中國海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備現(xiàn)狀、新的機遇與挑戰(zhàn)

摘 要：總結(jié)中國海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備發(fā)展的現(xiàn)狀，并與國際水平進行比較，指出中國在該領(lǐng)域的先進性和不足；同時分析中國“海洋強國”戰(zhàn)略、“雙碳”戰(zhàn)略目標給海洋潮流能發(fā)電帶來的諸多機遇，以及隨之而來的種種挑戰(zhàn)。對中國海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備的水平、未來的發(fā)展方向提出建議和看法。

關(guān)鍵詞：海洋潮流能；發(fā)電技術(shù)與裝備；現(xiàn)狀；機遇和挑戰(zhàn)

中圖分類號：TM619；TK73" " " " " " " " " 文獻標志碼：A

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0583

文章編號：0254-0096（2024）08-0668-07

1. 國家能源集團新能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；

2. 國家能源潮汐海洋能發(fā)電技術(shù)重點實驗室，北京 100039；

3. 國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司，北京 100039

0 引 言

海洋中蘊藏著巨大的能源，其中的可再生能源稱為海洋能。在海洋能協(xié)調(diào)行動組織（Co-Ordinated Action on Ocean Energy， CA-OE）與海洋能系統(tǒng)實施協(xié)議工作組（Implementing Agreement on Ocean Energy Systems， IA-OES）聯(lián)合起草的海洋能術(shù)語（ocean energy glossary）中，海洋能被定義為：以海水為能量載體，以潮汐、波浪、海流/潮流、溫差和梯度鹽差等形式存在的潮汐能、波浪能、海流能/潮流能、溫差能和鹽差能［1］。其中，潮流能和海流能均為海水水平運動的動能，其能量利用形式、轉(zhuǎn)換原理和方法基本相同。潮流能主要指海水在月球和太陽引力作用下產(chǎn)生的周期性水平流動所攜帶的能量，主要集中在沿岸和淺海，受陸地邊界影響而變化較大，特別是在群島地區(qū)的海峽、水道以及海灣的狹窄入口處資源更為豐富；海流能主要在深海及大洋，是風海流和熱鹽環(huán)流等引起的海水大規(guī)模和長時間相對穩(wěn)定地流動所具有的能量［1-4］。因為海流一般發(fā)生在深海處，開發(fā)利用較困難，所以國際上對海流能的研究較少。

中國和世界上絕大多數(shù)國家一樣，目前研究的重點主要集中在海洋潮流能領(lǐng)域。中國海岸線廣闊，沿海島嶼眾多，具有豐富的海洋潮流能資源。據(jù)統(tǒng)計，中國近海130個水道海洋潮流能資源理論儲量約為1400萬kW，其中舟山群島水道眾多，是中國海洋潮流能資源最豐富的地區(qū)，約有257萬kW［1-2］。這為研究開發(fā)及利用海洋潮流能提供了良好的自然條件。海洋潮流的流速方向和大小變化具有明顯規(guī)律，潮流能具有較好的穩(wěn)定性和可預(yù)測性，這些優(yōu)點對于發(fā)電裝備制造商和電力運營商來說都具有很大的吸引力，也使海洋潮流能發(fā)電成為一種主要的利用形式，成為研究熱點［2，5］。近年來，中國在海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備方面取得了長足進步。本文對中國海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀、機遇和挑戰(zhàn)進行總結(jié)與分析。

1 中國海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備現(xiàn)狀

中國對于海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備的研究開始于20世紀70年代后期［1-2］。海洋潮流能發(fā)電涉及到流體、結(jié)構(gòu)、電氣、機械、控制、海工、信號、監(jiān)測等多個方面，由于海洋環(huán)境、工作原理、結(jié)構(gòu)材料等方面諸多的相似性，其中很多技術(shù)可從海上風電、海洋工程、水下裝備等領(lǐng)域得到借鑒。中國研制的海洋潮流能發(fā)電裝備型式以水平軸為主，少部分為垂直軸，這與國際發(fā)展趨勢相吻合。統(tǒng)計表明，國際海洋潮流能技術(shù)種類進一步向水平軸式收斂，占比高達76%，垂直軸占比12%［6-7］。中國近年來通過項目驗收的主要海洋潮流能發(fā)電裝備（額定功率150 kW及以上）見表1［7-11］。

經(jīng)過五十多年的發(fā)展，中國海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備現(xiàn)呈以下3個方面的特點：

1）從技術(shù)先進性層面上看，中國已處于世界第一梯隊。變槳距技術(shù)是海洋潮流能發(fā)電裝備技術(shù)的制高點，是實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的必要條件［14-15］。通過變槳距技術(shù)，一是能順應(yīng)海洋潮流的方向變化，實現(xiàn)雙向海流的能量捕獲；二是能在額

定流速以上實現(xiàn)發(fā)電裝備從額定流速到切出流速范圍之間全功率滿發(fā)；三是能實現(xiàn)水動力剎車，降低發(fā)電裝備的沖擊載荷。圖1為變槳距雙向潮流能發(fā)電機組示意圖。2015年，浙江大學在潮流能發(fā)電裝備上研究了液壓變槳技術(shù)［3］；2018年，國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司在國內(nèi)率先成功研發(fā)270°主動控制電動變槳技術(shù)，實現(xiàn)了300 kW潮流能發(fā)電裝備在流速0.5～4.0 m/s之間雙向海流的連續(xù)發(fā)電運行［16-17］。由于得天獨厚的海洋潮流資源，歐洲對海洋潮流能的研究較早。2008年，英國MCT公司在“SeaGen”裝備中就應(yīng)用了變槳技術(shù)［18-19］。還有，英國Altantis公司、挪威Hammerfes公司、蘇格蘭Orbital公司等也都把變槳距技術(shù)應(yīng)用到潮流能發(fā)電裝備中。中國是世界上唯一同時掌握液壓、電氣變槳雙向潮流發(fā)電技術(shù)的國家。除此以外，中國在其他研究方面也實現(xiàn)了突破。國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司研制的300 kW潮流能發(fā)電裝備，經(jīng)專家鑒定認為項目整體技術(shù)國際先進，其中雙向水平軸潮流能機組整體設(shè)計、三腹板支撐結(jié)構(gòu)碳纖維水動葉片研制技術(shù)、雙向潮流自動識別切換控制和0°～270°電動變槳最大能量捕獲控制技術(shù)國際領(lǐng)先。技術(shù)的先進性保證了300 kW潮流能發(fā)電裝備整機效率高達40%［4，7］?？梢哉f，中國海洋潮流能發(fā)電技術(shù)研究已從技術(shù)跟蹤，開始了技術(shù)領(lǐng)跑。

2）從發(fā)電裝備容量上看，中國與世界領(lǐng)先水平存在一定差距。與海上風電的發(fā)展相類似，從小型化到大型化，從低效率到高效率是海洋潮流能發(fā)電裝備發(fā)展的必然之路。如表1所示，中國研制的潮流能發(fā)電裝備單機容量在兆瓦級以下，目前通過驗收的功率最大的是浙江大學2017年研制的650 kW的水平軸潮流能發(fā)電裝備。這是由中國近海水道潮流能資源條件所決定的。歐洲潮流能發(fā)電裝備大型化已成為規(guī)模。2008年，英國MCT公司的發(fā)電裝備“SeaGen”由2臺功率600 kW的裝備組成［18-19］，此后歐洲多家公司研制了單機兆瓦級潮流能發(fā)電裝備。英國Atlantis公司2010年開發(fā)了AK1000裝備（額定功率1.0 MW），2011年開發(fā)了AR1000裝備（額定功率1.0 MW），2016年開發(fā)了AR1500裝備（額定功率1.5 MW），目前正在進行2 MW裝備的研發(fā)；挪威Hammerfet公司2011年開發(fā)了HS1000裝備（額定功率1 MW）；德國Voith公司2013年開發(fā)了HyTide 1000裝備（額定功率1 MW）；英國Scotrenewable公司2016年開發(fā)了SR2-2000裝備（額定功率2×1 MW）；愛爾蘭Openhydro公司2016年開發(fā)了Open Center裝備（額定功率2 MW）；法國Sabella公司2015年開發(fā)了D10裝備（額定功率1 MW）。

沿海潮流流速的差別是中國和歐洲發(fā)電裝備容量差距的主要原因。中國《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》指出，要“積極推進兆瓦級潮流能發(fā)電機組應(yīng)用”；《加快電力裝備綠色低碳創(chuàng)新發(fā)展行動計劃》把兆瓦級潮流能發(fā)電作為發(fā)展的重點方向。中國大容量潮流能發(fā)電裝備即將進入發(fā)展的快車道。

3）從規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化層面上看，中國需進一步加快發(fā)展步伐。目前，國際潮流能發(fā)電技術(shù)基本成熟［4，6］。與海上風電的發(fā)展相類似，海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備發(fā)展的最終目標是實現(xiàn)規(guī)?；?、完成產(chǎn)業(yè)化，達到平價上網(wǎng)。英國海洋能委員會主席Sue Barr先生表示：“在1 GW規(guī)模下，潮流能的成本低于核電”［20］。中國正在積極推進海洋潮流能發(fā)電規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。2010年國家海洋可再生能源專項資金的設(shè)立極大地推動了海洋能開發(fā)利用的腳步。截至2019年6月，國家共投入經(jīng)費13億元，支持了110多個海洋能項目，其中包括表1中潮流能發(fā)電裝備研發(fā)項目［7］。中華人民共和國自然資源部2019年開始計劃在舟山建設(shè)百兆瓦級潮流能發(fā)電場，以推進中國海洋潮流能發(fā)電裝備產(chǎn)業(yè)化的步伐［21］。國際上，2003年英國MCT公司研制的300 kW海洋潮流能發(fā)電裝備“SeaFlow”成功下海發(fā)電［22-23］，為海洋潮流能發(fā)電裝備的快速發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗。截至2021年底，歐洲潮流能總裝機容量30.2 MW，目前仍在運行的有11.5 MW［24］。隨著海洋潮流能發(fā)電技術(shù)的成熟和發(fā)電裝備的大型化，國際上已經(jīng)開始向陣列化與商業(yè)化發(fā)展。截至2016年底，全球共有14個潮流能發(fā)電陣列，其中英國總裝機容量398 MW的MeyGen潮流能發(fā)電場一期（裝機容量6 MW）建成，荷蘭Tocardo公司1.2 MW潮流能發(fā)電陣列并網(wǎng)發(fā)電，標志著國際潮流能技術(shù)進入商業(yè)化運行階段［7］。據(jù)報道，MeyGen潮流能發(fā)電場二期（裝機容量28 MW）已開始建設(shè)［20］。相比而言，中國應(yīng)進一步加快海洋潮流能規(guī)?；c產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的步伐。

2 中國海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備新的機遇

“海洋強國”戰(zhàn)略的實施，為海洋經(jīng)濟、海洋科技、海洋工程提供了廣闊的發(fā)展前景和發(fā)展空間。海洋工程裝備制造、海洋可再生能源利用、海水綜合利用、深海資源勘探與開發(fā)、海洋牧場與休閑旅游、海洋環(huán)境立體觀測等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和海洋新興技術(shù)發(fā)展勢頭強勁［25-27］?！半p碳”戰(zhàn)略目標的實施，對于能源碳排放提出了新的更高的要求。國外研究表明［28］，海洋潮流能發(fā)電的碳排放量約是15 g CO2/kWh，遠低于化石能源400～1000 g CO2/kWh的碳排放量。毋容置疑，在“海洋強國”戰(zhàn)略和“雙碳”戰(zhàn)略目標的大背景下，海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備將迎來新的發(fā)展機遇。主要體現(xiàn)在以下4個方面：

1）海島開發(fā)與建設(shè)方面的機遇。建設(shè)海洋強國、發(fā)展海洋經(jīng)濟、海島開發(fā)是非常重要的一個方面，勢在必行。自然資源部統(tǒng)計［29］，中國共有海島1萬1千多個。截至2017年底，有801個海島實現(xiàn)了電力供應(yīng)。其中，有居民海島441個，占全國有居民海島總數(shù)的90.2%；無居民海島360個，占全國無居民海島總數(shù)的3.2%。一方面，海洋潮流能能直接給海島提供低成本的電力。目前，海島供電方式以島外引電為主，自主發(fā)電為輔。島外長距離引電，其安全與成本都是問題；海島自主發(fā)電主要靠柴油發(fā)電，發(fā)電成本可高達約6.0元/kWh。相比之下，海洋潮流能利用海島周邊海水的能量，發(fā)電成本更低。據(jù)報道，英國MeyGen項目二期投標電價折合人民幣為1.433元/kWh［20］。另一方面，利用海洋潮流產(chǎn)生的電能進行海水淡化，可為海島居民提供必須的淡水。眾所周知，雖然中國海洋國土面積有299.7萬 km2，約為陸地面積的1/3，但卻是一個淡水嚴重短缺的國家。海水淡化是一種能為海島居民、海上作業(yè)人員等提供淡水的直接有效的途徑。海洋潮流能發(fā)電的獨特優(yōu)勢在海島開發(fā)中會得到越來越廣闊的應(yīng)用。

2）海水“綠色制氫”方面的機遇。氫能被稱為21世紀的終極能源，在人類減少碳排放量的道路上發(fā)揮著越來越重要的作用?！半p碳”戰(zhàn)略目標的提出為氫能的快速發(fā)展提供了更加巨大的動力和空間。據(jù)預(yù)測，中國要實現(xiàn)2030年碳達峰目標，氫氣的年需求量將達到3715萬t；要實現(xiàn)2060年碳中和目標，氫氣的年需求量將達到1.3億t，其中綠氫——利用可再生能源分解水得到的氫氣有望達到1億t。當前中國氫氣產(chǎn)能約為每年4100萬t，產(chǎn)量約3342萬t。氫源供給中約有77.3%來自于灰氫，21.2%來自于工業(yè)副產(chǎn)氫，僅1.5%源于綠氫［30］。如此巨大的綠氫需求增長，如果依靠電解淡水來獲取，對于淡水匱乏的現(xiàn)狀來說，是不科學，也是不可取的。因此，向海洋要氫，從海水制氫，是落實“雙碳”目標的一個理想的選擇。利用海水制氫，動力從哪兒來？海洋潮流能發(fā)電是一種便捷的動力來源，是實現(xiàn)海洋效益最大化的重要途徑之一。目前，中國已開始了這方面的研究［31］。隨著中國“雙碳”之路的深入，利用海洋潮流能發(fā)電做動力分解海水制氫必將會有一個大的飛躍。

3）深海裝備與儀器方面的機遇。海洋裝備技術(shù)及產(chǎn)業(yè)是支撐海洋科學研究、資源開發(fā)和安全保障事業(yè)的“脊梁骨”［32］。在“海洋強國”戰(zhàn)略指引下，深海裝備與深海儀器已成為中國的重點發(fā)展方向。中國的深海資源裝備正在向多海域、多資源的開發(fā)邁進。眾所周知，“海洋石油981”鉆井平臺作業(yè)深度能到達3000 m，“藍鯨一號”鉆井平臺完成了可燃冰開采，“海洋石油720”物探船完成了北極圈探測工作。海洋牧場與旅游休閑裝備也正在快速發(fā)展?！秶壹壓Ｑ竽翀鍪痉秴^(qū)建設(shè)規(guī)劃（2017—2025年）》提出到2025年要創(chuàng)建200個國家級海洋牧場示范區(qū)，截止到2018年底已創(chuàng)建86個［33］。同時，中國正在加快構(gòu)建海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)、海底科學觀測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，加強對海洋的感知、認知和預(yù)測、預(yù)報能力。要維持深海、遠海裝備與儀器長期穩(wěn)定的電力需求，就地取能、海能海用，海洋潮流能發(fā)電是一種理想的途徑。

4）海洋能源綜合利用方面的機遇。除了海洋潮流能，中國海洋潮汐能、波浪能、溫差能、鹽差能儲量豐富，利用潛力巨大，也是新能源開發(fā)的重要方向。目前，中國潮汐能發(fā)電早已進入商業(yè)化發(fā)展階段，波浪能發(fā)電已在研制兆瓦級裝備，溫差能、鹽差能發(fā)電還處于研究階段。除了傳統(tǒng)意義上的海洋能外，中國海上風能和海上光伏的發(fā)展已如火如荼，領(lǐng)跑世界。為進一步增加海洋能源的投資收益，開拓海洋能源綜合利用是業(yè)內(nèi)研究的方向。目前，海洋潮流能與波浪能、風能、光伏等多能互補發(fā)電技術(shù)與裝備研究已得到越來越多的青睞。中國已開始研究潮流能與風能［34-35］、潮流能與波浪能［36-37］發(fā)電的綜合應(yīng)用。隨著各類海洋能源開發(fā)利用技術(shù)的日益成熟以及開發(fā)利用空間的不斷擴展，海洋潮流能在綜合能源利用中的應(yīng)用場景會越來越廣。

3 中國海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備的挑戰(zhàn)

“海洋強國”、“雙碳”目標，給海洋潮流能的發(fā)展帶來了諸多新的機遇，同時也帶來了新的挑戰(zhàn)。

1）深遠海海況條件的挑戰(zhàn)。根據(jù)以上分析，海洋潮流能新機遇的大部分場景是在海島附近及深遠海區(qū)域。一方面深遠海的海況條件相比于近海更為惡劣，惡劣的海況對于潮流能發(fā)電裝備的承載能力、極限強度、疲勞壽命、運行狀態(tài)等都會造成較大影響，結(jié)構(gòu)與水動力耦合分析、運動響應(yīng)分析等會變得異常復雜。另一方面，發(fā)電裝備的容量和尺寸也會越來越大，與惡劣海況相疊加，對潮流能發(fā)電裝備的生存能力帶來巨大挑戰(zhàn)。

2）發(fā)電裝備可靠性的挑戰(zhàn)。海洋潮流能發(fā)電裝備作為一種在水下運行的裝備，距離陸地越遠，距離海平面越深，其可靠性要求也越高。尤其是在深遠海探測與監(jiān)測儀器中，連續(xù)不間斷的、穩(wěn)定的電力供應(yīng)是必要的。這就要求發(fā)電裝備在更長的生命周期內(nèi)不能有海水泄漏、部件損傷、電器元件失靈、控制信號故障、操作失誤等一切影響裝備正常發(fā)電的事件，給潮流能發(fā)電裝備的可靠性帶來了巨大挑戰(zhàn)。

3）電能綜合管理的挑戰(zhàn)。在海洋能源中，海上風能具有間歇性，海洋波浪能具有波動性，海上光伏受到天氣的影響時強時弱，海洋潮流能因為潮汐的作用而變化。在海洋潮流能與其他能源的多能互補系統(tǒng)中，各能源耦合可能會引起電力輸出不穩(wěn)定性有所增強。這種耦合的不穩(wěn)定性對電能綜合管理提出了挑戰(zhàn)，如何合理、智能地分配各種能量，真正做到不僅是發(fā)電容量的“互補”，也是發(fā)電質(zhì)量的“互補”，需做深入研究。

4）新型先進發(fā)電裝備的挑戰(zhàn)。如前文所述，海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備已經(jīng)向水平軸型式收斂。在未來的應(yīng)用場景中，隨著新的理論與技術(shù)的發(fā)展，適應(yīng)海洋環(huán)境的變化、需求目標的變化、運行要求的變化等，這種占據(jù)優(yōu)勢的型式和結(jié)構(gòu)是否還能繼續(xù)具有其合理性和先進性？中國海上風電發(fā)展了這么多年，以前幾乎都是水平軸、塔筒上方支撐一個機頭的型式，近期有機構(gòu)推出了新的風電裝備型式［38-39］。因為海洋潮流能與海上風電在很多方面具有相似性，期待在未來的應(yīng)用場景中有更先進的裝備和更合理的結(jié)構(gòu)型式問世。

4 結(jié) 論

國際海洋潮流能發(fā)電技術(shù)基本成熟。經(jīng)過五十多年的發(fā)展，中國在海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備方面取得了長足進步。在技術(shù)先進性層面，中國同時掌握了液壓、電氣變槳雙向潮流發(fā)電等關(guān)鍵技術(shù)，已處于世界領(lǐng)先水平；在發(fā)電裝備容量上，中國與具有優(yōu)越潮流能資源條件的歐洲國家尚有差距；在規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化層面，歐洲已開始陣列化與商業(yè)化發(fā)展，中國需要進一步加快發(fā)展步伐。

“海洋強國”戰(zhàn)略和“雙碳”戰(zhàn)略目標，給海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備帶來了新的發(fā)展機遇。在海島開發(fā)與建設(shè)方面，海洋潮流能能直接給海島提供低成本的電力，還能作為動力進行海水淡化為海島居民提供必需的淡水；海水“綠色制氫”方面，利用海洋潮流能發(fā)電做動力分解海水制氫的發(fā)展空間巨大；深海裝備與儀器方面，海洋潮流能發(fā)電能夠提供長期、穩(wěn)定的電力需求；海洋能源綜合利用方面，海洋潮流能的應(yīng)用場景會越來越廣。

同時，海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備也迎來了挑戰(zhàn)。包括深遠海海況條件的挑戰(zhàn)、發(fā)電裝備可靠性的挑戰(zhàn)、電能綜合管理的挑戰(zhàn)以及新型先進發(fā)電裝備的挑戰(zhàn)等方面。

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PRESENT SITUATION， NEW OPPORTUNITIES AND CHALLENGES OF OCEAN TIDAL CURRENT ENERGY POWER GENERATION

TECHNOLOGY AND EQUIPMENT IN CHINA

Chu Jingchun1，2，Jia Fayong2，3

（1. China Energy New Energy Technology Research Institute， Beijing 102209， China；

2. State Key Laboratory of Tidal and Ocean Power Generation， Beijing 100039， China；

3. Guodian United Power Technology Company Limited， Beijing 100039， China）

Abstract：In the paper， the present situation of the development of ocean tidal current energy power generation technology and equipment in China is summarized， and compared with the international leading level. Furthermore， our advanced aspects and shortcomings are pointed out. At the same time， the opportunities come from China’s \"ocean power\" strategy and \"carbon peaking and carbon neutrality\" strategic objective and the following challenges are analyzed. Moreover， suggestions and opinions on the future development direction of China’s ocean tidal current energy power generation technology and equipment are put forward.

Keywords：ocean tidal current energy； power generation technology and equipment； present situation； opportunity and challenge