海洋能源获取、传输与管理综述

杨灿军，陈燕虎

（浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江 杭州 310027）

海洋能源获取、传输与管理综述

杨灿军，陈燕虎

（浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江 杭州 310027）

海洋能源获取、传输与管理是实现海洋透明化的关键技术。以能源获取的方式进行分类调研，分析探讨国内外海洋能源的获取、传输与能源管理方法，以及各个方式的优缺点，并对能源获取、传输与管理进行核心技术分解，对比我国研究现状得出各个技术与国外现有差距，预测我国在该技术领域的未来发展趋势。

水下能源获取；海底观测网；可再生能源；技术预测

海洋占据了2/3的地球表面，在全球气候变迁、生态循环、物种繁衍、人类进化等各个方面均有举足轻重的作用。然而，极端的环境使得人类难以深入了解海洋。时至科技迅速发展的今天，对于人类来说，大部分海洋仍然是漆黑一片、危险暗藏。为了深入了解海洋，探索生物起源，维持生态良性发展，预测自然灾害等对人类生存与发展具有重要意义的科学问题，“透明”海洋成为了近年来海洋研究的主题[1-3]。要实现“透明”海洋，必然要采用大量的水下用电传感设备，水下电能持续供给成为关键因素，因此，水下能源获取、传输与管理是实现海洋透明化的关键之一。随着能源获取、传输与管理这一水下通用技术的发展和完善，海洋技术领域将迎来一个空前发展和进步的阶段。

1 技术发展现状

近年来，海洋科学技术得到大幅度发展，水下用电设备日益增多，对能源的需求益发强烈。水下能源的获取、传输与管理技术成为海洋工程技术的研究热点。当前研究工作主要集中在能源获取方式、电能的传输与变换控制、电能管理与控制等方面。世界发达国家投入巨资，迄今为止涌现了多种水下能源获取、传输与管理技术。部分技术仍处于概念阶段，部分技术则进入了研发和试验阶段，而少量技术已经进入了成熟期并在海洋科学研究、海洋资源勘探、水下作业等领域获得了一定程度的产业化和应用。

水下能源获取、传输与管理的应用方式有多种，通常以能源的获取途径分类，主要分为缆系岸站供电式、有限燃料供电式、可再生能源供电式三大类。

1.1 缆系岸站供电式

利用海缆将电能传输到海底并以树状、环状、放射状、网状结构向水下大量设备提供连续电能的方式在美国、加拿大、日本等国已经成功应用，并在科学研究、减灾防灾、国防安全等领域发挥了重要的作用。根据采用的供电方式的不同可分为交流供电方式、恒流供电方式和直流恒压供电方式。

首先，交流供电方式采用了与陆地常规电网类似的远距离电能传输技术，利用高压交流供电技术将电能传输到水下平台，在水下平台进行交流-交流、交流-直流等系列的电压变换和分配，并为各种水下接驳设备提供适合的电能。该技术出现在早期，如美国1996年建成的LEO-15[4]，2001年建立的MVCO[5]，2006年建成的巴拿马西南海岸的Canales de Tierra海底热带观测，意大利建设的NEMOⅠ期，以及欧美多家石油巨头公司的水下石油平台等。将交流供电组网的方式沿用于陆地电网技术，因交流输电在陆地上获得了大量的应用，技术成熟，传输的功率也较大，不同等级的电压变换无需复杂的器件，同时高压交流电的通断控制容易实现，因此，交流供电组网在海底观测网发展的初期获得了较多应用。然而，交流输电方式具无功功率特性、变电设备体积庞大、输电缆成本高等特点，往往只用于近岸工程，很难实现延伸到深海远海的大范围组网。

其次，直流恒流方式采用了水下通信行业所采用的恒流技术，利用恒流方式将电能传输到水下平台，在水下平台通过恒流-恒流、恒流-恒压等系列的电能变换和分配，为各种水下接驳设备提供适合的电能。如美国1997年建立的Hawaii UnderseaGeo-Observatory (HUGO)[6]，1998年建立的 Hawaii-2 Observatory(H2O)[7]，2011年建立的 Aloha Cable Observatory(ACO)[8]。相比于美国，日本在该领域起步更早，早在1978年，日本第一套基于恒流供电的海底缆系观测系统建成并用于地震监测，此后，日本在本州岛周围尤其是其东面相继建成了多个观测系统，目前正在使用的就有约10个观测系统，如1999年建立的Versatile Eco-monitoring Network by Undersea-Cable System(VENUS)、Geo-TOC、2011年建立的DONET观测网等[9]。此外，我国台湾于2012年建立了用于地震监测的MACAO,也采用了恒流供电方式。基于直流恒流输电模式的海底观测系统因其恒流的特性，具有较高的鲁棒性。当然，该方式同样具有较为明显缺点，如输电效率低下，输电功率不高，扩展困难等。因此，恒流模式的水下供电网主要应用在海底地质灾害频繁的区域，而不适合用于面向常规科学观测任务的综合性海底观测网。

相比之下，直流恒压方式采用了直流供电的方式将电能传输到水下，并在水下平台中进行直流-直流的电能变换和分配，为各种水下接驳设备提供适合的电能。如2006年建成的Victoria Experimental Network Under the Sea(VENUS)[10]、2007年建立的 Kilo Nalu 观测系统[11]、MARS[3]、2009年建成的NEPTUNE[12-13]、以及正在建立的RSN，欧洲多国联合建立的ESONET，ESONIM，EMSO等系列工程[14-15]。直流恒压输电方式虽然具有短路故障的致命缺点，但相对于其他输电方式，具有输电功率大、效率高、扩展性能强等优点，是当前比较主流的水下缆系电能传输方式[16]。

1.2 自容燃料式供电

除了采用海缆为水下设备进行电能供给以外，在海洋科学研究上也出现了多种不使用海缆进行电能传输，而是通过自容式携带能量的方式，如通过自带存储式电池进行能量供给，或者通过携带燃料现场发电进行能量供给等。存储式电池的方式获得了最广泛的应用，目前大部分水下尤其是深海用电设备均采用了电池供电的方式[17]。但对于大型的水下平台，电能需求量往往较大，而电池容量有限，使用大大受到体积和重量限制。使用电池进行供电的例子如在9°N东太平洋隆起地区（the East Pacific Rise，EPR）的热液口观测系统，意大利的GEOSTAR等。另外一种电池为燃料电池，主要通过氧或其他氧化剂进行氧化还原反应，把燃料中的化学能转换成电能。最常见的燃料为氢，一些碳氢化合物，例如天然气、醇和甲烷等有时亦会作燃料使用。燃料电池有别于原电池，因为需要稳定的氧和燃料来源，以确保其运作供电。此种方式在陆地或者太空获得应用，但水下环境尚未多见。最近有通过携带燃料进行现场发电供给的方式在某些近岸海域或者浅海海域获得应用，即在浮标上安装发电机，将电能输送给水下的仪器设备，只需定期补充燃料即可维持较长时间的电能供给。但此种方法受限于水面环境，只能短期应用。

1.3 可再生能源供电

大部分水下设备均采用电池供电的方式维持一定时间段的连续电能供给，但此类设备由于功率小，仅仅能够维持单一功能的水下任务，尚未具备可提供持续的大功率供电能力的特征。随着可再生能源技术的发展和完善，海上可再生能源在未来可作为水下平台的电能供给来源。可再生能源式供电可以根据可再生能源的种类进一步细化为潮（海）流能、波浪能、太阳能、温差能等。

首先，潮（海）流发电具有经济、环保的优点，是潮汐能利用的一种新形式，也是近年来国际上可再生能源研究的热点之一。国际上利用海流进行发电的研究已有多年，从早期美国的潮（海）流发电装置“Coriolis”系统（1976年）到如今多家企业量产兆瓦级别的海流能发电机组。海流能利用获得了长足的发展。近年来，利用海流能建立水下平台的方案获得了青睐，通过搭建海流能发电机组，并直接为接驳的水下设备供电，可实现独立的水下供电平台，如加拿大的SEAformatics[18]，可提供数瓦至数十瓦的连续电能供给。

其次，波浪能以机械能形式出现，是品位最高的海洋能，其能流密度最大，分布最为广泛。波浪能研究获得了较为广泛的研究和应用，具有较强的理论和应用基础。而利用波浪能的水下平台也获得了初步的发展和应用。通过在移动载体或者浮标上装载波浪能发电装置，实现电能转换，并为接驳的设备供电[19]。如Waveglider，采用波浪能与太阳能混合驱动的方式，实现了对海洋的长期观测[20]。美国海军的水下观测系统AN/SSQ-101计划利用波浪能发电机来取代电池对它进行持续供电，大大提高了监测设备的使用时间。利用波浪能发电并应用在水下平台已经成为水下可再生能源利用的研究热点。

第三，太阳能是地球上最常见的可再生能源之一，是一种能量巨大、无污染、使用安全的能源，通过半导体物质将太阳辐射转化为电能，从而可为水下设备直接供电。在海洋环境，海面具有无遮挡、日照强烈的特点，太阳能储量充足，是太阳能获取较为理想的地带。国际上已有多种海面太阳能利用的先例，同时，太阳能获取技术在陆地系统获得了大量的应用，技术较为成熟，通过转化可以应用到海上。

第四，海洋不同深度具有较大的温差，不同温度层蕴含着巨大的温差能，通过提取该温差能，可获得极为可观的电能[21-22]。早在19世纪就已经有人考虑利用海水的温差发电，目前，美国、印度、日本等国都建有海洋温差发电站。然而，温差能利用困难，工程庞大，海洋温差发电站容易被台风和暴雨摧毁。此外，在水下热液口附近，同样具有温差，较大的温度梯度为温差能利用提供了较好的条件，可通过温差发电的方式在深海环境获取电能。目前美国海军正在资助两家公司进行深海热液发电的研究，美国海洋应用物理公司MAPC计划采用热电发电技术从热液口获取几百瓦至几千瓦的电能，可直接为水下传感器、无人潜器和其他水下自治设备供电。美国另一家公司Creare则采用基于朗肯循环的涡轮机进行发电，目前两种深海热液发电方案都还处于实验室研发阶段。

我国海洋技术起步较晚，作为最通用技术之一的海洋能源获取传输与管理技术基础较为薄弱，尚未形成完善的产学研模式。目前为止，在能源获取上，通过海缆为水下设备提供电能的方式刚刚通过了初步检验，开始进入长期试验阶段，仍需可靠性等方面的验证和研究[23-27]；在可再生能源利用上，海流能、波浪能、温差能等各种形式的海洋能源利用技术得到了空前的发展，部分技术已经进入了产业化和通用化阶段，并在国内外市场具有一定的竞争优势[28-33]。在能源传输与转换上，直流恒压的10 kV/10 kW等级的电能传输变换技术通过了浅海验证，取得了技术上的突破[34-35]，但技术应用尚未成熟，而在恒流和交流恒压的电能传输与变换技术上，国内基本上还是空白状态。在能源管理与控制上，小功率等级的技术在海洋监测上获得了大量的应用，但大功率等级的相应技术仍然处于研发阶段，水下能源的故障诊断与隔离技术取得了一定程度上的突破。上述工作为我国海洋监测事业的快速发展奠定了一定的基础，但仍需努力实现全面进步。

2 技术类别与差距分析

水下能源获取、传输与管理涉及多项技术内容，可细分为17项核心技术，如表1所示。

表1 “能源获取传输与管理开发技术”方向核心关键技术

能源获取、传输与管理研究开发技术方向围绕海洋能源获取技术、水下电能传输技术和水下电能管理技术遴选了17项核心关键技术。由于我国在该领域的研究起步较晚，技术上总体落后于领先国家10～15 a，仅有部分技术经过最近的“五年计划”的努力才得以缩小差距。比如，在水下潮流能研究与应用方面，美国在20世纪70年代就已经开展了大规模的研究并取得了显著的成果，目前领先国家已有多种产业化成果，而我国仍然处于研发阶段，距离大规模产业化应用仍然有距离，总体落后十数年；在水下高压直流电能变换控制及应用技术方面，领先国家在21世纪初就已经开展了研究应用，并在2007年开始在海底观测网上应用，而我国在2006年开始相关研究，目前相应成果刚刚取得了试验性成果，预计2015年获得海上应用，总体落后不到10 a时间。

3 我国未来发展趋势

能源获取、传输与管理技术在未来海洋技术中将占据重要地位。在国际上，缆系结构的能源获取方式及相应的传输和管理技术将成为近海海域能源供给的常规技术，新能源及可再生能源将占据较大的比重，并成为深远海海域的主要能源供给方式。各种能源获取、传输、管理技术将广泛应用在水下定点平台、水下移动平台等水下装备上。在国内，预计在未来5～10 a，能源获取技术得到进一步完善并形成产业，能源传输与变换将通过实验验证并走向产业化，电能管理技术逐步完善，形成标准体系，缩小与领先国家间的差距；预计在未来10～20 a，能源获取、传输与管理技术全面趋于完善，基本实现通用化和产业化，总体水平与领先国家基本一致。

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Review on the Power Acquisition,Transmission and Management of Marine Energies

YANG Can-jun,CHEN Yan-hu
State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control,Zhejiang University,Hangzhou 310027,Zhejiang Province,China

Power acquisition,transmission and management of marine energies are the key techniques for transparentizing the ocean.In this paper,the techniques of power acquisition,transmission and management around the world are analyzed and discussed through sorting the methods of power acquisition,with the pros and cons of each method studied.The core technology of each link is identified and resolved,and the gaps between domestic and oversea technologies are analyzed based on China's research status.Finally,this paper predicts the development trend in the sector of power acquisition,transmission and management in China.

underwater power acquisition;seafloor observation network;renewable energy;technological prediction

P743

A

1003-2029（2015）03-0111-05

2015-03-10

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2012AA09A402）

杨灿军（1969-），工学博士，教授，主要研究方向为海洋机电装备技术、智能穿戴式机器人技术。E-mail：ycj@zju.edu.cn