（上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306）

海洋潮流能發(fā)電裝置綜述

王世明，任萬超，呂超

（上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306）

介紹了國內(nèi)外潮流能發(fā)電裝置發(fā)展情況，從裝置類型、工作原理和實(shí)際應(yīng)用等方面進(jìn)行了概括和綜述，對比了不同類型潮流能發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)和載體形式的技術(shù)特點(diǎn)，評述了當(dāng)前潮流能開發(fā)中存在的主要問題及未來的發(fā)展趨勢，指出了當(dāng)前國內(nèi)潮流能發(fā)電裝置的研究與國外仍有一定差距，缺少規(guī)?；?，商業(yè)化。

可再生能源；海洋能；潮流能；潮流發(fā)電裝置

能源是為人類的生產(chǎn)和生活提供各種能力和動(dòng)力的物質(zhì)資源，是國民經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，未來國家命運(yùn)取決于能源的掌控。而目前社會(huì)主要依賴于傳統(tǒng)能源，比如煤、石油、天然氣等礦產(chǎn)資源（科技部，2007）。英國石油（BP）2010年全球能源統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，已探明的全球能源儲(chǔ)量按目前的開采速度計(jì)算，石油儲(chǔ)量可供生產(chǎn)40多年，天然氣和煤炭分別可供67年和164年。伴隨著礦產(chǎn)資源的開采利用，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，臭氧層空洞、溫室效應(yīng)、霧霾是當(dāng)前人民不得不面對的問題，人們逐漸把目光投向了海洋可再生能源。

潮流能是海洋能中的一種，指海水流動(dòng)的動(dòng)能，主要是指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的流動(dòng)以及由于潮汐導(dǎo)致的有規(guī)律的海水流動(dòng)。潮流能的能量與流速的平方和流量成正比。相對波浪而言，潮流能的變化要平穩(wěn)且有規(guī)律得多，潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向（Battena et al，2008）。一般說來，最大流速在2 m/s以上的水道，能均有實(shí)際開發(fā)的價(jià)值。海洋能的儲(chǔ)量，按粗略的估計(jì)，全球潮流能蘊(yùn)藏量約50億kW，風(fēng)能約10億kW，波浪能約25 kW（游亞戈等，2010），可見如果充分開發(fā)利用潮流能，對國家能源需求將有重大意義。相比于潮汐能發(fā)電轉(zhuǎn)換技術(shù)，潮流能還不是很成熟（李鳳來 等，2000；李允武，2008）。但是隨著國家政策的支持和引導(dǎo)，海洋可再生能源的利用取得了長遠(yuǎn)的發(fā)展，海洋潮流能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)多種多樣，發(fā)電效率、裝機(jī)容量呈現(xiàn)出高效率、大容量的發(fā)展趨勢。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已發(fā)表諸篇文章介紹目前的潮流能發(fā)電裝置的工作原理和結(jié)構(gòu)（Wilson et al，1983；趙龍武等，2009；張亮等，2013；Hou et al，2015），本文通過分析目前國內(nèi)外的典型結(jié)構(gòu)，通過裝置的工作原理進(jìn)行分類，對比各類型裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，指出當(dāng)前遇到的主要問題，并對將來的發(fā)展趨勢做出展望。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)，海洋可再生能源的研究呈現(xiàn)出迅速發(fā)展的勢態(tài)。有關(guān)海洋潮流能的各種裝置、理論層出不窮，尤其是在能源緊缺的現(xiàn)在，更顯突出。本文僅就國內(nèi)外典型潮流能裝置及其技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用情況進(jìn)行綜述。

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外關(guān)于潮流能技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)眾多。下圖為國外主要研究機(jī)構(gòu)的分布（圖1），英國、美國的研究機(jī)構(gòu)相比其他國家相對較多，下面介紹主要的潮流能發(fā)電的典型裝置。

圖1 潮流能研發(fā)機(jī)構(gòu)分布情況

1.1.1 英國潮流能發(fā)電裝置

英國MCT（Marine Current Turbine）公司是最早從事潮流能研究的機(jī)構(gòu)之一，開展了一系列計(jì)劃研究，站在技術(shù)最前沿。該公司與不同的科研機(jī)構(gòu)合作，實(shí)踐了一種叫Seaflow的試驗(yàn)設(shè)備（圖2a），2003年在英國的Bristol海峽試驗(yàn)成功。這種設(shè)備的基本原理和風(fēng)電相類似，也是利用葉片在流動(dòng)液體中轉(zhuǎn)化能量的模式來發(fā)電。首先，在合理的海域，漲落潮最高流速可達(dá)3 m/s的海域，建立基柱，在基柱上安裝可上下調(diào)節(jié)位置的發(fā)電設(shè)備箱，以方便在不同潮位的時(shí)候可使葉片處在最優(yōu)流速區(qū)域，同時(shí)，葉片是可以180°旋轉(zhuǎn)的，這樣在漲潮和退潮時(shí)都可以發(fā)電。這個(gè)設(shè)備在實(shí)際測試的時(shí)候只有300 kW的裝機(jī)容量，之后他們又開發(fā)了第一臺MW級潮流能發(fā)電裝置SeaGenS（圖2b）已經(jīng)實(shí)際建立在1.2 MW的應(yīng)用型設(shè)備上了。國際上生產(chǎn)和研究潮流能設(shè)備的公司還不多，能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)的只有MCT。它的主要產(chǎn)品系列從最早期的300 kW的Seaflow到量產(chǎn)型的SeaGenS系列，再到現(xiàn)在正在研發(fā)適應(yīng)深水的3MW裝置SeaGenU（圖3c）。該公司在英國受到的各方面的資源支持：大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新支持；英國能源部也對該公司的產(chǎn)品進(jìn)行了政策的支持?，F(xiàn)在MCT公司的兆瓦系列產(chǎn)品已經(jīng)在英國的海岸線上開始運(yùn)行了。

圖2 英國MCT公司系列裝置

英國Scotrenewables Tidal Power公司在2011年發(fā)明了SR250原型機(jī)，是世界上第一個(gè)漂浮式水輪機(jī)（Khan et al，2009），能夠產(chǎn)生250 kW的電能。它的結(jié)構(gòu)是在一個(gè)漂浮的浮體下方懸掛兩個(gè)水輪機(jī)（圖3），創(chuàng)新型的設(shè)計(jì)了特殊的90°收放水輪機(jī)的裝置以降低系統(tǒng)安裝和維護(hù)成本，浮體由系泊系統(tǒng)通過錨鏈連接，裝置整體隨流自動(dòng)換向。250 kW SR250于2011年3月至2012年10月完成了測試。2015年，計(jì)劃投放2 MW的SR2000，它減小了整個(gè)發(fā)電過程中的成本，計(jì)劃可以服役20年，另外由于具有了更加靈活的系泊系統(tǒng)，裝置可以安裝在任何大于25 m的水域。SR2000長度64 m，浮體最大直徑3.8 m，轉(zhuǎn)子葉片直徑16 m，最大轉(zhuǎn)速16rpm，輸出電壓6.6kV/11kV，輸出頻率50Hz。

圖3 英國Scotrenewables公司“SR250”

英國SMD Hydrovision公司TidEL采用懸浮式支撐方案，雙轉(zhuǎn)子水平軸水輪機(jī)半潛在水下運(yùn)行，轉(zhuǎn)子葉片直徑15 m，在2.3 m/s流速下總功率1 MW（圖4），系泊系統(tǒng)可以使其自動(dòng)跟隨潮流方向而無需轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)?？梢园惭b在深海，適用水深大于30 m的海域。裝置維護(hù)時(shí)可以通過遠(yuǎn)程操控錨鏈的伸長來漂浮到海面，降低維護(hù)成本。1/10模型已在Blyth進(jìn)行了測試，成功的解決了波浪和潮流的擾動(dòng)。全尺度模型 1MW的 TidEL于 2006年在Orkney進(jìn)行了為期一年的測試。

英國Engineering Business（EB）公司“Stingray”（圖5）通過潮流驅(qū)動(dòng)的水翼型葉片的上下振蕩發(fā)電，潮流使支臂來回振蕩。支臂迫使液壓缸伸縮，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。Stingray可以適應(yīng)雙向潮流，液壓系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。2002年8月，第一臺150 kW原型機(jī)在英國設(shè)得蘭群島附近的耶耳海峽進(jìn)行了試驗(yàn)。

圖4 英國SMD Hydrovision公司“TidEL”

圖5 英國EB公司“Stingray”

1.1.2 意大利潮流能發(fā)電裝置

意大利Ponte di Archimede（PdA）公司Kobold裝置采用漂浮式垂直軸直葉片變槳水輪機(jī)方案（圖6），2002年安裝在在墨西拿海峽運(yùn)行，容量120 kM，由4組尼龍錨繩和水泥重塊固定與海床。3葉片葉輪直徑6 m，葉片長5 m，弦長0.4 m；載體體呈圓形（直徑10 m），甲板上方六角形機(jī)艙內(nèi)放置齒輪箱、發(fā)電機(jī)和電控系統(tǒng)。后期，在浮體上安裝了6 kM的太陽能裝置，鋪設(shè)了海底電纜，上岸并網(wǎng)發(fā)電，這是世界上第一個(gè)接入電網(wǎng)的垂直軸潮流能電站，計(jì)算得水輪機(jī)一級能量利用率系數(shù)約0.23。

圖6 意大利PdA公司“Kobold”

1.1.3 其他國外典型裝置

愛爾蘭OpenHydeo公司Open Ventre裝置（圖7）采用中空葉柵結(jié)構(gòu)，葉片連接直驅(qū)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，導(dǎo)流罩和轉(zhuǎn)子連接。保證了其自啟動(dòng)流速較低。安裝在海底，對海上航運(yùn)不會(huì)造成干擾。2008年底計(jì)劃潮流示范發(fā)電站項(xiàng)目，安裝4臺裝置在Brittany海域。于2011年安裝第一臺（直徑16 m，重量850 t，水深35 m）進(jìn)行測試。

圖7 愛爾蘭OpenHydeo公司“Open centre”

挪威ANDRITZ HYDRO Hammerfest公司首先研制了300 kW的HS300坐底式三葉片水平軸潮流能裝置（圖8），其具有自動(dòng)對流功能，葉片長10m，支撐結(jié)構(gòu)重200 t。安裝在芬馬克的克馬爾松50 m深的海底，經(jīng)過了研發(fā)、生產(chǎn)、回收、維護(hù)等環(huán)節(jié)證明了裝置的可靠性和高效性。HS1000是MW級的產(chǎn)品，2011年10月被安裝在奧克尼群島的潮流能測試站，截止到2015年3月4日已經(jīng)產(chǎn)生超過1.2 GWh的電量。

圖8 挪威ANDRITZ HYDRO Hammerfest“HS300”

美國Gorlov Helical Turbine公司GHT垂直軸螺旋式葉輪機(jī)（圖9）三片螺旋形的葉片構(gòu)成（Kamoji et al，2008），螺旋葉片具有運(yùn)行平穩(wěn)，啟動(dòng)力矩大，自啟動(dòng)速度小的特點(diǎn)，但是阻力比較明顯。2002年進(jìn)行了1.5 kW模型試驗(yàn)，直徑1 m，葉片弦長140 mm，螺旋角67°，葉輪高2.5 m，額定流速1.5 m/s。美國的Ocean Renewable Power公司把水輪機(jī)橫向旋轉(zhuǎn)90°，可以抵消軸向力，提高效率。

圖9 美國Gorlov Helical Turbine公司“GHT”

以上分析了比較有代表性的研究機(jī)構(gòu)的不同類型的典型發(fā)電裝置，根據(jù)收集的資料，現(xiàn)繪制主要水平軸水輪機(jī)的情況如表1所示。

表1 水平軸水輪機(jī)現(xiàn)狀

由表1可知，國外水平軸水輪機(jī)設(shè)計(jì)半徑為5～20 m，隨著水深的增加，半徑增大。流速一般集中于1.8～2.5 m/s，葉片數(shù)為2、3和5之間，輸出功率最小為120 kW，最大為2 MW。其中水平軸水輪機(jī)由于其效率高，技術(shù)成熟受到各國的追捧。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國潮流能發(fā)電的研究始于舟山的一對漁民父子，他們利用漁船用螺旋槳葉片作為能量采集裝置，安裝在漁船尾部收集潮流的能量，通過多次試驗(yàn)，最終得出在3 m/s的潮流時(shí)，發(fā)電5.7 kW。國內(nèi)的科研院所對潮流能研究比較早的是哈爾濱工程大學(xué)朱典明教授，從1982年開始帶領(lǐng)課題組先后研究出了40 kW的“萬向I”和70 kW的“萬向II”。

“萬向I”40 kW—裝置采用漂浮式雙轉(zhuǎn)子垂直軸直葉變槳水輪機(jī)方案（圖10a）。雙鴨艏式船型載體（長18 m，寬9 m）搭載水輪機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、液壓和控制等設(shè)備置于艙內(nèi)；錨系由4套重塊、錨鏈和浮筒組成；2臺直徑2.5 m的可調(diào)角4葉擺線式轉(zhuǎn)輪增速后驅(qū)動(dòng)液壓泵，液壓控制調(diào)速后液壓馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，具有蓄電池充電、并網(wǎng)控制和保護(hù)功能。2002年4月安裝于岱山縣龜山水道測試運(yùn)行，流速2.5 m/s時(shí)發(fā)電功率25 kW （張亮等，2009）。

圖10 哈爾濱工程大學(xué)“萬向I”（a）和“萬向II”（b）

“萬向II”70 kW一裝置采用坐底式雙轉(zhuǎn)子垂直軸直葉變槳水輪機(jī)方案（圖10b）。載體呈雙導(dǎo)流箱形（外形6.5 m×6.5 m×4.5 m，重60 t），沉沒于水下6腿座底，依重力摩擦固定，增速器與發(fā)電機(jī)密封于機(jī)艙中，彈簧控制葉片H型雙轉(zhuǎn)承直徑2.5 m）置于導(dǎo)流箱中，裝置具有潛浮功能便于維護(hù)。電控系統(tǒng)置于岸上，海纜輸電為燈塔獨(dú)立供電。2005年12月，安裝于岱山縣小門頭水道測試運(yùn)行（張亮等，2005）。

自從2000年之后，投身到潮流能發(fā)電領(lǐng)域的單位越來越多，東北師范大學(xué)、中國海洋大學(xué)、浙江大學(xué)等單位都研究出了不同形式的樣機(jī)并進(jìn)行了海試，主要類型集中在垂直軸、水平軸；漂浮式、懸浮式、坐底式等類型樣機(jī)的研究，發(fā)電效率也從100～600 kW不等，為我國潮流能發(fā)電項(xiàng)目積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

中國海洋大學(xué)研究的柔性葉片式潮流能發(fā)電裝置（圖11a），采用創(chuàng)新性的柔性葉片方案，基于帆翼原理，采用三角形葉形，利用升阻力獲能，自啟動(dòng)力矩大，葉片制作簡單、成本低。葉輪直徑為1.3 m，總高為1.5 m。2008年12月在齋堂島水道進(jìn)行系泊測試（趙龍武等，2008；王樹杰，2009）最終獲得5 kW的發(fā)電功率。

圖11 中國海洋大學(xué)5 kW裝置和50 kW裝置

中國海洋大學(xué)為中海油研制的50 kM裝置，采用坐底式水平軸變槳距葉輪發(fā)電機(jī)方案（圖11b）。三腿重力式底座支撐水輪發(fā)電機(jī)組，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。3葉片葉輪直徑10.5m，整體18m×12m×17.5m。至2013年7月，2臺50 kW已完成岸上組裝，8月已安裝于青島市齋堂島海域，通過1 kM海纜上岸接人中央控制室500 kW多能互補(bǔ)獨(dú)立電力系統(tǒng)（王樹杰等，2013）。

通過以上分析國內(nèi)外的發(fā)電裝置，可見國內(nèi)開展潮流能發(fā)電研究的時(shí)間較晚，結(jié)構(gòu)種類不全面，主要集中在水平軸和垂直軸結(jié)構(gòu)。國外除了水平軸和垂直軸結(jié)構(gòu)，還有振蕩型（如英國EB公司“Stingray”）等其他多種類型。另外從發(fā)電效率方面比較，國外（以英國MCT公司為代表）生產(chǎn)出MW級裝置，并進(jìn)行了商業(yè)化，我國由于發(fā)電效率較低，發(fā)電成本高，尚不能得到商業(yè)化發(fā)展。目前由于國家重視，相應(yīng)政策的大力扶持，潮流能發(fā)電領(lǐng)域也得到蓬勃發(fā)展，但是依舊缺乏規(guī)?；蜕虡I(yè)化，主要是科研院所和高校在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究，和企業(yè)對接較少，這是我國潮流能發(fā)電領(lǐng)域下一步的發(fā)展方向。

2 潮流能發(fā)電裝置工作原理及其分類

潮流能發(fā)電裝置是將海洋潮流動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，由獲能裝置（水輪機(jī)）、海上支撐載體或系泊系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、電能變換與控制系統(tǒng)、電力傳輸與負(fù)載系統(tǒng)等5個(gè)子系統(tǒng)組成。

根據(jù)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)軸與水流方向是否平行可以分為水平軸式葉輪（如英國MCT公司系列裝置）、垂直軸式葉輪（如意大利PdA公司“Kobold”）、振蕩式（如美國Gorlov Helical Turbine公司“GHT”）和其他方式等（李允武等，2008）；根據(jù)支撐載體的固定形式不同，又可以分為樁基式（如英國MCT公司系列裝置）、坐底式（如挪威 Andritz Hydro Hammerfest“HS300”）、懸浮式 （如英國SMD Hydrovision公司“TidEL”）和漂浮式（如英國Scotrenewables公司“SR250”）；另外按照是否有導(dǎo)流罩又分為有導(dǎo)流罩式和無導(dǎo)流罩式。

2.1 獲能裝置

2.1.1 水平軸式葉輪原理

水平軸式潮流能水輪機(jī)是指葉輪的旋轉(zhuǎn)軸與水流方向平行而得名。其工作原理是：當(dāng)垂直于水流方向的葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的升力和轉(zhuǎn)矩，從而將水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成葉輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，通過主軸和傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能。但是由于水流的不穩(wěn)定因素導(dǎo)致輸出的電壓也是不穩(wěn)定的，所以后續(xù)還需要穩(wěn)壓，變頻處理后接入電網(wǎng)。水輪機(jī)葉片一般是按照定槳距均勻分布，這樣結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，但是缺點(diǎn)是不能高效的收集海水的動(dòng)能。哈爾濱工程大學(xué)提出的變槳葉輪結(jié)構(gòu)，適應(yīng)不同流速的工況，進(jìn)而提高水輪機(jī)的一級利用率，但是需要根據(jù)具體海況計(jì)算出相應(yīng)的葉輪分布規(guī)律，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2.1.2 垂直軸式葉輪工作原理

垂直軸式潮流能水輪機(jī)是指葉輪的旋轉(zhuǎn)軸與水流方向垂直而得名。工作原理是：葉輪旋轉(zhuǎn)軸垂直于水流方向，葉片均勻分布在輪轂上，在水流作用下產(chǎn)生升力、阻力和轉(zhuǎn)矩用于驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，主軸驅(qū)動(dòng)齒輪箱傳動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。垂直軸水輪機(jī)可分為升力型、阻力型和升阻力混合型，葉片有直葉型或彎曲葉型，還可設(shè)計(jì)成變槳距或固定槳距兩種結(jié)構(gòu)，葉片變槳有主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式。固定槳葉輪結(jié)構(gòu)簡單可靠，但啟動(dòng)力矩小，可變槳葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但啟動(dòng)性能優(yōu)良。

綜上所述，水平軸葉輪效率高，變槳距效率更高；自啟動(dòng)力矩大；啟動(dòng)速度低。缺點(diǎn)是葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜；需要轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向以適應(yīng)潮流能雙向性的特點(diǎn)；發(fā)電機(jī)需要放置在水下，密封困難，成本高。垂直軸葉輪葉片簡單，安裝方便；因其無論那邊來流，其受力是一樣的，因此不需要轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；另外可以把發(fā)電機(jī)放置于水面之上，進(jìn)而減少密封難度，降低成本；由于轉(zhuǎn)速較低，不易發(fā)生空化現(xiàn)象。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率比較低，葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中受到的載荷呈現(xiàn)升阻力交替變化，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高。

2.2 支撐載體分類

潮流發(fā)電裝置支撐載體有固定式，漂浮式和懸浮式3種方式，其中固定式又可細(xì)分為樁基式和坐底式。坐底式載體分為基礎(chǔ)部分和支撐結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)放在海床使用重物或自重來固定，如果海底情況復(fù)雜，還需要進(jìn)行平整工作。優(yōu)點(diǎn)是海底流速穩(wěn)定，裝置穩(wěn)定性較高，另外對海面船只的航行不會(huì)造成影響，但是海底流速雖然平穩(wěn)，但是相對海平面還是較低。由于坐落于海底，無論是安裝還是回收維修都具有一定的困難。樁基式載體由樁和基礎(chǔ)組成，樁打入海底固定，通常有單樁、多樁結(jié)構(gòu)。水輪機(jī)系統(tǒng)可以沿著樁而升降，便于維護(hù)，由此確定了樁基式的適用海域范圍較淺，當(dāng)大于30 m時(shí)成本會(huì)很高。漂浮式載體由系泊系統(tǒng)固定于海床，獲能裝置（水輪機(jī)系統(tǒng)）漂浮于海平面上，可以較好的利用表層的水流；在海流作用下可以產(chǎn)生6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定性較差，但是不需要轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，因此整體結(jié)構(gòu)簡單；由于漂浮于海平面，所以在維護(hù)、移動(dòng)和回收等方面較方便。懸浮式和漂浮式形式類似，不過獲能裝置一般懸浮于海水中，具體位置需要依據(jù)具體的海域流速分布來確定，穩(wěn)定性較漂浮型支撐好，可以抵御一定的臺風(fēng)。

3 潮流能開發(fā)困難

我國潮流能開發(fā)目前遇到的最大的問題是成本較高和海域流速相對大西洋沿岸較低等。成本高是由于發(fā)電量少，結(jié)構(gòu)安裝、維護(hù)成本高導(dǎo)致。流速較低和裝置的不穩(wěn)定性導(dǎo)致發(fā)電效率不理想進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電量少。潮流能開發(fā)存在的主要問題如下。

3.1 效率

影響潮流能發(fā)電裝置葉輪效率的因素有很多：葉輪葉型的選擇、葉輪整體支撐機(jī)構(gòu)、導(dǎo)流罩的選擇，另外還有海洋流速分布不均勻、不穩(wěn)定、海洋生物附著等環(huán)境問題也不容小覷。流速不均勻時(shí)，對于水平軸葉輪由于葉輪的外形使流速比較均勻，而垂直軸由于是直葉片，導(dǎo)致每一葉片流速均不同，進(jìn)而影響發(fā)電效率。然而水流不穩(wěn)定是難以避免的，但是可以通過加裝導(dǎo)流罩來降低流場的大渦湍動(dòng)，使葉輪流場環(huán)境得以改善，系統(tǒng)運(yùn)行更為平穩(wěn)。海洋生物的附著會(huì)引起流場的紊亂，加重葉輪的自重造成旋轉(zhuǎn)速度降低，效率下降。

3.2 可靠性

當(dāng)潮流能發(fā)電裝置遇到大的風(fēng)浪時(shí)就要考慮裝置的可靠性問題，能夠抵抗幾級風(fēng)浪，這都是目前面對的問題。另外還有受到海水腐蝕和海水泥沙導(dǎo)致的葉片利用海水能量的效率降低的問題，這些都是關(guān)乎裝置可靠性的問題。風(fēng)浪可以導(dǎo)致裝置發(fā)生形變、震動(dòng)，使能量利用率降低，如果嚴(yán)重，還可能損壞裝置；海水腐蝕和海洋生物附著會(huì)加快裝置的疲勞損壞，因此需要研究抗腐蝕的材料和驅(qū)逐海洋生物的機(jī)構(gòu)以減小他們的影響，提高裝置可靠性。懸浮式和坐底式都是可以有效地減小風(fēng)浪對裝置的影響，因此壽命也相應(yīng)的比漂浮式的長。然而，裝置安放的越深，能流密度越小，泥沙越嚴(yán)重，密封越復(fù)雜，故裝置選型需統(tǒng)籌考慮效率、可靠性及水深等因素。

3.3 經(jīng)濟(jì)性

潮流能發(fā)電裝置的成本主要包括裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造、安裝和設(shè)備維護(hù)。其中裝置結(jié)構(gòu)的成本根據(jù)復(fù)雜程度各不相同，一般水平軸式發(fā)電裝置葉輪葉片比垂直軸式發(fā)電裝置葉片復(fù)雜，成本高。樁基固定的裝置較漂浮式和懸浮式要可靠，但是造價(jià)相對要高。與漂浮式相比，懸浮式裝置因遠(yuǎn)離水面、浪載荷下降、防腐防污較簡單，因此其造價(jià)有優(yōu)勢；但定位控制技術(shù)困難，可靠性降低。懸浮式在維護(hù)上可以通過技術(shù)手段上浮水輪機(jī)出水，降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，在發(fā)電成本上有優(yōu)勢。防腐防污后續(xù)維護(hù)影響整個(gè)系統(tǒng)的生命力，尤其是圍繞密封處、焊接處、支承面和絕緣材料的處理，現(xiàn)在已經(jīng)有些方法包括防污涂裝和聲波、超聲波系統(tǒng)的使用（張亮，2013）。

潮流能發(fā)電面臨的問題基本上圍繞著上述3個(gè)方面。但是，這些方面又是相互制約的，在考慮經(jīng)濟(jì)性問題是會(huì)導(dǎo)致可靠性下降或者效率降低，在考慮效率的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)性又不能保證。因此需要從以下幾個(gè)方面入手：葉片葉型的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、導(dǎo)流罩的設(shè)計(jì)、水下密封技術(shù)、防腐材料的研究、電能傳輸與穩(wěn)壓技術(shù)、預(yù)防風(fēng)浪的能力、智能功率監(jiān)控的技術(shù)等。

4 潮流能裝置發(fā)展的趨勢

潮流能技術(shù)發(fā)展的主要趨勢是：潮流能轉(zhuǎn)化方式的多樣化；裝機(jī)容量的大型化，開發(fā)MW級的樣機(jī)；目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始了相關(guān)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)體系的研究和潮流能發(fā)電場建設(shè)相關(guān)技術(shù)工作研究。具體可以從如下幾個(gè)方面進(jìn)行討論。

（1）高效率潮流能發(fā)電裝置葉片技術(shù)。目前潮流能發(fā)電裝置葉輪大多參考美國NACA的翼型數(shù)據(jù)庫來設(shè)計(jì)潮流能發(fā)電裝置水輪機(jī)葉片，雖然是經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證，但是和潮流能發(fā)電裝置的工作環(huán)境還是有差別的，因此各國研制出了各式各樣的效率更高的葉片形式。

（2）導(dǎo)流罩的設(shè)計(jì)。速度的大小與水輪機(jī)的效率有著直接的關(guān)系，通過導(dǎo)流罩的抽吸作用，使通過水輪機(jī)的水流速度增加從而提高水輪機(jī)的效率。通過研究對比不同形式的導(dǎo)流罩線型，確定那種可以獲得較高的效率也是一個(gè)研究方向。

（3）電能的后處理。通過發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能是不穩(wěn)定的，沒有辦法直接并入局部電網(wǎng)，所以需要通過電壓穩(wěn)壓，處理的一個(gè)過程，同時(shí)還可以進(jìn)行功率的監(jiān)控，用來獲得更加充分的數(shù)據(jù)來進(jìn)行下一步的研究。

（4）潮流能發(fā)電場建設(shè)：隨著潮流能開發(fā)技術(shù)的成熟，下一個(gè)面臨的問題就是規(guī)?；瘸绷髂馨l(fā)電場的建設(shè)，在國外已經(jīng)有單位開始批量化生產(chǎn)并投入運(yùn)營，比如英國MCT公司（安佰娜，2012）。所以我國下一步的研究目標(biāo)可以往大規(guī)模的發(fā)電廠轉(zhuǎn)變。

5 結(jié)束語

隨著環(huán)境惡化，能源短缺，可再生能源的開發(fā)利用顯得尤為重要，而廣闊的海洋向我們提供了無盡的能源，海洋潮流能就是其中的一種蘊(yùn)藏豐富的清潔能源，近年來也獲得了越來越多的國家的重視，尤其是在解決國家的重大戰(zhàn)略問題上，可以起到很重要的意義，比如海島供電，海水淡化用電等。國家也出臺了相應(yīng)的鼓勵(lì)政策，還設(shè)有專門的資金用于海洋可再生能源的開發(fā)，而且我國在潮流能發(fā)電技術(shù)方面提出了很多新思路，研發(fā)出了很多新裝備，相信在以后的研究道路上，潮流能發(fā)電產(chǎn)業(yè)會(huì)更加成熟。

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（本文編輯:袁澤軼）

Review of the tidal current energy device

WANG Shi-ming,REN Wan-chao,LYU Chao

（College of Engineer ScienceandTechnology,Shanghai OceanUniversity,Shanghai 201306,China）

In this paper,the development of tidal energy power generation device at home and abroad is introduced,and the device type,working principle and practical application are discussed.Besides the comparison of the different types of tidal energy power generation device structure and technical characteristics in the form of carrier,the main problems and development trend of tidal energy in future are reviewed.Finally,it is pointed out that there is still certain gap between the foreign research and current domestic research which is lack of scale and commercialization.

renewable energy;ocean energy;tidal current energy;tidal current energy devices

TK730.2

A

1001-6932（2016）06-0601-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.06.001

2015-05-12；

2015-08-06

國家海洋局2013年海洋可再生能源專項(xiàng)（SHME2013JS01）；上海市2014年優(yōu)秀技術(shù)帶頭人計(jì)劃項(xiàng)目（14XD1424300）；上海市科技成果轉(zhuǎn)化促進(jìn)會(huì)助推計(jì)劃項(xiàng)目（NY1301HY）。

王世明 （1964-），男，教授，主要從事海洋可再生能源利用技術(shù)研究。電子郵箱：rwcdyx@126.com。

呂超，博士。電子郵箱：370323378@qq.com。