海流能开发利用技术发展及关键技术思考

内蒙古工业大学能源与动力工程学院 ■ 常征 包道日娜 刘志璋

广州红鹰能源科技有限公司 ■ 俞红鹰

一 引言

目前，全球能源日益短缺，常规化石能源的使用导致了全球性的温室效应和生态环境的严重破坏，因此调整能源利用结构，开发利用清洁的可再生能源迫在眉睫。海洋内部温度、盐度的差别和

有规律的潮汐都可导致海流[1]。海流能是指海水流动的动能，与其他可再生能源相比，有着明显的优势：规律性强，可预测且能量稳定；能量密度大；海流发电水轮机置于海平面下不占用陆地面积，不会影响景观，且对周围海洋生态影响较小。

一般来说，流速在2m/s的海区，其海流能均有实际开发的价值。据估算，全世界范围内可利用的海流潜在能量多达50亿kW[2]。我国海岸线绵长，海流能资源非常丰富。据现有技术条件估算，我国的海流能有3000万kW，若全部利用起来，则年发电量可达360亿kWh，具有非常可观的开发利用价值。

二 海流能发电装置研究进展

目前，海流能的开发利用形式已从传统的筑大坝封闭式发电方式(利用潮差即水头势能发电的潮汐电)转变为开放的非筑坝式结构，这类发电装置可称为“水下风车”。其发电原理与风力发电相似，即将海水流动的动能转化为机械能，再将机械能转化为电能。不断完善的风力发电技术为开发海流能提供了有益的借鉴。近年来，世界上一些海流能资源丰富的国家都加大了对海流能利用的投入和研究力度，并不断取得进步。根据叶轮轴线在水流中的空间布置，水下涡轮发电机组可分为垂直轴式发电装置和水平轴式发电装置，近几年这两种发电装置发展都较为迅速。

1 垂直轴式海流能发电装置国内外研究进展

垂直轴式潮流能发电装置因不受来流方向变化影响且无需偏航装置，在国外的研究起步较早。加拿大BlueEnergy公司是国外较早开展该研究的单位。该公司研制的Davis四叶片垂直轴涡轮机于2006年9月在英国哥伦比亚大学水槽实验安装。实验结论表明，在样机中使用扩张管道装置可将系统的工作效率提高至45%左右[3,4]。意大利Ponte di Arehimede公司研制的“Kobold Turbine”是在2003年于墨西拿海峡建造并实验的变桨距垂直轴涡轮机，在2m/s流速下最大发电功率40kW，平均获能效率为23%[5,6]。美国GCK公司研究了一种具有螺旋形叶片的垂直轴水轮机Gorlov Helical Turbine，起转流速0.5m/s，在1.5m/s流速下额定发电功率为1.5kW，平均获能效率为33%[7,8]。此外，日本Nihon大学在1996年也对直叶片Darrieus型垂直轴水下涡轮机进行了理论及实验研究[9]。

目前国内开展垂直轴式海流能发电装置研究的单位有两家，其中哈尔滨工程大学是最早开始研究垂直轴式潮流能发电的单位。自1984年起，其在实验室及河流中分别进行了小功率模型样机的试验；2002年在浙江舟山市的官山水道中第一次进行了70kW双转子漂浮式潮流能电站的海上试验；2005年又在浙江省舟山市岱山县进行了40kW样机的海上试验[10,11]。中国海洋大学通过数值模拟和水槽模型实验对垂直轴柔性叶片及水轮机转子结构、参数和性能进行了优化配置[12]，并于2008年在青岛市胶南斋堂岛水道进行了5kW样机的海上试验。据报道，样机在1.7m/s流速下发出了3.2kW电能。

2 水平轴式海流能发电装置国内外研究现状

水平轴式海流能发电装置因效率高、自启动性能强而成为目前国内外海流发电装置的主流研究方向。英国在海流能技术方面处于世界领先地位，各种水平轴式海流能发电装置相继进入海上试验阶段。2003年5月，英国MCT公司在北德文郡近海岸成功安装了第一台300kW并网型水平轴海流发电机组Seaflow，叶片可转动180¡，能适应海流正反方向流的变化，能量转化效率最高达到38%，据报道机组可靠运行超过一年。其第二阶段样机“SeaGen”已于2008年3月底在北爱尔兰的斯特朗福德湖进行安装测试，并在一段时间的测试后向爱尔兰的用户开始供电。“SeaGen”的特点是采用双转子结构，叶片采用180¡变倾角系统，在流速3m/s工况下，发电功率达2.5MW[13]。为不妨碍水上交通，MCT计划下一步设计一种六转子水流发电装置“2rid generation”。

目前英国TGL公司研制的1MW的深水水平轴式海洋流能涡轮机，额定速度为2.7m/s，启动速度为1.0m/s，最大运行速度为3.4m/s，可实现变速变桨、自动偏航的功能。该装置更可靠、更隐蔽、更经济，并能够很好地利用深海资源，预计在2011年或2012年进行样机的整体测试[14]。

英国SMDHydrovision(SMDH)公司也正在研制2×500kW的TidE1 system，该装置的最大特点是无需任何驱动力就能使装置实现自动对流，据称发电成本可与风力发电相媲美。目前SMDH公司已设计出1/10规模的TidE1 system，并在New and Renewable Energy Centre (NaREC)成功完成了近一个月的试验[15]。

其他致力于海流能利用的公司研制的水平轴式海流能转换装置也多沿用水平轴风力机的设计，如2005年3月美国Verdant Power公司于纽约东河岸建成了6台35kW水平轴海流能发电装置，经过18个月的试验，目前准备建立200～300台机组的海下发电场[16]。2003年12月，挪威Hammerfest str¯m AS公司研制出与“seaflow”类似的300kW并网型水平轴式海流能发电装置，已建于Kvalsundet，预计年发电量为32亿kW[17]。有些装置在涡轮机的外部附加套筒，通过加快水流通过涡轮机的速度来提高装置的输出功率，如英国的“Lurnar Energy”和爱尔兰的“Opendydro”等[18,19]。

随着国家能源战略的转变和国内外相关技术的影响，我国的水平轴式海流能发电装置的研究也逐渐开展起来。东北师范大学研制了一种1kW水下悬浮式水平轴式海流能发电装置，该装置由水下锚泊系统、发电机、软轴和水平轴水轮机组成。2006年浙江大学率先完成5kW水平轴式海流能发电装置样机海洋环境原理性试验，2m/s流速时转速为50rpm。2006～2009年浙江大学项目组研制了第二台样机——25kW半直驱水平轴式海流能发电机组，并完成海上试验，机组在海洋环境中运行正常，最大发电功率达到30kW。2007年起，浙江大学开展了20kW液压传动式海流能发电机组的研究，目前项目组第三台样机——液压传动式海流能发电机组已完成厂内拖动、变桨距、密封试验，并进行了海上试验。

三 海流能发电装置关键技术改进措施

自上世纪80年代世界各国研究人员掀起新一轮海洋能开发的热潮以来，海流能发电装置的关键技术研究也进入了前所未有的发展阶段。世界各国就已研发的海流能发电装置在实际应用中存在的问题展开了改进措施的研究。

1 设计高效率叶片以提高获能效率

叶片作为海流能发电装置的关键性部件，其获能效率直接影响着整机效率。目前国内外就此问题展开了研究。

垂直轴式海流能发电装置方面，美国GCK公司研究的Gorlov螺旋式涡轮机降低了叶片的振动；英国DTI设计的垂直轴变倾角涡轮机解决了定倾角涡轮发电机效率低、电力成本较高的问题；此外，英国伦敦大学机械工程学院设计研究了一种采用叶片倾角余弦控制方式的液压控制系统，可实现叶片变倾角控制[20]。水平轴式海流能发电装置方面，2003年中国水利水电科学研究院赵世俊提出了新型桁架式水流动能利用转子结构[21]；上海交通大学杨波也对渐开线式水轮机机构用于海流发电进行了研究[22]。中国海洋大学采用柔性叶片转子结构解决了刚性叶片捕能效率低的问题，据称柔性叶片在水轮机旋转过程中会根据叶片位置不同，通过叶片自身形变自动调节攻角，另外还可以参考风力发电机的相关技术，在叶端加一襟翼提高发电机的效率。

在实际应用中，海流能发电装置的叶片不可避免地存在汽胀和海生物附着的现象，可通过采取避开叶片汽蚀水深的最佳安装深度，设计合理的叶片剖面，选择合适的材料和涂刷防腐油漆等措施来避免。此外，还要综合考虑叶片数对能量转换效率和整机维护成本的影响。

2 改进功率控制方式以提高获能效率

对于功率控制方式，国内外研究单位研究了海流能发电装置的变桨距和变速恒频控制技术。垂直轴式海流能发电装置的变桨距控制技术研究进展较为迅速，由意大利阿基米德公司研制的“Kobold”采用的就是变桨距技术。2004年，英国伦敦大学的Alessandro Schonborn等对垂直轴式海流能发电装置的变桨距技术进行了研究。据报道，目前的水平轴式海流能发电装置中仅有少数样机具有变桨距功能，如英国TGL研制的1MW涡轮机采用变速变桨、自动偏航技术；英国Seagon和挪威Hammerfest str¯m AS公司的样机都采用简单的电气变桨距机构[23,24]；英国SMDH设计的一种锚泊式水轮机TidE1，采用变速恒频技术，使得装置在各流速段均能达到最佳水动力性能[13]。此外，英国Wales Swansea大学及其合作者正在研究直驱式定桨距海流能发电装置[25]，其难点在于超低速发电机的研制、系统的功率及转速控制。挪威Hammerfest str¯m AS公司根据变桨距风力发电机原理提出“水下风车”变桨距概念，即通过调节桨叶的节距角，实现“水下风车”的变桨距控制。浙江大学于2010年针对20kW级液压式水平轴潮流能发电系统设计了新型变桨距控制系统[26]，并于2009年12月发表了一专利——一种基于液压传动的海流发电变速恒频方法及其装置。

3 改进自对流技术以提高获能效率

水平轴式海流能发电装置的自对流系统主要方式为：(1) 不需要任何驱动力仅靠自身结构实现自动对流。如英国SMDH公司的TidE1系统，该自对流方式要求结构设计合理性非常强。(2) 当海流流向变化时，叶片转动180¡从而实现对流。如英国“seaflow”和挪威Hammerfest str¯m AS公司的样机，该对流方式可与变桨距控制相结合，但需解决密封的问题。(3) 采用偏航机构实现自对流，即当海流流向发生变化时叶片不动，通过机舱转动跟随海流流向的变化来实现自对流。如英国的TGL公司的1MW涡轮样机。(4) 采用特殊结构实现自对流。如东北师范大学研制的1kW水下悬浮式水平轴式潮流能发电装置，该装置采用软轴，将水平轴式水轮机与垂直安放的发电机连接，使水轮机组正对水流方向。浙江大学采用凸轮连杆机构调节桨叶角度，以提高获能效率[27]。还有浙江工业大学采用文丘里管增速装置+双向叶片涡轮机的转换器，提高了输入涡轮机的能量[28]。

4 改进传动方式以提高获能效率

当叶轮捕获能量后，由传动系统将能量传递给发电机。目前，海流能发电装置采用的传动系统主要以齿轮箱传动为主，但其存在传动比单一、冲击明显、柔性差、已损坏等缺点。关于液压传动方式在海流能发电装置中的应用，英国Edinburgh大学的Stephen Salter教授及其研究团队采用数字变量泵技术的液压传动系统，将其应用在波浪能转换装置中，但并未将其应用在海流能发电装置的实际中[29]。

5 改进安装、锚定与维修技术以减少开发成本

据欧洲海上风电建设经济评估资料表明，机组的水下安装成本约为风电场总成本的24%。实践中，如何将海流能装置固定在湍急的水流中并保证故障维修方便，是海流能装置设计中的一个难题。多数海流能装置采用海底安装，安装方式主要为重力式、打桩式、多桩式和漂浮式。前两种安装方式适合浅海作业，后两种安装方式适合深海作业。其中漂浮式固定方式机组底部由锚泊装置固定，其维修最为方便；重力式结构相对简单；打桩式基础制造简单，机组需要维修时，可以沿桩吊上，维修方便。我国主要利用船舶技术开发浮体悬吊式装置，英国等主要是在风力发电技术基础上开发海底固定式水平轴装置。海流发电机的安装和支撑方式可借签海洋石油平台海上施工建造中的共性技术[30]。

6 提高装置运行的可靠性

一般在大于8m/s流速下，水轮机可能导致气蚀现象，造成对发电机组的伤害。海水的强腐蚀性对发电机、轴承与密封系统都是极大的挑战。正是由于如何提高装置运行的可靠性问题解决得不好，国内潮流能、海流能装置研究40年了，但至今仍无长期运行的装置、电站。

四 结语

综上所述，国内外开发利用海流能已进入了发展热潮，并已取得了多项积极成果，但目前海流能的发展仍存在一些关键技术问题亟待解决。

(1) 如何将最大能量跟踪和半直驱、直驱控制技术应用在水平轴式海流能发电装置，以提高其获能效率和稳定性。

(2) 如何将液压传动方式应用到海流能发电装置中，实现无级变速和功率的最优控制。

(3) 如何实现大规模利用海流能，使海流能发电朝着大机组方向运行，并进入商业运行发展阶段。

(4) 加速发展海流的测流技术，对海流能资源分布进行勘探研究估算，尽早摸清海流规律为建设海流场做准备。

(5) 发展海流能选址技术和机组整体布局研究。

(6) 解决海流能存储及运输成本高的问题。可转变思路采取就地开发近距使用方式，解决周边地区的工业、渔业、农业和生活用电和用热的问题。

(7) 加强数值模拟仿真和模型试验的最优化研究，以预报深尺度下海流能发电机的综合性能。

(8) 考虑开发海流能对气候和海洋生物的影响，以期达到生态友好型发展。

相信随着海流能利用技术的进一步发展和完善，海流能一定成为21世纪快速发展的可再生新能源。我国海域广阔，海流能资源丰富，应当抓住发展的大好机会，使之成为我国能源战略的重要组成部分。

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