海洋潮流能发电装置综述

（上海海洋大学 工程学院，上海 201306）

海洋潮流能发电装置综述

王世明，任万超，吕超

（上海海洋大学 工程学院，上海 201306）

介绍了国内外潮流能发电装置发展情况，从装置类型、工作原理和实际应用等方面进行了概括和综述，对比了不同类型潮流能发电装置的能量转换装置结构和载体形式的技术特点，评述了当前潮流能开发中存在的主要问题及未来的发展趋势，指出了当前国内潮流能发电装置的研究与国外仍有一定差距，缺少规模化，商业化。

可再生能源；海洋能；潮流能；潮流发电装置

能源是为人类的生产和生活提供各种能力和动力的物质资源，是国民经济的重要物质基础，未来国家命运取决于能源的掌控。而目前社会主要依赖于传统能源，比如煤、石油、天然气等矿产资源（科技部，2007）。英国石油（BP）2010年全球能源统计报告显示，已探明的全球能源储量按目前的开采速度计算，石油储量可供生产40多年，天然气和煤炭分别可供67年和164年。伴随着矿产资源的开采利用，环境问题日益严重，臭氧层空洞、温室效应、雾霾是当前人民不得不面对的问题，人们逐渐把目光投向了海洋可再生能源。

潮流能是海洋能中的一种，指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。潮流能的能量与流速的平方和流量成正比。相对波浪而言，潮流能的变化要平稳且有规律得多，潮流能随潮汐的涨落每天 2次改变大小和方向（Battena et al，2008）。一般说来，最大流速在2 m/s以上的水道，能均有实际开发的价值。海洋能的储量，按粗略的估计，全球潮流能蕴藏量约50亿kW，风能约10亿kW，波浪能约25 kW（游亚戈等，2010），可见如果充分开发利用潮流能，对国家能源需求将有重大意义。相比于潮汐能发电转换技术，潮流能还不是很成熟（李凤来 等，2000；李允武，2008）。但是随着国家政策的支持和引导，海洋可再生能源的利用取得了长远的发展，海洋潮流能发电装置的结构多种多样，发电效率、装机容量呈现出高效率、大容量的发展趋势。国内外研究机构已发表诸篇文章介绍目前的潮流能发电装置的工作原理和结构（Wilson et al，1983；赵龙武等，2009；张亮等，2013；Hou et al，2015），本文通过分析目前国内外的典型结构，通过装置的工作原理进行分类，对比各类型装置的优缺点，指出当前遇到的主要问题，并对将来的发展趋势做出展望。

1 国内外发展现状

进入21世纪，海洋可再生能源的研究呈现出迅速发展的势态。有关海洋潮流能的各种装置、理论层出不穷，尤其是在能源紧缺的现在，更显突出。本文仅就国内外典型潮流能装置及其技术发展和应用情况进行综述。

1.1 国外发展现状

国外关于潮流能技术的研究机构众多。下图为国外主要研究机构的分布（图1），英国、美国的研究机构相比其他国家相对较多，下面介绍主要的潮流能发电的典型装置。

图1 潮流能研发机构分布情况

1.1.1 英国潮流能发电装置

英国MCT（Marine Current Turbine）公司是最早从事潮流能研究的机构之一，开展了一系列计划研究，站在技术最前沿。该公司与不同的科研机构合作，实践了一种叫Seaflow的试验设备（图2a），2003年在英国的Bristol海峡试验成功。这种设备的基本原理和风电相类似，也是利用叶片在流动液体中转化能量的模式来发电。首先，在合理的海域，涨落潮最高流速可达3 m/s的海域，建立基柱，在基柱上安装可上下调节位置的发电设备箱，以方便在不同潮位的时候可使叶片处在最优流速区域，同时，叶片是可以180°旋转的，这样在涨潮和退潮时都可以发电。这个设备在实际测试的时候只有300 kW的装机容量，之后他们又开发了第一台MW级潮流能发电装置SeaGenS（图2b）已经实际建立在1.2 MW的应用型设备上了。国际上生产和研究潮流能设备的公司还不多，能够实现量产的只有MCT。它的主要产品系列从最早期的300 kW的Seaflow到量产型的SeaGenS系列，再到现在正在研发适应深水的3MW装置SeaGenU（图3c）。该公司在英国受到的各方面的资源支持：大学、研究机构对其进行技术创新支持；英国能源部也对该公司的产品进行了政策的支持。现在MCT公司的兆瓦系列产品已经在英国的海岸线上开始运行了。

图2 英国MCT公司系列装置

英国Scotrenewables Tidal Power公司在2011年发明了SR250原型机，是世界上第一个漂浮式水轮机（Khan et al，2009），能够产生250 kW的电能。它的结构是在一个漂浮的浮体下方悬挂两个水轮机（图3），创新型的设计了特殊的90°收放水轮机的装置以降低系统安装和维护成本，浮体由系泊系统通过锚链连接，装置整体随流自动换向。250 kW SR250于2011年3月至2012年10月完成了测试。2015年，计划投放2 MW的SR2000，它减小了整个发电过程中的成本，计划可以服役20年，另外由于具有了更加灵活的系泊系统，装置可以安装在任何大于25 m的水域。SR2000长度64 m，浮体最大直径3.8 m，转子叶片直径16 m，最大转速16rpm，输出电压6.6kV/11kV，输出频率50Hz。

图3 英国Scotrenewables公司“SR250”

英国SMD Hydrovision公司TidEL采用悬浮式支撑方案，双转子水平轴水轮机半潜在水下运行，转子叶片直径15 m，在2.3 m/s流速下总功率1 MW（图4），系泊系统可以使其自动跟随潮流方向而无需转向机构。可以安装在深海，适用水深大于30 m的海域。装置维护时可以通过远程操控锚链的伸长来漂浮到海面，降低维护成本。1/10模型已在Blyth进行了测试，成功的解决了波浪和潮流的扰动。全尺度模型 1MW的 TidEL于 2006年在Orkney进行了为期一年的测试。

英国Engineering Business（EB）公司“Stingray”（图5）通过潮流驱动的水翼型叶片的上下振荡发电，潮流使支臂来回振荡。支臂迫使液压缸伸缩，从而带动发电机工作。Stingray可以适应双向潮流，液压系统运行稳定。2002年8月，第一台150 kW原型机在英国设得兰群岛附近的耶耳海峡进行了试验。

图4 英国SMD Hydrovision公司“TidEL”

图5 英国EB公司“Stingray”

1.1.2 意大利潮流能发电装置

意大利Ponte di Archimede（PdA）公司Kobold装置采用漂浮式垂直轴直叶片变桨水轮机方案（图6），2002年安装在在墨西拿海峡运行，容量120 kM，由4组尼龙锚绳和水泥重块固定与海床。3叶片叶轮直径6 m，叶片长5 m，弦长0.4 m；载体体呈圆形（直径10 m），甲板上方六角形机舱内放置齿轮箱、发电机和电控系统。后期，在浮体上安装了6 kM的太阳能装置，铺设了海底电缆，上岸并网发电，这是世界上第一个接入电网的垂直轴潮流能电站，计算得水轮机一级能量利用率系数约0.23。

图6 意大利PdA公司“Kobold”

1.1.3 其他国外典型装置

爱尔兰OpenHydeo公司Open Ventre装置（图7）采用中空叶栅结构，叶片连接直驱发电机的转子，导流罩和转子连接。保证了其自启动流速较低。安装在海底，对海上航运不会造成干扰。2008年底计划潮流示范发电站项目，安装4台装置在Brittany海域。于2011年安装第一台（直径16 m，重量850 t，水深35 m）进行测试。

图7 爱尔兰OpenHydeo公司“Open centre”

挪威ANDRITZ HYDRO Hammerfest公司首先研制了300 kW的HS300坐底式三叶片水平轴潮流能装置（图8），其具有自动对流功能，叶片长10m，支撑结构重200 t。安装在芬马克的克马尔松50 m深的海底，经过了研发、生产、回收、维护等环节证明了装置的可靠性和高效性。HS1000是MW级的产品，2011年10月被安装在奥克尼群岛的潮流能测试站，截止到2015年3月4日已经产生超过1.2 GWh的电量。

图8 挪威ANDRITZ HYDRO Hammerfest“HS300”

美国Gorlov Helical Turbine公司GHT垂直轴螺旋式叶轮机（图9）三片螺旋形的叶片构成（Kamoji et al，2008），螺旋叶片具有运行平稳，启动力矩大，自启动速度小的特点，但是阻力比较明显。2002年进行了1.5 kW模型试验，直径1 m，叶片弦长140 mm，螺旋角67°，叶轮高2.5 m，额定流速1.5 m/s。美国的Ocean Renewable Power公司把水轮机横向旋转90°，可以抵消轴向力，提高效率。

图9 美国Gorlov Helical Turbine公司“GHT”

以上分析了比较有代表性的研究机构的不同类型的典型发电装置，根据收集的资料，现绘制主要水平轴水轮机的情况如表1所示。

表1 水平轴水轮机现状

由表1可知，国外水平轴水轮机设计半径为5～20 m，随着水深的增加，半径增大。流速一般集中于1.8～2.5 m/s，叶片数为2、3和5之间，输出功率最小为120 kW，最大为2 MW。其中水平轴水轮机由于其效率高，技术成熟受到各国的追捧。

1.2 国内发展现状

我国潮流能发电的研究始于舟山的一对渔民父子，他们利用渔船用螺旋桨叶片作为能量采集装置，安装在渔船尾部收集潮流的能量，通过多次试验，最终得出在3 m/s的潮流时，发电5.7 kW。国内的科研院所对潮流能研究比较早的是哈尔滨工程大学朱典明教授，从1982年开始带领课题组先后研究出了40 kW的“万向I”和70 kW的“万向II”。

“万向I”40 kW—装置采用漂浮式双转子垂直轴直叶变桨水轮机方案（图10a）。双鸭艏式船型载体（长18 m，宽9 m）搭载水轮机、齿轮箱、发电机、液压和控制等设备置于舱内；锚系由4套重块、锚链和浮筒组成；2台直径2.5 m的可调角4叶摆线式转轮增速后驱动液压泵，液压控制调速后液压马达带动发电机，具有蓄电池充电、并网控制和保护功能。2002年4月安装于岱山县龟山水道测试运行，流速2.5 m/s时发电功率25 kW （张亮等，2009）。

图10 哈尔滨工程大学“万向I”（a）和“万向II”（b）

“万向II”70 kW一装置采用坐底式双转子垂直轴直叶变桨水轮机方案（图10b）。载体呈双导流箱形（外形6.5 m×6.5 m×4.5 m，重60 t），沉没于水下6腿座底，依重力摩擦固定，增速器与发电机密封于机舱中，弹簧控制叶片H型双转承直径2.5 m）置于导流箱中，装置具有潜浮功能便于维护。电控系统置于岸上，海缆输电为灯塔独立供电。2005年12月，安装于岱山县小门头水道测试运行（张亮等，2005）。

自从2000年之后，投身到潮流能发电领域的单位越来越多，东北师范大学、中国海洋大学、浙江大学等单位都研究出了不同形式的样机并进行了海试，主要类型集中在垂直轴、水平轴；漂浮式、悬浮式、坐底式等类型样机的研究，发电效率也从100～600 kW不等，为我国潮流能发电项目积累了丰富的经验。

中国海洋大学研究的柔性叶片式潮流能发电装置（图11a），采用创新性的柔性叶片方案，基于帆翼原理，采用三角形叶形，利用升阻力获能，自启动力矩大，叶片制作简单、成本低。叶轮直径为1.3 m，总高为1.5 m。2008年12月在斋堂岛水道进行系泊测试（赵龙武等，2008；王树杰，2009）最终获得5 kW的发电功率。

图11 中国海洋大学5 kW装置和50 kW装置

中国海洋大学为中海油研制的50 kM装置，采用坐底式水平轴变桨距叶轮发电机方案（图11b）。三腿重力式底座支撑水轮发电机组，结构稳定。3叶片叶轮直径10.5m，整体18m×12m×17.5m。至2013年7月，2台50 kW已完成岸上组装，8月已安装于青岛市斋堂岛海域，通过1 kM海缆上岸接人中央控制室500 kW多能互补独立电力系统（王树杰等，2013）。

通过以上分析国内外的发电装置，可见国内开展潮流能发电研究的时间较晚，结构种类不全面，主要集中在水平轴和垂直轴结构。国外除了水平轴和垂直轴结构，还有振荡型（如英国EB公司“Stingray”）等其他多种类型。另外从发电效率方面比较，国外（以英国MCT公司为代表）生产出MW级装置，并进行了商业化，我国由于发电效率较低，发电成本高，尚不能得到商业化发展。目前由于国家重视，相应政策的大力扶持，潮流能发电领域也得到蓬勃发展，但是依旧缺乏规模化和商业化，主要是科研院所和高校在实验室进行研究，和企业对接较少，这是我国潮流能发电领域下一步的发展方向。

2 潮流能发电装置工作原理及其分类

潮流能发电装置是将海洋潮流动能转换为电能的装置，由获能装置（水轮机）、海上支撑载体或系泊系统、发电机、电能变换与控制系统、电力传输与负载系统等5个子系统组成。

根据水轮机旋转轴与水流方向是否平行可以分为水平轴式叶轮（如英国MCT公司系列装置）、垂直轴式叶轮（如意大利PdA公司“Kobold”）、振荡式（如美国Gorlov Helical Turbine公司“GHT”）和其他方式等（李允武等，2008）；根据支撑载体的固定形式不同，又可以分为桩基式（如英国MCT公司系列装置）、坐底式（如挪威 Andritz Hydro Hammerfest“HS300”）、悬浮式 （如英国SMD Hydrovision公司“TidEL”）和漂浮式（如英国Scotrenewables公司“SR250”）；另外按照是否有导流罩又分为有导流罩式和无导流罩式。

2.1 获能装置

2.1.1 水平轴式叶轮原理

水平轴式潮流能水轮机是指叶轮的旋转轴与水流方向平行而得名。其工作原理是：当垂直于水流方向的叶片旋转时，会产生推动叶轮转动的升力和转矩，从而将水流的动能转化成叶轮的旋转机械能，通过主轴和传动系统带动发电机进而转化为电能。但是由于水流的不稳定因素导致输出的电压也是不稳定的，所以后续还需要稳压，变频处理后接入电网。水轮机叶片一般是按照定桨距均匀分布，这样结构简单，运行可靠，但是缺点是不能高效的收集海水的动能。哈尔滨工程大学提出的变桨叶轮结构，适应不同流速的工况，进而提高水轮机的一级利用率，但是需要根据具体海况计算出相应的叶轮分布规律，结构复杂。

2.1.2 垂直轴式叶轮工作原理

垂直轴式潮流能水轮机是指叶轮的旋转轴与水流方向垂直而得名。工作原理是：叶轮旋转轴垂直于水流方向，叶片均匀分布在轮毂上，在水流作用下产生升力、阻力和转矩用于驱动叶轮旋转，主轴驱动齿轮箱传动，带动发电机发电。垂直轴水轮机可分为升力型、阻力型和升阻力混合型，叶片有直叶型或弯曲叶型，还可设计成变桨距或固定桨距两种结构，叶片变桨有主动和被动两种方式。固定桨叶轮结构简单可靠，但启动力矩小，可变桨叶轮结构复杂，但启动性能优良。

综上所述，水平轴叶轮效率高，变桨距效率更高；自启动力矩大；启动速度低。缺点是叶片结构复杂；需要转向机构使机构转向以适应潮流能双向性的特点；发电机需要放置在水下，密封困难，成本高。垂直轴叶轮叶片简单，安装方便；因其无论那边来流，其受力是一样的，因此不需要转向机构；另外可以把发电机放置于水面之上，进而减少密封难度，降低成本；由于转速较低，不易发生空化现象。缺点是转换效率比较低，叶轮在旋转过程中受到的载荷呈现升阻力交替变化，对结构设计要求较高。

2.2 支撑载体分类

潮流发电装置支撑载体有固定式，漂浮式和悬浮式3种方式，其中固定式又可细分为桩基式和坐底式。坐底式载体分为基础部分和支撑结构，基础放在海床使用重物或自重来固定，如果海底情况复杂，还需要进行平整工作。优点是海底流速稳定，装置稳定性较高，另外对海面船只的航行不会造成影响，但是海底流速虽然平稳，但是相对海平面还是较低。由于坐落于海底，无论是安装还是回收维修都具有一定的困难。桩基式载体由桩和基础组成，桩打入海底固定，通常有单桩、多桩结构。水轮机系统可以沿着桩而升降，便于维护，由此确定了桩基式的适用海域范围较浅，当大于30 m时成本会很高。漂浮式载体由系泊系统固定于海床，获能装置（水轮机系统）漂浮于海平面上，可以较好的利用表层的水流；在海流作用下可以产生6个自由度的运动，稳定性较差，但是不需要转向机构，因此整体结构简单；由于漂浮于海平面，所以在维护、移动和回收等方面较方便。悬浮式和漂浮式形式类似，不过获能装置一般悬浮于海水中，具体位置需要依据具体的海域流速分布来确定，稳定性较漂浮型支撑好，可以抵御一定的台风。

3 潮流能开发困难

我国潮流能开发目前遇到的最大的问题是成本较高和海域流速相对大西洋沿岸较低等。成本高是由于发电量少，结构安装、维护成本高导致。流速较低和装置的不稳定性导致发电效率不理想进而导致发电量少。潮流能开发存在的主要问题如下。

3.1 效率

影响潮流能发电装置叶轮效率的因素有很多：叶轮叶型的选择、叶轮整体支撑机构、导流罩的选择，另外还有海洋流速分布不均匀、不稳定、海洋生物附着等环境问题也不容小觑。流速不均匀时，对于水平轴叶轮由于叶轮的外形使流速比较均匀，而垂直轴由于是直叶片，导致每一叶片流速均不同，进而影响发电效率。然而水流不稳定是难以避免的，但是可以通过加装导流罩来降低流场的大涡湍动，使叶轮流场环境得以改善，系统运行更为平稳。海洋生物的附着会引起流场的紊乱，加重叶轮的自重造成旋转速度降低，效率下降。

3.2 可靠性

当潮流能发电装置遇到大的风浪时就要考虑装置的可靠性问题，能够抵抗几级风浪，这都是目前面对的问题。另外还有受到海水腐蚀和海水泥沙导致的叶片利用海水能量的效率降低的问题，这些都是关乎装置可靠性的问题。风浪可以导致装置发生形变、震动，使能量利用率降低，如果严重，还可能损坏装置；海水腐蚀和海洋生物附着会加快装置的疲劳损坏，因此需要研究抗腐蚀的材料和驱逐海洋生物的机构以减小他们的影响，提高装置可靠性。悬浮式和坐底式都是可以有效地减小风浪对装置的影响，因此寿命也相应的比漂浮式的长。然而，装置安放的越深，能流密度越小，泥沙越严重，密封越复杂，故装置选型需统筹考虑效率、可靠性及水深等因素。

3.3 经济性

潮流能发电装置的成本主要包括装置结构设计及制造、安装和设备维护。其中装置结构的成本根据复杂程度各不相同，一般水平轴式发电装置叶轮叶片比垂直轴式发电装置叶片复杂，成本高。桩基固定的装置较漂浮式和悬浮式要可靠，但是造价相对要高。与漂浮式相比，悬浮式装置因远离水面、浪载荷下降、防腐防污较简单，因此其造价有优势；但定位控制技术困难，可靠性降低。悬浮式在维护上可以通过技术手段上浮水轮机出水，降低运行维护费用，在发电成本上有优势。防腐防污后续维护影响整个系统的生命力，尤其是围绕密封处、焊接处、支承面和绝缘材料的处理，现在已经有些方法包括防污涂装和声波、超声波系统的使用（张亮，2013）。

潮流能发电面临的问题基本上围绕着上述3个方面。但是，这些方面又是相互制约的，在考虑经济性问题是会导致可靠性下降或者效率降低，在考虑效率的同时，经济性又不能保证。因此需要从以下几个方面入手：叶片叶型的设计、结构稳定性设计、导流罩的设计、水下密封技术、防腐材料的研究、电能传输与稳压技术、预防风浪的能力、智能功率监控的技术等。

4 潮流能装置发展的趋势

潮流能技术发展的主要趋势是：潮流能转化方式的多样化；装机容量的大型化，开发MW级的样机；目前国内外学者已经开始了相关技术与标准体系的研究和潮流能发电场建设相关技术工作研究。具体可以从如下几个方面进行讨论。

（1）高效率潮流能发电装置叶片技术。目前潮流能发电装置叶轮大多参考美国NACA的翼型数据库来设计潮流能发电装置水轮机叶片，虽然是经过大量试验验证，但是和潮流能发电装置的工作环境还是有差别的，因此各国研制出了各式各样的效率更高的叶片形式。

（2）导流罩的设计。速度的大小与水轮机的效率有着直接的关系，通过导流罩的抽吸作用，使通过水轮机的水流速度增加从而提高水轮机的效率。通过研究对比不同形式的导流罩线型，确定那种可以获得较高的效率也是一个研究方向。

（3）电能的后处理。通过发电机产生的电能是不稳定的，没有办法直接并入局部电网，所以需要通过电压稳压，处理的一个过程，同时还可以进行功率的监控，用来获得更加充分的数据来进行下一步的研究。

（4）潮流能发电场建设：随着潮流能开发技术的成熟，下一个面临的问题就是规模化，既潮流能发电场的建设，在国外已经有单位开始批量化生产并投入运营，比如英国MCT公司（安佰娜，2012）。所以我国下一步的研究目标可以往大规模的发电厂转变。

5 结束语

随着环境恶化，能源短缺，可再生能源的开发利用显得尤为重要，而广阔的海洋向我们提供了无尽的能源，海洋潮流能就是其中的一种蕴藏丰富的清洁能源，近年来也获得了越来越多的国家的重视，尤其是在解决国家的重大战略问题上，可以起到很重要的意义，比如海岛供电，海水淡化用电等。国家也出台了相应的鼓励政策，还设有专门的资金用于海洋可再生能源的开发，而且我国在潮流能发电技术方面提出了很多新思路，研发出了很多新装备，相信在以后的研究道路上，潮流能发电产业会更加成熟。

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（本文编辑:袁泽轶）

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

国家海洋局2013年海洋可再生能源专项（SHME2013JS01）；上海市2014年优秀技术带头人计划项目（14XD1424300）；上海市科技成果转化促进会助推计划项目（NY1301HY）。

王世明 （1964-），男，教授，主要从事海洋可再生能源利用技术研究。电子邮箱：rwcdyx@126.com。

吕超，博士。电子邮箱：370323378@qq.com。