海水资源开发利用实践——潮流能发电.docx

海水资源开发利用实践潮流能发电由于引潮力的作用，海水不断地涨潮、落潮。涨潮时， 大量海水汹涌而来，具有很大的动能；同时，水位逐渐升高, 动能转化为势能。落潮时，海水奔腾而归，水位陆续下降， 势能又转化为动能。海水在涨潮和落潮时所具有的动能和势 能统称为潮汐能。潮汐能是一种蕴藏量极大、取之不尽用之 不竭、不需开采和运输、洁净无污染的可再生能源。目前潮 汐能最成熟的利用形式是潮汐发电。2022年4月29日上午, 位于浙江省舟山市岱山县秀山岛海域的LHD海洋潮流能发电 平台，目前世界最大单机容量潮流能发电机组“奋进号”正 在潮流的带动下平稳运转，源源不断地输送出绿色电能。截 至2022年7月底，该电站已连续运行超过62个月，累计发 电总量超过293万千瓦时。一、潮流能资源的基本介绍潮流能是指月球和太阳的引潮力使海水产生周期性的 往复水平运动而形成的动能，发电原理是将水流中的动能通 过装置转化为机械能，进而将机械能转化为电能。适宜开发 潮流能的区域通常是指流速峰值大于2ms的位置，发电装 置通常在潮流流速为0. 8ms时启动。开阔海域的潮流速度 通常仅为0. lms,但潮波与邻近陆块之间的岬角、岛屿和狭 窄海峡等海岸地形的相互作用可使得流速超过2m/s。因此， 合适的地点位于沿海水域且高度局部化。根据亚特兰蒂斯能 源公司的报告，潮流能在全球范围内储量超过120GW。二、潮流能发电技术（一）潮流能发电装置潮流能发电装置在开发过程中，逐渐研发出多种不同的 结构形式，其中根据来流的流向与水轮机装置转动轴的位置 关系，可分为水平轴式水轮机和垂直轴式水轮机，还有通过 支撑臂摆动来获能的振荡水翼技术等；现有的多数潮流能装 置采用直接固定于海底的方法，这样更有利于获能的稳定， 但如果需要在离岸较远、水位较深的地方安装装置，则需采 用漂浮式结构以便于安装和节约成本。利用天然潮流所带来 的动能推动装置发电的技术可以避免如潮汐发电站或水电 站需要修建堤坝与配套设施，能减少相应的投资，且水轮机 装置对生态环境影响小。然而，水轮机旋转面的面积只占据 了潮流截面的一小部分，对潮流能的利用率较低，同时要求 潮流流速达到一定的条件来保证发电量。当前，国际上潮流 能发电技术以欧洲国家较为成熟，在潮流能资源丰富的地 区，进行了多种类型的全比例水轮机样机真实海况测试。 2020年，苏格兰Texo公司计划在EMEC试验场安装2MW的 SR2000机组，潮流能行业已然进入试商业化运行阶段。1 .水平轴式水轮机当水流方向与水轮机叶轮旋转轴平行，为水平轴式水轮 机。该类型水轮机的叶片均布于轮毂上，现主要以三叶片叶 轮为主，通过水流作用在叶片上产生的升力和转矩推动叶轮 绕着横轴旋转，以此将水流动能转化为旋转的机械能，然后 旋转的主轴将驱动发电机发电，将机械能转化为电能。水平 轴式水轮机的发电技术与风轮机发电技术有很大相似性，很 多技术沿用了风轮机技术，有较好的前期基础，目前水平轴 式水轮机主要包括英国MCT公司研发的SeaGen系列，英国 SMD公司的TidEL项目以及爱尔兰OpenHydeo公司的C)PenVentre装置等。与垂直轴式水轮机相比，水平轴式水轮 机结构简单，稳定性好。同时，水平轴叶轮具有更佳的效率 转换、自启动力矩大、转动稳定等优点；但其叶片结构较垂 直轴式更为复杂，且简单高效叶片以及如何避免空化有待深 入研究，需换向或变桨机构以适应潮流的双向特性，结构整 体比较复杂。据CorSatea等调查显示，潮流能行业76%的投 资都用于研发水平轴式潮流能水轮机。2 .垂直轴式水轮机垂直轴式水轮机发电原理与水平轴式类似，但其水流方 向与水轮机叶轮旋转轴垂直。该类型水轮机的叶轮旋转面平行于水流，叶片均布于轮缘上，叶片在水 流作用下产生的升力、阻力及其转矩推动叶轮绕主轴旋转， 主轴带动发电机运转，从而达到发电状态。目前垂直轴式水 轮机主要包括加拿大NE公司设计的EnCurrent垂直轴式潮 流发电系统、美国ORP公司通过螺旋叶片方案设计的CGen 潮流能发电装置以及哈尔滨工程大学设计的万向系列水轮 机等。与水平轴式叶轮相比，垂直轴式叶轮主要优点是：有 着更为简单的设计，较大降低了装置总成本，可以利用来自 任何方向的水流，并不需要用到任何偏航设备；适合大规模 阵列布置；叶片采用对称翼型结构简单便于制造；发电机可 置于叶轮主轴的上端水面之上以降低水下密封的难度和成 本；也有研究表明它能更好地适应湍流环境。此外，工作转 速较低，不易空化、减少叶尖损失，更有效地降低噪音，这 样有利于保护海洋生物的栖息地。缺点主要是：相对于水平 轴式较低的自启动能力、较高的扭矩波动以及通常低于水平 轴式水轮机的获能效率，且其叶片攻角在一个旋转周期内处 于变化的状态，会导致输出功率的不平衡。同时，这也会令 其在紧急情况下很难停止，因为它不容易在水流中旋出，而 水平轴式可以通过变桨将叶片与水流方向平行以达到停止， 它需要比水平轴式叶片具有更光洁的表面，以保持较高的升 阻比，这是达到合理效率所必需的，但这在海水中很难得到 有效保持，也会导致其制造和维护成本显著增加。3 .振荡水翼技术该类型机组主要由振荡悬臂、水翼及液压发电单元组 成，振荡悬臂在水翼两侧潮流的推动下摆动，其摆动可驱动 高压液体从而带动液压发电机发电，从而将动能转换为电 能。区别于传统水轮机旋转获能发电，振荡水翼技术克服传 统水轮机占用水深大和环境影响强的缺点。水翼转轴竖向安 装，可以避免因水翼与水密度不同而引起的水翼上浮或下 沉，优化了其运动效果。水翼结构形式十分简单，相对于其 他获能结构制造简便，不易损坏，即便破坏也易于更换，具 有更好的工程利用价值。振荡水翼的悬臂扫掠的区域宽而 浅，所以在浅海中有着一定的优势，但相对于研究相对成熟 的水平轴式和竖直轴式潮流发电技术而言，振荡水翼技术在 水域中进行的是非定常运动，所带来的更为复杂的尾部湍流 与大尺度涡旋难以模拟，使得该技术存在极大的不稳定性， 这意味着设计必须采用保守的安全裕度，产生更高的成本， 同时控制策略也不是最优的，也会导致能源利用率的降低。 因此，目前振荡水翼运行项目相对较少，主要有英国EBL公 司设计的15OkW振荡式潮流能装置Stingray和PT公司开发 的 IOOkW Pulse-StreamlOO,样机等。（二）支撑结构水轮机装置在运行过程中，除了多变的海洋环境会影响 其工作状态，也会受到水轮机装置支撑结构的影响。水轮机 生命周期在很大程度上取决于结构与水动力相互作用，如 Mason-Jones等分别对多种不同形状的支撑桩柱以及在有、 无支撑结构时对水平轴式水轮机性能的影响进行了对比研 究，结果发现不同的支撑结构会使扭矩、功率和轴向推力的 振幅变化皆有不同，且支撑结构的存在会使扭矩、功率和轴 向推力的振幅增大。因此，在几何设计和材料选择阶段，准 确量化荷载（包括所选用的支撑结构上的阻力）是相当重要 的。当前，水轮机支撑结构安装形式主要有重力式、桩柱式 和漂浮式。重力式结构可以理解为采用重力基脚和沉箱等结构，主 要依靠基础及压载物重量抵抗上部水流通过水轮机时所引 起的倾覆力矩和滑动力，从而使装置结构在海底保持稳定的 安装形式。该基础形式结构简单，应用技术成熟，适合水轮 机的长期作业。然而重力式基础适用于坚硬的黏土、砂土以 及岩石地基，地基须有足够的承载力支撑基础结构自重。桩 柱式是将桩基固埋设于海底的安装形式。此种安装结构能够 抵御波浪等恶劣环境的冲击，有着较高的安全可靠系数，当 前多数潮流能示范工程采用桩柱式基础。但在施工过程中需 要进行水下作业，且安装后的桩柱难以回收，成本较高。随 着水深的不断增加，固定式基础的成本变高并且安装运输不 便，漂浮式基础能很好地克服这一问题，漂浮式基础包括了 单柱式平台、半潜式等，依靠系泊系统固结于海底，其优点 在于节约成本、安装便捷、易于维修与拆除。漂浮式载体浮 于自由液面上，易受风浪的影响使得载体摇摆，导致水下发 电装置的获能不稳定；占据一定的水面空间，不利于水上交 通运输。三'全球海洋潮流能发展现状海洋潮流能开发在世界范围内受到重视，海洋潮流能行 业热度不断上升，全球主要经济体纷纷制定海洋能科技相关 发展规划，不断增加投入，推进海洋潮流能开发的快速发展。加拿大政府向新斯科舍省可持续海洋能源公司(SME) 提供2850万美元，用于支持加拿大第一个漂浮式潮流能阵 列项目。这是加拿大政府有史以来最大的一次潮流能项目投 资，旨在支持可再生能源技术创新，为加拿大清洁能源增长 提供动力，以及在新冠肺炎疫情流行的环境下创造就业振兴 当地经济。2020年12月1日,欧洲海洋能源行业组织(OEE)的首 席执行官雷米格吕埃和国际可再生能源署(IRENA)的总 干事弗朗西斯科凯莫拉在年度欧洲海洋能源展览会上签署 了谅解备忘录(MoU)o通过在欧洲和全球范围内推广正确的 政策激励措施和创新的商业模式，该伙伴关系将加深现有合 作，以加速海洋能源技术的商业化。2020年9月,欧洲海洋能技术与创新平台(ETIPOcean) 发布了海洋能战略研究与创新议程。该议程指出，2021 2025年将实施的关键研究创新优先事项及相关预算共计 10. 06亿欧元(79.4亿人民币)，旨在推进海洋能技术发展 并大幅降低成本，到2050年实现“气候中性”欧洲。2020年7月，爱米克公司(EMEC)与韩国海洋科学技术 研究所(KIoST)达成协议,帮助KIOST开发其潮流能试验 场。KIOST正在韩国西南海域建设并网的潮流能试验场一一 韩国潮流能中心（K-TEC）,测试能力可达4. 5兆瓦。2020年7月，OEE发布了海洋能欧洲重要的新兴 产业愿景文章。该愿景指出，海洋能的部署潜力巨大。据 预测，到2030年欧洲的潮流能部署装机将达220万千瓦， 波浪能达42. 3万千瓦；到2050年，整个欧洲的潮流能和波 浪能装机将达100吉瓦，可满足欧洲当前10%的电力需求， 即每年9400万户家庭用电量。潮流能开发产业发展再次加 速。四、我国海洋潮流能应用建议及展望面向2035年远景目标，我国海洋科技发展面临重大需 求和严峻挑战，我们可以把握以下重大机遇：浙江省舟山海 域是我国潮流能最丰富的地区，推进舟山百兆瓦潮流能规模 化示范工程建设并实现并网运行，通过潮流能规模化开发利 用，提升装备性能、降低开发成本，研究提出潮流能上网电 价建议，加快推进潮流能产业发展配套政策的出台。研究规 模化潮流能发电场建设相关标准规范，支持建设“潮流能产 业示范区”，完善公共支撑服务平台建设，带动产业集聚， 紧扣海洋能产业发展的技术需求，推动产业的转型升级，着 力培养更多具有自主知识产权和核心竞争力的企业，推动我 国潮流能技术装备“走出去”，保持我国海洋潮流能的科技 成果及产业发展的国际领先地位。同时，海洋潮流能开发是 一个典型的跨界融合行业，产业链条长，其带动性与产业发 展空间巨大，其大规模商业化也将成为全球产业竞合的焦点 与必争之地。在此基础上，我们还需及时修订和完善相应法 律法规，健全配套措施，才能让我国的潮流能产业走得更长 远。绿色发展始终是LHD研发团队执着坚守的信念，LHD研 发团队将不忘初心、稳中求进，在面向世界科技前沿、面向 国家重大需求、面向经济主战场的战略目标中，不断探索研 究大功率和超临界点高效能发电机组稳定发电并网技术，最 终达到潮流能发电成本竞争火电的目标，为人类贡献可持续 的清洁能源。奋斗新时代，展望新未来，LHD研发团队作为 潮流能领域创新发展的探路者，也将始终以“为人类增加一 种由中国人研发的便宜海洋清洁能源”为使命，秉持科技创 新驱动绿色发展的坚定信念，奋力助推国家能源高质量绿色 发展，为建设美丽中国践行企业的责任和担当。