开发海洋水电能源

1 潮汐能开发

随着人们对过度依赖化石能源的日益担忧，寻找新的可再生和可持续能源已成为人们的重点关注目标。寻找可行的替代能源也成为能源领域面临的关键挑战。

地球表面的3/4都覆盖着水，因而水顺理成章地成为寻求替代能源进而补充未来能源结构的合理目标。地球、月球与太阳之间引力的相互作用产生的动态潮汐能，成为一种可行的替代能源，这也是安德里茨水电公司(Andritz Hydro)子公司安德里茨水电哈默菲斯特(Hammerfest)公司的重点创新领域。该公司致力于设备制造，旨在开发清洁、可再生和可预测的潮汐能。

安德里茨水电哈默菲斯特公司所开发的第一款预先商用潮汐能发电机，于2011年底在欧洲海洋能源中心(EMEC)的一家潮汐能试验场正式安装。这是一套转子直径为21 m的海底座架设备，它利用涨潮和退潮双向发电，平均每日发电时间可达17 h。

在欧洲海洋能源中心的现场试验只是整个开发项目的最后一步。项目始于20世纪90年代中期，由挪威一家技术启动公司——哈默菲斯特斯特罗姆(Hammerfest Strom)公司承担，该公司曾于2003年在克瓦尔松(Kvalsundet)峡湾安装了1台300kW的潮汐发电水轮机。

这台原型设备已在挪威运行数年，是第一台永久并入公共电网的潮汐发电水轮机，已运转17000多小时，发电量的98%被输入公共电网。

当前的这台HS1000设备是一个水平轴单转子固定连接舱双向发电水轮机，叶片长度为9.5 m，最大节距角为280°。转子节距角和发电机扭矩由软件控制可达到最佳运行效率，发电潮汐流速为1～4 m/s。

HS1000水轮机适用于水深为30～100 m、浪高为10 m的水域，它可以在最极端的海洋环境下安全运行。

HS1000水轮机由一个重为150 t、高为22 m的地下工程固定，地下工程上又压盖了800 t的压重，以防止地质断层或其他极端环境条件下出现滑坡或倾覆。水轮机由一个长为 3.5km的海下电缆与海岸相连，电缆配备高压输电芯和光纤通信网络。

2 设备安装

HS1000水轮机于2011年12月在欧洲海洋能源中心利用近海工程船进行安装，分为3个阶段:

(1)将地下工程放置到海底;

(2)进行压载;

(3)须将连接舱与地下工程相衔接。

在苏格兰的严冬条件下，全过程完成只用了32 h。当时监测到的最大风速达100海浬/h，因此为充分利用每一个出现的天气状况，必须进行周密计划。

迄今为止，设备的良好运行状态已超过预期，HS1000水轮机不仅遵循了预计的发电曲线，而且丝毫没有超出设计的荷载包络线。在充分运行状态下，每年发电量可达400多亿kW·h。

下一阶段的测试工作将持续大约半年时间，将重点围绕水轮机的可利用率与可靠性展开评估。设备每月的能源产出及同期的水轮机效率将由一个独立的第三方来计算，并由此证明HS1000水轮机已达到并超出其设计性能目标。

3 商业化之路

对300kW的哈默菲斯特斯特罗姆原型及HS1000水轮机开展的广泛性能测试，已经为该技术的商业化做好了充分准备。目前正在对设计做进一步的改进，以提升全球各潮汐能发电地点的能源捕获潜力。这些改进包括为每个潜在潮汐发电场址的转子叶片几何进行详细的水动力学优化，并针对涨潮与退潮方向并不完全吻合的地点引入偏航机制。

挪威第一台潮汐发电机安装至今已10a有余，安德里茨水电哈默菲斯特公司正努力在全球实现该技术商业化的可行性应用。

首批将为苏格兰可再生能源公司在艾拉海峡(Sound of Islay)规划建设的10MW潮汐发电站，以及梅简(Mey Gen)公司在彭特兰(Pentland)海峡内湾(Inner Sound)规划建设的86MW潮汐发电站提供水轮机设备。

艾拉海峡工程位于艾拉岛到内赫布里底(Inner Hebrides)群岛之间的潮流上。这项大型开发工程最初由苏格兰政府批准建设，其工程选址有以下3个方面的原因:

(1)潮流迅速但不湍急(最高3.4 m/s);

(2)地点有遮蔽，易于设备安装，可便于全年进行维护和监测;

(3)4km之外即可在艾拉接入国家电网。

每台机组生产的电流将通过 6.6 kV的电缆输送到一座近海变电站，在此调压至33 kV，然后输入艾拉的国家电网。产出电量预计可满足岛上3000居民的用电需求，同时也可为当地几家威士忌酒厂提供电力。

除此之外，苏格兰可再生能源公司还计划将这一水轮机用于彭特兰海峡正在考察规划的一座更大型的潮汐能发电站。该电站计划装机容量为95MW，目前正在进行选址评估考察，期待可以在该电站中使用更大装机容量的HS1000水轮机。预计在未来的2～3 a之内可获得批准进行项目建设。

4 MeyGen项目

MeyGen潮汐能项目是世界领先的海洋能源开发项目，将在欧洲潮汐能最丰富的地点开发潮汐资源。MeyGen公司获得了英国皇家财产局对该地区的租赁协议，项目所在区域位于斯特洛马(Stroma)岛与苏格兰大陆东北角之间的海峡(内湾)。该海域潮流迅速(可达5 m/s)，预计到2020年，发电量可供 40000户苏格兰家庭使用。

项目将分期建设，采取“边开发边观察”的策略，一期工程最多安装86台水轮机(86MW)。考虑到该项目首先需要证明这种能源开发理念的可行性，MeyGen公司计划先在内湾安装最多6台机组作为示范工程，随后再陆续开发其余的租赁区域。

示范工程将提供水轮机组与外围环境之间互动情况的重要信息，从而为后续阶段的详细设计与水轮机安装奠定基础。

项目一期工程期间，每台水轮机都会有其专门的输出电缆，通过基岩中的水平钻孔将其与海岸相连。在岸上会将电缆汇聚，并将输出电流变为高压电流，再输入国家电网。

MeyGen公司须与安德里茨水电哈默菲斯特公司密切合作，以确保工程的相关技术能够应对该地区可能出现的极端环境状况。

5 未来安装

示范工程的成功是全面开发该地区潮汐能资源的关键步骤。作为示范工程，艾拉工程与MeyGen工程都将提供重要的项目信息与经验，为未来这项新技术的大规模开发与商业化应用奠定基础。

英国大部分最适合开发潮汐能的沿海水域都归属英国皇家财产局管辖，该局已颁发了1000MW装机的潮汐能开发许可。除了英国之外，全世界其他适合开发潮汐能的地点包括加拿大、美国、挪威、法国、智利、印度、东南亚以及澳大利亚的很多地区。对这些地区潮汐能的商业开发也正在研究当中。全球潮汐能开发的总装机容量为10～100 GW。