海洋能发电技术的比较与分析

□古云蛟上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

海洋能发电技术的比较与分析

□古云蛟
上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

海洋能主要包括潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、温差能、盐差能等，从各种海洋能发电技术的基本原理、技术特点以及应用现状等方面作了综合介绍，给出了海洋能发电技术应用与发展的方向。

当今世界能源短缺和环境污染等问题日益加剧，开发利用高效清洁能源成为迫在眉睫的重要任务。海洋能作为一种可再生的清洁能源，具有巨大的开发利用价值。海洋覆盖地球表面达到70%以上，地球接收来自宇宙的能量，大部分都以各种形式存储在海洋或海洋上空，并转化成海洋能。海洋也因蕴含着各种形式的海洋能而被认为是地球上最后的能源宝藏，海洋能种类繁多，主要包括潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、温差能、盐差能等［1］。

海洋能主要来源于太阳辐射和月球的引力。太阳辐射的不均匀致使地球大气流动产生风，从而使海洋表面产生波浪运动，形成波浪能；太阳照射海洋表面，太阳能被海水吸收，致使海水表层温度升高，从而形成海水表层与海水深部的温度差，形成温差能；在近海岸由月球引力引起的海平面相对于海岸升高形成的位能，称为潮汐能；由月球引力引起的有规则双向海水流动的动能称为潮流能；由风以及海水自身密度差等因素引起的海水非潮流的流动能，称为海流能。

海洋能是清洁可再生能源，世界各国越来越重视对海洋能的开发与利用，因此，海洋能发电技术得到了长足的发展。笔者对各种海洋能发电技术进行了系统的介绍，分析了未来海洋能发电技术的应用模式。

1 潮汐能发电

潮汐能是由月球和太阳等引力作用导致海水周期性涨落而产生的能量，利用潮汐能进行发电，其原理与水力发电类似，技术组成也基本相同，都是利用水的位能驱动水轮机进行发电。

潮汐能发电研究已有100多年的历史，英国、法国、加拿大和俄罗斯不少电站开发规划和设计论证已长达几十年。1966年，法国在希列塔尼米岛建成一座最大落差13.5 m、坝长750 m、总装机容量240 MW的郎斯河口潮汐电站，之后潮汐发电技术进入以大规模商业性生产为目的、降低造价为目标的科研论证阶段。潮汐发电技术是目前海洋能发电技术中运用最成熟的技术，潮汐发电有以下三种形式［2］：①单库单向发电，即落潮发电。涨潮时水库打开进行蓄水，等到落潮后用水库中水的势能驱动水轮机进行发电，浙江省温岭市沙山潮汐电站就是这种类型。②单库双向发电。用一个水库，但是涨潮与落潮时均可驱动轮机发电，只是在平潮时不能发电，广东省东莞市的镇口潮汐电站及浙江省温岭市江厦潮汐电站，就是这种类型。③双库双向发电。采用高低水位的两个水库，在两个水库之间布置发电机组，涨潮时上水库蓄满水，落潮时下水库放水，始终维持两个水库的水位差，这种方式不仅在涨落潮全程中都可以连续不断地发电，还能使电力输出比较平稳，浙江玉环县茅埏岛上的海山潮汐电站就是此种类型，双库双向发电原理俯视图如图1所示。

图1 双库双向发电原理俯视图

近几十年来，我国在潮汐发电技术的研究和开发方面做了许多工作，目前已有不少建成投运的潮汐电站，表1是国内外已建成的主要潮汐电站。

表1 国内外已建成的主要潮汐电站

2 波浪能发电

波浪能主要是由于海面上空的风、气压和水自身的重力等相互作用产生起伏运动，形成动能和势能，波浪能的大小与波高和周期有关，是一种能量密度低、不稳定、无污染、可再生、储量大、分布广的能源。目前波浪能发电的原理主要是利用物体或者波浪自身上下浮升和摇摆运动将波浪能转变为机械能，再将机械能转变成旋转机械（如水力透平、空气透平、液压电动机、齿轮增速机构）的机械能，然后再通过电动机转换为电能，也有一些波浪能发电装置是直接俘获波浪能驱动发电机进行发电。目前，世界上波浪能发电技术主要包括：振荡水柱（Oscillation Water Column，OWC）技术、筏式技术、摆式技术、振荡浮子（点吸收）技术、鸭式技术、波龙（The Wave Dragon）技术等，笔者主要介绍其中几种常见的技术。

2.1 OWC技术

OWC波浪能发电技术是利用空气作为介质，采用波浪压缩空气，经过喷管驱动空气透平，带动发电机进行发电的一种发电方式，如图2所示。该装置包含一个空气室，空气室下部开口在水下与波浪连通，空气室上部开口与大气连通，波浪上下振荡，作用空气室内的空气上，压缩空气往复通过喷管，将波浪能转换成空气的动能和压能，再驱动空气透平带动发电机进行发电，图3是澳大利亚500 kW OWC发电装置［3］。OWC技术的优点就是发电设备不与海水接

图2 OWC波浪能发电技术示意图

图3 澳大利亚OWC发电装置

触，耐腐蚀性好，安全可靠，方便维护，但是其转换效率相对较低。

2.2 筏式技术

筏式波浪能发电装置主要由相互铰接的筏体以及筏体之间的液压系统组成。筏体随波浪上下起伏运动，驱动液压泵，将波浪的动能转化成液压能，驱动液压电动机转动，从而带动发电机进行发电。目前，筏式发电技术应用比较成功的案例有：英国Cork大学和女王大学研究的McCabe波浪泵发电装置、苏格兰 Ocean Power Delivery公司的海蛇（Pelamis）波浪能发电装置。

图4为McCabe波浪泵发电装置，它由三个浮子线性铰接并与波浪方向一致，中间浮子结构较小，其下连接一个水下阻尼板，使中间附体运动幅度较小，从而增大前浮和尾浮与中间浮子的相对角位移，从而驱动液压电机去发电，发电功率可达到250～500 kW。图5为海蛇波浪能发电装置，该装置不仅允许浮子纵摇，也允许艏摇，因而减小了斜浪对浮体的负荷。该装置浮体为直径3.5 m的浮筒，利用相邻浮筒之间的角位移驱动液压泵，带动发电机进行发电，该装置的总装机容量为750 kW，总长150 m，置于水深50～60 m的海面上。

2.3 振荡浮子技术

图4 McCabe波浪泵发电装置

图5 海蛇波浪能发电装置

振荡浮子波浪能发电是一种点吸收式发电技术，这种装置的尺度与波浪的尺度相比很小，它是利用波浪的升降运动吸收波浪能。振荡浮子发电装置主要由浮子、绳索、直线发电机、弹簧等组成，如图6所示。目前，世界上建成的振荡浮子发电装置主要有英国的AquaBuoy装置、阿基米德波浪装置、Power-Buoy以及波浪骑士等［4］。

图6 振荡浮子发电装置示意图

3 潮流能和海流能发电

潮/海流能发电装置 （Tidal or Marine CurrentTurbine）不同于传统的潮汐能发电机组，它是一种开放式的海洋能捕获装置，该装置叶轮转速相对要慢很多，一般来说最大流速在2 m/s以上的流动能都具有利用价值，潮/海流能发电装置根据其透平机械的轴线与水流方向的空间关系可分为水平轴式和垂直轴式两种结构。

3.1 水平式发电系统

水平轴式潮流能发电装置具有效率高、自启动性能好的特点，若在系统中增加变桨或对流机构，则可使机组适应双向的潮流环境，这种结构兴起于最近十年，取得了较大的发展。英国Marine Current Turbine公司设计了世界上第一台大型水平轴式潮流发电机Seaflow，容量300 kW，并于2003年在Devon郡北部成功进行海上试运行。2008年，该公司第二阶段商业规模的1.2 MW双叶轮结构“SeaGen”发电机也在北爱尔兰Stanford港成功运行，如图7所示。3.2垂直式发电系统

图7 SeaGen结构示意图

垂直式发电系统顾名思义就是指轮机的转轴与海面垂直，海水流动驱动叶片，带动转轴垂直转动，从而驱动发电机发电。

加拿大Blue Energy公司在垂直式潮流发电装置设计方面技术较为成熟，著名的Davis四叶片垂直轴涡轮机就是该公司的产品，如图8所示。

4 温差能发电

海洋温差能是因为太阳辐射海面，造成海面与深海之间产生温差，这就提供了一个总量巨大且比较稳定的能源。海洋温差能发电（Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC）主要是利用海洋表面高温海水（26～28℃）加热工质，使之汽化以驱动汽轮机，同时利用深海的低温海水（4～6℃）将做功后的乏气冷凝，使之重新回到液体状态。海洋温差发电技术一般可以分为以下三类：开式循环、闭式循环、混合循环。

4.1 开式循环

图8 Davis四叶片垂直轴涡轮机

海洋温差能开式循环发电技术是利用海面表层温海水作为工质，当温海水进入真空室后，低压使之发生闪蒸，形成蒸汽，该蒸汽膨胀驱动低压汽轮机转动产生动力，从而驱动电机进行发电。开式循环中不断从海洋表层抽取温海水作为工质，闪蒸的蒸汽做功冷凝后又可作为淡水资源，如图9所示。

4.2 闭式循环

闭式循环发电系统中，采用氨水等低沸点工质，利用温海水与氨水在热交换器中产生热交换，使氨水蒸发产生不饱和蒸气，蒸气膨胀后驱动汽轮机进行发电。然后进入另一个热交换器与冷海水进行热交换，将氨蒸气冷凝成液体，减小汽轮机的背压，冷凝后工质被泵输送到蒸发器开始下一次循环，如图10所示。

图10 闭式循环示意图

4.3 混合式循环

混合式循环中既含有开式循环又含有闭式循环。其中，开式循环中温海水在真空室闪蒸成不饱和水蒸气，并穿过一个换热器后冷凝生成淡水，同时在换热器的另一侧安装一个闭式循环系统，利用温海水的热量加热闭环工质，产生不饱和蒸气，膨胀后驱动汽轮机，从而进行发电。做功后的乏气进入另一个换热器与冷海水换热冷凝，降低汽轮机的背压，并被泵送到蒸发器参与下一次循环。

5 盐差能发电

盐差能发电主要是利用各种河流入海口淡水与海水之间的浓度差，采用半透膜装置，将淡水与盐水分别隔离，使淡水不断渗透到盐水侧，直至两边浓度达到一致，此时盐水侧的水位高于淡水侧，再利用这个势差进行发电［5］，如图11所示。由于这种方法消耗淡水，而海洋热能转换电站却生产淡水，相比较而言，盐差能发电在战略上不可取，目前这项研究仍处在基础理论研究阶段，尚无实际的技术利用。

图11 盐差能利用原理图

6 海洋能发电综合分析

就目前的发展看来，在各项海洋能发电技术中，潮汐能发电技术最为成熟，已经进入到商业化运营阶段。并且我国海岸线长达18 000 km，有近200个海湾、河口等可开发潮汐能的地理环境。据估计，我国可开发潮汐能年发电总量达到60 TW·h，装机容量可达20 GW，但至今已开发利用的不足1%，具有巨大的开发潜力。波浪能、海流能的能量流密度相对最大，但目前波浪能和潮流能发电技术相对不够成熟，虽然有各式各样的能量利用方式，但总体上成本较高。温差能的优点是不仅可发电还可以产生淡水，特别适合一些岛上配备。实际中，由于潮汐能的利用需要建各种大坝，对环境的影响较大，而波浪能、海流能的利用则对环境影响较小，因而近年来国外在波浪能和海流能发电技术方面研究是最多的，发展也较快。

总而言之，各国都非常重视对包括海洋能在内的可再生能源的开发利用。尽管海洋可再生能源在我国的能源构成中所占的比例极小，但从发展的眼光来看，这是一种不可忽视的、很有前途的新能源。当前应该未雨绸缪，加强对开发利用海洋可再生能源技术研究的支持力度，制定相应的激励政策，促进海洋可再生能源发电技术的发展。就目前而言，海洋能发电技术总体上还是存在以下一些问题［6］。

（1）海洋能发电装置出力不平稳。海洋能发电多是不稳定的能量，受海洋能功率变化而变化，装置自身无法控制其自身出力情况。

（2）海洋能发电装置难以实现并网。这是由于海洋能发电装置发电不稳定造成的，海洋能发电的波动性和间歇性会对局部电网产生干扰，这进一步限制了海洋能发电产业化的进程。

（3）海洋能发电难以利用。由于海洋能发电不稳定以及难以并网这两大问题的困扰，使海洋能与实际负荷难以匹配，从而造成电力时而不足时而过剩。

（4）海洋能发电设备工作环境恶劣且难以维护。因各种海洋能发电装置的运行条件都比较恶劣，且海水具有腐蚀性，各种装置一旦出现故障维护很困难。

（5）海洋能发电转换效率较低。

以上这些问题严重阻碍了海洋能发电的商业化进程，要使海洋能的利用越来越广泛，既要不断发展优化海洋能发电装置，同时还要研究海洋能发电的利用模式。考虑到以上问题，可以将海洋能作为一种分布式能源，通过在沿海或者海岛建立智能微网，并将海洋能发电装置接入，与海上光伏、海上风电以及各种储能电池相结合，通过统一规划、协同调度，从而克服海洋能出力不稳定、难以并网等缺点，通过多能源互补实现海洋能的高效利用［7］。采用多种互补智能微网系统对海洋能进行综合利用，不仅可以在不扩大装置规模的情况下，提高发电功率，满足用户端的电力需求，而且在发电的同时，还可以利用海洋能进行海水淡化、制氢、制冰、提取重金属等，既降低了发电成本，又可以对海洋能发电的电能质量进行调节，确保海洋能发电的各项指标达到要求，从而对海洋能发电装置实现优化。

7 结论

笔者通过对各种海洋能发电技术进行介绍，了解各项海洋能发电技术的优缺点以及应用技术难点，掌握了海洋能利用技术的研究与发展方向，同时通过分析海洋能发电存在的问题，提出了利用智能微网多能互补的发电模式进行海洋能发电利用，从而突破限制海洋能发电技术发展的瓶颈，加快推进实现海洋能发电技术的商业化进程。

［1］游亚戈，李伟，刘伟民，等.海洋能发电技术的发展现状与前景［J］.电力系统自动化，2010，34（14）：1-12.

［2］许寅，王培红.潮汐能利用及江苏省潮汐能发展概况［J］.上海电力，2010（3）：188-190.

［3］Peter Meisen，Alexandre Loiseau.Ocean Energy Technologies for Renewable Energy Generation［R］.NewYork：Global EnergyNetwork Institute（GENI），2009.

［4］Leijon M，Danielsson O，etc.An Electrical Approach toWave Energy Conversion ［J］.Renewable Energy，2006，31（9）：1309-1319.

［5］王传崑.海洋能及其分类［J］.太阳能，2008（9）：17-18.

［6］邵萌.海洋能多能互补智能供电系统总体开发方案研究及应用［D］.青岛：中国海洋大学，2012.

［7］熊焰，王海峰，崔琳，等.大管岛多能互补独立供电系统总体设计研究［J］.海洋技术，2008，27（4）：78-82.

Ocean energy mainly includes tidal energy，wave energy，tidal current energy，ocean current energy，energy by thermal gradient，and energy by salinity gradient.Gived an integrated presentation on the basic principles of power generation technology by using a variety of ocean energies as well as their technical features and application status and explored the application and development directions in terms of ocean energy generation technology.

海洋能发电；潮汐能；波浪能；潮流能；智能微网

Ocean Energy Generation；TidalEnergy；Wave Energy；TidalCurrent Energy；Smart Microgrid

TK7

A

1672-0555（2015）04-069-06

2015年8月

古云蛟（1988-）男，硕士，工程师，主要从事分布式能源技术的应用研究