場特性有助于提高潮流能轉化效率，也可為水輪機陣列布局提供理論依據(jù)。

3.5 水輪機陣列布局

潮流能工程發(fā)展迅速，雖然當前項目多以單臺水輪機為主，但未來將發(fā)展為開發(fā)水域內(nèi)多排多列式的水輪機陣列模式，這樣才能充分地開發(fā)利用海域。陣列布局通常受水深和水道寬度等因素的限制，而且能量提取和陣列形成的障礙可能導致陣列周圍的水流轉向，從而改變潮流的自然分布。水輪機布局對潮流能工程的功率輸出有著重要影響，其關鍵在于多臺水輪機之間的相互作用過程。有研究表明[83]，水輪機橫向間隔為2D、縱向間隔為5D為最佳間距，能使獲能最大化。相鄰葉輪直徑相向旋轉能使水輪機之間的旋轉流體朝同一方向移動，這將降低剪應力和減少葉尖阻力，從而提高水輪機性能。Bai等[84]模擬表明上游尾跡被下游截斷，陣列最后一行的水輪機表現(xiàn)出更大的尾跡。在更大的間隔條件下，尾跡的混合程度減弱[85]。如果工程海域具有更高湍流強度，水輪機尾流能更快地恢復至來流流速，使下游水輪機有更高的獲能效率。對于推力系數(shù)而言，在高湍流強度下，前后布置的2臺水輪機與單臺水輪機推力系數(shù)曲線趨于相似；在低湍流強度下，推力系數(shù)曲線會低于單臺水機。就尾流而言，較高湍流情況的主要優(yōu)點是上游和下游水輪機的尾流非常相似[86]。Gaurier等[87]研究3臺交錯式布置水輪機在低湍流強度下，下游水輪機的功率系數(shù)相比單臺有所提升，但在相同布局下，高湍流強度會使下游水輪機功率系數(shù)下降。作者還對不同布局形式的陣列進行了實驗，發(fā)現(xiàn)下游水輪機相對于前排水輪機在布局軸上的微小變化可能導致下游水輪機性能明顯下降。水輪機陣列如果能結合實地潮流資料進行布局，將有利于提高獲能效率，例如結合舟山海域的實測資料，優(yōu)化后水輪機的獲能比常規(guī)布局有著較為顯著的提升[88]。Culley[89]使用OpenTidalFarm對特定海域中水輪機陣列密度進行了優(yōu)化模擬，結果表明較低的水輪機密度(介于場區(qū)內(nèi)可支持的最大密度在20%～40%之間)可最大程度地降低開發(fā)商的安裝成本，并增加潮流能的投資回報。Zhang等[90]也基于OpenTidalFarm模擬不同陣列布局與優(yōu)化布局后的獲能情況，研究表明水輪機陣列橫向間距減小而縱向間距增大時，可以提取更多的潮流能量。通過優(yōu)化水輪機的陣列布局來獲得更多能量是當前潮流能開發(fā)利用的主要方向之一，但多臺水輪機所帶來的累積效應也不容忽視。

3.6 環(huán)境影響效應

雖然潮流能是無污染、無碳排放的綠色清潔能源，但其開發(fā)利用過程中也會帶來潛在的環(huán)境影響效應，這點仍需引起人們足夠的重視。在能量提取過程中，也會改變所在流域的流速、湍流強度等參數(shù)，并對水底環(huán)境造成一定的影響，主要包括了泥沙輸移和對水下生物的影響。多數(shù)研究表明，單臺水輪機帶來的環(huán)境影響是相對較低的，但水輪機陣列所帶來的累積效應將是不可忽略的。例如，水輪機的存在將使得水輪機的尾流流速下降，水輪機兩側流速顯著增加。由于泥沙輸移的2種方式(推移質和懸移質)皆為流速的一個高階函數(shù)[91]，因此即使水流速度的變化相對較小，也可能對泥沙輸運過程產(chǎn)生一定的影響。相應地，改變泥沙侵蝕、沉積模式和海床高程可能會對海床生態(tài)系統(tǒng)帶來新的影響[83]。對于具備海岸防護作用的海下沙壩，300 MW潮流能水輪機陣列對其產(chǎn)生變化的規(guī)模對比自然變化將是顯而易見的[92]。大型陣列還可能對陣列遠場環(huán)境產(chǎn)生顯著影響，研究表明，陣列內(nèi)部、上游和下游的流速可能大幅降低，并對泥沙輸送和生物哺育現(xiàn)狀造成相應的變化。同時，水輪機運行噪音對水下生物和附著于懸浮泥沙的細菌也有一定影響[93]。例如，Lossent等[94]發(fā)現(xiàn)在水輪機布置區(qū)域1km范圍內(nèi)，可能會對某些海洋生物帶來行為障礙?；诔绷鳝h(huán)境周圍生物棲息的調查，水輪機在安裝使用過程中，有可能對魚類和哺乳動物造成碰撞傷害；運行過程中帶來的噪音也會對鯨類、鰭足類等生物產(chǎn)生干擾[95]。Malinka等[96]對小于2 MW的潮流能發(fā)電站進行了一項試點試驗，評估水下噪音監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，對擬建水輪機附近海洋哺乳動物的聲學監(jiān)測及影響分析提供了數(shù)據(jù)支撐。其他環(huán)境影響如水下電纜安裝[97]帶來的感應電磁場也被認為是潛在的環(huán)境問題。此外，水輪機在安裝運行過程中潤滑油、液壓油等泄漏溢出對水質和海洋生物的影響，以及防污涂層釋放的有毒污染物等問題還需進一步探究。即使潮流能開發(fā)利用行業(yè)已準備好進行商業(yè)規(guī)模的部署，但對海洋環(huán)境影響的確定性和重要性仍相對未知。因此，需要加快研究潮流能工程可能帶來的負面環(huán)境效應及其應對措施，不走“先破壞、再治理”的老路，并建立相應的環(huán)境影響評價體系。

4 結 語

潮流能作為海洋可再生能源的重要組成部分，其儲量豐富且可持續(xù)利用，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。潮流能資源主要分布在海岬、島嶼及河口區(qū)域，這對有著漫長海岸線和眾多島嶼的我國有著巨大的吸引力。目前，許多機構、高等學校和企業(yè)已經(jīng)開始對潮流能發(fā)電裝置進行深入研究并建設了示范工程，預計在不久的將來會取得快速發(fā)展。本文總結了潮流能資源的分布現(xiàn)狀，梳理了潮流能發(fā)電裝置的分類，介紹了當前國內(nèi)外主要的潮流能示范工程。我國已經(jīng)為潮流能商業(yè)化做了大量的準備，但還面臨著諸多難題。(a)雖然我國早在1978年就開始研究潮流能，但直到21世紀，政府部門才開始系統(tǒng)規(guī)劃海洋能產(chǎn)業(yè)，為避免海洋能規(guī)章制度與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的脫節(jié)阻礙我國潮流能產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展，需盡快擬定針對該領域的專項法律草案；(b)當前主要使用的幾種潮流能資源評估方法結果存在一定差異，只能滿足初步的預測需求，為更好地了解和利用資源儲量，需進一步完善評估方法；(c)隨著潮流能行業(yè)的發(fā)展，經(jīng)濟性是首要考慮的問題之一，不同的水輪機支撐結構對成本的占比有較大差異，如何在特定海域選用合理的水輪機結構，使其保證水輪機在復雜工況下安全運行是關注的重點；(d)無論布置多能互補式平臺還是單類型潮流水輪機，只有在海中進行陣列式多點布放，才能高效地利用海域，但是陣列布局對周圍流場產(chǎn)生的影響以及隨之帶來水動力環(huán)境的改變也是不可忽視的問題；(e)潮流能開發(fā)過程中帶來的生態(tài)環(huán)境效應尚未明確，水輪機裝置與海洋生物及其生境的相互作用還需進一步探究，并研發(fā)相應的技術以確保構建良好的水下生態(tài)。盡管潮流能發(fā)電當前正面臨著各種各樣難題與挑戰(zhàn)，但其長遠的經(jīng)濟效益及環(huán)保效益都難以估量，因此，加大對潮流能開發(fā)利用的研究和建設勢在必行。