国际海洋能技术进展综述

麻常雷，夏登文，王 萌，张 多

（国家海洋技术中心，天津 300112）

战略研究

国际海洋能技术进展综述

麻常雷，夏登文，王 萌，张 多

（国家海洋技术中心，天津 300112）

在过去两年中，国际海洋能技术取得了重要进展。英国MeyGen潮流能发电场一期工程竣工，6 MW潮流能发电阵列并网发电，荷兰Torcado公司1.2 MW潮流能发电阵列并网发电，标志着国际潮流能技术开始迈向商业化应用。芬兰“企鹅”号1 MW波浪能发电装置在英国EMEC进行了3年多示范运行，澳大利亚Carnegie公司在英国康沃尔布放1 MW波浪能发电装置测试运行，以西班牙Mutriku、以色列Eco等为代表的小功率波浪能发电技术已实现并网运行。百千瓦级温差能示范电站运行良好，为兆瓦级电站建造积累了重要经验。分析国际海洋能技术现状及发展趋势，可为我国海洋能技术发展提供有益借鉴，有助于我国海洋能技术尽早实现产业化发展。

海洋能；进展；MeyGen；EMEC；FORCE

绿色清洁的海洋可再生能源（以下简称“海洋能”）具有巨大的开发利用潜力。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的一项研究报告表明，全球海洋能资源理论上每年可发电2 000万亿kWh，约为2008年全球电力供应量的100多倍。同时，海洋能资源的能量密度不高、分布不均匀，使其开发利用难度较大。近年来，随着英国、美国等海洋强国持续加大对海洋能技术研发应用及其示范的资金投入和政策支持力度，大型跨国能源和制造业巨头也开始进军海洋能领域，国际海洋能技术取得了一系列重要进展,世界最大的潮汐电站装机达254 MW，潮流能发电场（总装机398 MW）初期规模达6 MW，多个波浪能发电技术（最大1 MW）已开展多年示范运行，温差能发电及其综合利用即将开展兆瓦级工程建设。海洋能技术在边远海岛、深远海、海底等目标领域的供电及综合利用逐步成为现实。

1 国际潮流能技术进展

根据欧盟联合研究中心（JRC）发布的一份研究报告，国际潮流能技术以水平轴式为主（占七成以上），大多数涡轮机组具有可变速传动系统，且采用海底刚性结构安装。2015年之前，很少有潮流能机组并网运行的相关信息，更多的是以在英国EMEC、加拿大FORCE等海洋能试验场进行并网测试为主。目前，国际上已有数个单机兆瓦级机组实现并网发电，同时也有单机百千瓦级机组并网发电，从技术的工程实现来看，小装机容量潮流能技术适合安装于浅水海域，可有效降低开发成本和风险，促进技术累积和工程经验的获取，为下一步开发大功率机组奠定基础。但总体来看，随着兆瓦级潮流能技术的商业化进程加快，潮流能发电成本下降至有竞争力的水平将很快实现。荷兰1.2 MW潮流能发电阵列和英国MeyGen潮流能发电场6 MW发电阵列的成功并网发电，标志着国际潮流能技术迈向商业化应用。

1.1 荷兰Tocardo公司

2008年，荷兰启动三角洲工程，开始建造斯凯尔特河防风暴桥，以抵御北海风暴潮的侵袭，荷兰Tocardo公司承担了利用桥桩安装潮流能发电阵列的项目，2015年9月，Tocardo公司和Huisman公司联合布放了由5台T2涡轮机组集成在单一结构上的潮流能发电阵列，装置全长50 m、宽20 m、总装机1.25 MW，被安装到放风暴桥相邻两根桥桩上（见图1），该项目已为1 000户当地居民提供电力，成为国际上首个并网运行的潮流能发电阵列。

图1 T2涡轮机阵列布放到Eastern Scheldt防风暴桥

随后，Tocardo公司还在Afsluitdijk防风暴桥上安装了由3台T1涡轮机组集成在单一结构上的发电阵列，总装机300 kW。为在离岸应用，Tocardo公司正在研发半潜式潮流能发电阵列，由5台各300 kW机组构成，集成到U型浮体上，总装机1.5 MW，将于2017年底布放到加拿大FORCE试验场。

为持续优化T2技术，2017年，Tocardo公司先后将T2机组布放到英国EMEC和ORE Catapult测试中心开展测试。

1.2 英国Atlantis公司

2012年，英国Atlantis公司获准在英国彭特兰湾建设总装机398 MW的潮流能发电场，这是迄今为止世界最大的潮流能开发利用计划。

2015年1月，通过成立融资银团的方式，Atlantis公司与英国能源气候变化署、英国皇家财产局、苏格兰可再生能源投资基金（REIF）、国家电网公司等共同筹集5 000万英镑，开始启动MeyGen项目一期工程A阶段（装机6 MW），由一台Atlantis公司的AR1500涡轮机和三台挪威Andritz公司的HS1500涡轮机组成。

2016年4月，苏格兰水电配电公司完成岸基和水下配电网工程。2016年6月，岸基控制中心建成并网。经过德国Ravensberg工厂制造和总装后，3台HS1500机组分别于2016年11月至2017年1月完成海上布放。AR1500机组主机舱由美国洛克希德·马丁公司设计，在苏格兰Nigg能源产业园内总装后，在英国国家可再生能源中心（Narec）完成了动力系统测试（见图2），于2017年2月完成了海上布放。

图2 AR1500机组动力系统测试及总装

MeyGen项目一期工程A阶段自2016年11月并网发电以来，享受到英国ROCs（可再生能源义务制）政策的大力支持，获得该体系下最高的5ROC支持，即每发出1 MW·h电力便可获得5份ROC证书。截止到2017年3月底，该项目累计发电达到400 MW·h，满足了1 250个英国家庭用电，涡轮机的发电性能超过预期。2017年4月，由于第三方造成的意外停电事故导致AR1500涡轮机开启自动保护系统而停止运行，目前正在对AR1500涡轮机开展意外停电影响评估。

Atlantis公司在全球积极参与开发多个潮流能发电场。2016年4月，进军印尼建设一个150 MW潮流能发电场，目前已完成可行性研究，与国有电力公司Perusahaan Listrik Negara（PLN）达成为期25年的电力采购协议。

1.3 美国GE公司

2010年9月，英国TGL潮流能公司在EMEC布放了一台500 kW潮流能机组-Deepgen，到2012年3月，该机组累计发电200 MW·h。2013年，法国Alstom公司收购了TGL潮流能公司，在Deepgen技术基础上发展了1 MW涡轮机技术，2013年7月，该机组布放到EMEC并实现满发，到2014年11月底，累计发电量达到1 000 MW·h。2015年8月，该技术通过DNV-GL认证。2016年，美国GE公司收购了Alstom公司能源业务，在该技术基础上发展了1.4 MW的Oceade-18技术（见图3），转子直径23 m，水下电力节点可以同时连接4～16台涡轮机，输出电压高达33 kV。

图3 Oceade-18机组及水下电力节点

目前，法国政府选定Alstom和GDF Suez公司共同在Raz Blanchard建设潮流能发电场，将布放4台Oceade-18机组及一个水下电力节点，计划2017年底完成，将可满足5 000人用电需求。

1.4 法国DCNS公司

2006年开始，爱尔兰OpenHydro公司研发的250 kW空心贯流式潮流能机组Open-Centre在EMEC海试。2009年，在FORCE测试了1 MW型机组。2013年4月，法国DCNS集团控股（60%）了OpenHydro公司，继续研发2 MW型机组。

2004年，法国EDF公司获准在Paimpol-Bréhat建设潮流能发电场，2008年获得启动实质性工作，2011年8月，建造完成首台500 kW机组并开始测试，直到2016年1月，OpenHydro公司才成功布放首台直径16 m的涡轮机组，2016年5月布放了第二台机组，该潮流能阵列于7月成功并网。

2016年11月，由加拿大Emera公司和Open－Hydro公司联合成立的加拿大Cape Sharp Tidal公司，在FORCE布放了一台2 MW、直径16 m的Open-Centre机组，并实现并网（见图4），2017年将布放第2台机组。

DCNS公司积极布局全球潮流能开发利用。2016年初，被日本环境部选中作为纳鲁海峡潮流能涡轮机供应商，2017年开始2 MW机组制造，2018年完成在日本海域的布放。2016年11月，与印尼PT AIR公司签署合作协议，初步完成了开发选址，计划2019年布放首个10 MW潮流能发电场，中长期在印尼开发300 MW潮流能发电场。

1.5 英国Nova Innovation公司

苏格兰Nova Innovation公司与比利时ELSA公司合作在英国设得兰群岛Bluemull海峡获准建设3台Nova M-l00涡轮机组成的潮流能发电阵列。2016年3月，布放了首台机组，成为英国海域最早实现商业化并网发电的潮流能机组。2016年8月，布放了第2台机组，2017年2月，布放了第3台机组。

图4 Open-Centre在FORCE布放及并网

综上，国际潮流能技术已进入商业化应用。随着美国GE公司、法国DCNS公司、法国EDF公司等国际知名公司进入潮流能领域，国际潮流能技术产业化进程加快。对于潮流能资源丰富的海域，研发布放兆瓦级机组可有效降低单位发电成本。同时，百千瓦级机组既适合于浅水区安装，又可以在短期内实现潮流能发电阵列的应用，降低整个发电场成本，因此国际上也有较多公司致力于小功率潮流能机组研发。

2 国际波浪能技术进展

国际波浪能技术在近年来得到了迅速发展，但波浪能技术种类比较分散，尚未进入技术收敛期。尽管全球有不少波浪能发电装置进行了长期海试，但在恶劣环境下波浪能发电装置的生存性、长期工作可靠性、高效转换等关键技术问题仍然有待突破。例如2004年实现在EMEC实现并网的英国Pelamis Wave Power公司研制的Pelamis波浪能装置，以及2009年在EMEC实现并网的英国Aquamarine Power公司研制的Oyster波浪能装置，分别于2014年和2015年底由于技术迟迟无法商业化导致公司破产。但Pelamis在EMEC累计测试时间超过15 000 h，积累了大量的海试经验和教训，为其它波浪能装置研发和海试都具有重要借鉴意义，目前EMEC在苏格兰波浪能计划（WES）支持下，继续对Pelamis的部件性能在进行测试。

表1 主要潮流能技术对比

2.1 西班牙EVE公司

2011年7月，由西班牙EVE能源公司建设的Mutriku振荡水柱式波浪能电站建成并网运行（见图5），电站建于毕尔巴鄂北部Amintza的防波堤内，由16个气室组成，总装机296 kW，年均发电400 MW·h。每个气室内安装由VOITH公司生产的WELLS透平机组，透平直径为750 mm，额定功率18.5 kW，输出电压460 V，额定转速3 000 rpm。

图5 Mutrico电站及其WELLS透平机组

目前，该电站作为振荡水柱式波浪能发电技术测试场，拿出其中一个气室测试Oceantec的新式透平技术。

2.2 以色列EWP公司

2012年4月，以色列EWP公司在克里米亚半岛一处防波堤上安装了首个10 kW波浪能岸基电站进行测试。2014年1月，该装置完成测试运到以色列雅法港并网运行至今。

在欧盟区域发展基金支持下，2014年6月，公司与英属直布罗陀政府签署了5 MW波浪能发电场电力购买协议，可满足直布罗陀15%的电力需求。2016年7月，该发电场一期100 kW工程建成并网（见图6）。

图6 直布罗陀100 kW波浪能电站

2.3 澳大利亚Carnegie公司

澳大利亚 Carnegie Wave Energy公司研制“CETO”波浪能装置，采用大型水下浮子驱动，安装在水下25～50 m的深度，与安装海床上的涡轮泵组相连接，除了发电，“CETO”装置还能利用波浪能进行海水淡化，利用波浪能驱动海水淡化高压泵，海水受压流过渗透膜装置，转为可饮用的淡水（见图7）。

图7 CETO工作原理示意

2009-2011年，完成了200 kW“CETO 3”波浪能发电装置示范运行，最大发电功率203 kW，并可输送77 bar的高压海水。2016年11月，英国在康沃尔郡启动首座波浪能发电场的建造计划，计划到2020年完成15个Carnegie公司研制的“CETO6”1MW波浪能发电装置的安装，能满足6 000户家庭的用电需求。首台“CETO 6”现已开始制造，投资1 470万欧元，将于2018年底发电。

2.4 芬兰WelloOy公司

芬兰Wello Oy公司研发的“Penguin”波浪能发电装置，采用浮体船形式的设计，吸收波浪动能将其转化为船体内部活动部件的旋转运动，进而转换为电能，整个装置只有一个运动部件，且其位于船体内，有效避免了海生物附着及海水腐蚀等问题，可有效降低维护成本。

2012年，“Penguin I”（1MW）在EMEC进行了3年的并网测试。2017年3月，在CEFOW（海洋清洁能源）项目的支持下，该装置被运到位于英国Cornwall的Wave Hub试验场开展示范运行。

综上，国际波浪能技术基本处于示范运行阶段，可靠性、生存性等关键技术仍是制约波浪能技术发展的瓶颈，而且现有波浪能发电装置基本安装在近岸海域运行，尚未到波浪能资源更好的离岸 6 km以远开展示范运行。同时，以西班牙Mutriku、以色列Eco等为代表的小功率波浪能发电技术实现并网运行，将为波浪能技术的进一步发展积累重要的运行经验。

3 国际温差能技术进展

近年来，日本、美国、印度等国建造了几个百千瓦级温差能发电及综合利用示范电站，取得了较好的运行效果，为兆瓦级电站建造积累了重要经验，法国、美国、韩国等国已经启动了兆瓦级温差能电站建设。

表2 主要波浪能技术对比

3.1 美国Makai公司

2015年8月，在美国海军研究办公室和海军设施工程司令部资助下，Makai海洋工程公司制造的100 kW闭式循环海洋温差能转换装置在夏威夷自然能源实验室正式启动，成为美国首个并网的温差能电站，可以满足夏威夷120户家庭年用电需求（见图8），目前上网电价约19美分/kWh，剩余电能出售产生的收益将用于温差能技术的发展和研究。Makai公司最终目标是研建100 MW温差能电站。3.2日本IHI公司

图8 MAKAI 100 kW温差能电站

2013年，日本IHI工程公司与Xenesys公司和横河电机公司合作在日本冲绳岛的久留岛建成50 kW示范电站（见图9），该技术是基于日本佐贺大学30 kW温差能示范电站技术，为温差能技术商业化奠定了基础。

图9 冲绳50 kW温差能电站

此外，印度于2012年在米尼科伊岛（Minicoy）建造了日产淡水约100 t的温差能海水制淡示范电站，韩国海洋科学与技术研究所于2013年建成20 kW温差能试验电站，法国DCNS公司正在塔希提开展10 MW温差能电站建设可行性研究。总体来看，国际温差能技术仍处于核心技术突破阶段，其冷水管技术、平台水管接口技术、热力循环技术以及整体集成技术等方面仍存在一定问题。温差能发电要突破高发电成本的制约，需要向十兆瓦甚至百兆瓦电站规模发展，同时利用其在海水淡化、制氢、空调制冷、深水养殖等方面的综合利用优势。

4 我国海洋能技术发展建议

我国海洋能资源总量较为丰富，分布较广，种类齐全，但各类型资源不均，多个类型资源的品质不高。近年来，在相关部门支持下，尤其是财政部与国家海洋局联合设立的海洋可再生能源专项资金的积极推动下，我国海洋能技术取得了较快发展，为工程化应用奠定了坚实科技基础，积累了重要的工程经验。

潮流能技术方面，以LHD-1000垂直轴技术和浙大半直驱水平轴技术为代表的国内技术，基本具备国际先进水平。针对我国近海潮流能资源状况，发展单机百千瓦级技术，多机组兆瓦级集成工程化应用是更好的选择。

波浪能技术方面，以鹰式漂浮式技术为代表的国内技术，示范运行效果较好，初步具备国际先进水平。需要积累更多的运行经验，为向离岸更远海域布放应用奠定基础。同时，也可考虑适当发展岸基波浪能技术，工程风险相对低，有望实现波浪能并网运行的突破。

温差能技术方面，国内温差能发电技术在循环效率等方面处于国际先进水平，缺乏示范工程应用经验，需要在南海尽快开展百千瓦级甚至兆瓦级温差能示范电站建设。此外，在温差能制冷、制淡、深海养殖等综合利用方面，也有较大发展潜力。

[1]夏登文，康健.海洋能开发利用词典[M].北京：海洋出版社，2014.

[2]夏登文.“十三五”海洋可再生能源开发利用战略研究[M].北京：海洋出版社，2017.

[3]Carbon Trust.TechnologyInnovation Needs Assessment Marine Energy:SummaryReport[R].2012.

[4]European Commission.“Blue Energy:Action Needed to Deliver on the Potential of Ocean Energy in European seas and oceans by 2020 and beyond”.2014.

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[6]JeffreyH.European Arrays and ArrayResearch[C]//The 6th Annual Global Renewable EnergyConference,2013.

[7]Brochard E.DCNSRoadmap on OTEC,The International OTECSymposium.2013.

[8]UpshawC R.Thermodynamic and Economic Feasibility Analysis ofa 20 MW Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC)Power Plant, 2012.

[9]IRENA.Ocean EnergyTechnologyReadiness,Patents,Deployment Status and Outlook[R].2014.

[10]IPCC.Special Report Renewable EnergySources[R].2011.

Review on the Progress of Marine Renewable Energy Technologies in the World

MA Chang-lei,XIA Deng-wen,WANG Meng,ZHANG Duo
National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

During the last couple of years,there has been some renewed intelligence in marine renewable energy (MRE)development in the world.For tidal current energy,the phase 1 A(6 MW)of MeyGen project connected to the grid in Feb 2017 and had generated more than 400 MWh by the end of Mar 2017.The 1.2 MW tidal array (5×250 kW)deployed by Torcado company had been integrated into the grid since Sep 2015.In a word,tidal current technology has reached TRL 9 across the globe.For wave energy,the Penguin I has been tested in EMEC in the UK since 2012 and has been operational in Wave Hub since Mar 2017.CETO 6 wave device was selected to build the first wave energy plant in UK.Meanwhile,the Mutriku OWC plant in Spain and Eco Gibraltar plant have demonstrated the feasibility of the 10 kW level wave energy technologies.The demonstration plant of a 50 kW OTEC pilot project has been in operation in Japan since 2013.A 100 kW OTEC pilot plant built by Makai Ocean Engineering has been in operation in the USA since Aug 2015,which would provide essential experience for constructing MW plants.The analysis on the status and trend of MRE technology development in the world would provide a useful reference for the industrialization of MRE technologies in China.

marine renewable energy(MRE);progress;MeyGen;EMEC;FORCE

P74

A

1003-2029（2017）04-0070-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.013

2017-03-08

海洋可再生能源专项资金资助项目（GHME2017ZC01，GHME2016ZC01，GHME2016ZC02，GHME2016ZC03）

麻常雷（1980-），硕士，高级工程师，主要从事海洋技术战略研究。E-mail：notcmachanglei@163.com