海流能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)思考

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 ■ 常征 包道日娜 劉志璋

廣州紅鷹能源科技有限公司 ■ 俞紅鷹

一 引言

目前，全球能源日益短缺，常規(guī)化石能源的使用導(dǎo)致了全球性的溫室效應(yīng)和生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞，因此調(diào)整能源利用結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)利用清潔的可再生能源迫在眉睫。海洋內(nèi)部溫度、鹽度的差別和

有規(guī)律的潮汐都可導(dǎo)致海流[1]。海流能是指海水流動(dòng)的動(dòng)能，與其他可再生能源相比，有著明顯的優(yōu)勢(shì)：規(guī)律性強(qiáng)，可預(yù)測(cè)且能量穩(wěn)定；能量密度大；海流發(fā)電水輪機(jī)置于海平面下不占用陸地面積，不會(huì)影響景觀，且對(duì)周?chē)Ｑ笊鷳B(tài)影響較小。

一般來(lái)說(shuō)，流速在2m/s的海區(qū)，其海流能均有實(shí)際開(kāi)發(fā)的價(jià)值。據(jù)估算，全世界范圍內(nèi)可利用的海流潛在能量多達(dá)50億kW[2]。我國(guó)海岸線綿長(zhǎng)，海流能資源非常豐富。據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件估算，我國(guó)的海流能有3000萬(wàn)kW，若全部利用起來(lái)，則年發(fā)電量可達(dá)360億kWh，具有非?？捎^的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。

二 海流能發(fā)電裝置研究進(jìn)展

目前，海流能的開(kāi)發(fā)利用形式已從傳統(tǒng)的筑大壩封閉式發(fā)電方式(利用潮差即水頭勢(shì)能發(fā)電的潮汐電)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)放的非筑壩式結(jié)構(gòu)，這類(lèi)發(fā)電裝置可稱(chēng)為“水下風(fēng)車(chē)”。其發(fā)電原理與風(fēng)力發(fā)電相似，即將海水流動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。不斷完善的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)為開(kāi)發(fā)海流能提供了有益的借鑒。近年來(lái)，世界上一些海流能資源豐富的國(guó)家都加大了對(duì)海流能利用的投入和研究力度，并不斷取得進(jìn)步。根據(jù)葉輪軸線在水流中的空間布置，水下渦輪發(fā)電機(jī)組可分為垂直軸式發(fā)電裝置和水平軸式發(fā)電裝置，近幾年這兩種發(fā)電裝置發(fā)展都較為迅速。

1 垂直軸式海流能發(fā)電裝置國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

垂直軸式潮流能發(fā)電裝置因不受來(lái)流方向變化影響且無(wú)需偏航裝置，在國(guó)外的研究起步較早。加拿大BlueEnergy公司是國(guó)外較早開(kāi)展該研究的單位。該公司研制的Davis四葉片垂直軸渦輪機(jī)于2006年9月在英國(guó)哥倫比亞大學(xué)水槽實(shí)驗(yàn)安裝。實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，在樣機(jī)中使用擴(kuò)張管道裝置可將系統(tǒng)的工作效率提高至45%左右[3,4]。意大利Ponte di Arehimede公司研制的“Kobold Turbine”是在2003年于墨西拿海峽建造并實(shí)驗(yàn)的變槳距垂直軸渦輪機(jī)，在2m/s流速下最大發(fā)電功率40kW，平均獲能效率為23%[5,6]。美國(guó)GCK公司研究了一種具有螺旋形葉片的垂直軸水輪機(jī)Gorlov Helical Turbine，起轉(zhuǎn)流速0.5m/s，在1.5m/s流速下額定發(fā)電功率為1.5kW，平均獲能效率為33%[7,8]。此外，日本Nihon大學(xué)在1996年也對(duì)直葉片Darrieus型垂直軸水下渦輪機(jī)進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究[9]。

目前國(guó)內(nèi)開(kāi)展垂直軸式海流能發(fā)電裝置研究的單位有兩家，其中哈爾濱工程大學(xué)是最早開(kāi)始研究垂直軸式潮流能發(fā)電的單位。自1984年起，其在實(shí)驗(yàn)室及河流中分別進(jìn)行了小功率模型樣機(jī)的試驗(yàn)；2002年在浙江舟山市的官山水道中第一次進(jìn)行了70kW雙轉(zhuǎn)子漂浮式潮流能電站的海上試驗(yàn)；2005年又在浙江省舟山市岱山縣進(jìn)行了40kW樣機(jī)的海上試驗(yàn)[10,11]。中國(guó)海洋大學(xué)通過(guò)數(shù)值模擬和水槽模型實(shí)驗(yàn)對(duì)垂直軸柔性葉片及水輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能進(jìn)行了優(yōu)化配置[12]，并于2008年在青島市膠南齋堂島水道進(jìn)行了5kW樣機(jī)的海上試驗(yàn)。據(jù)報(bào)道，樣機(jī)在1.7m/s流速下發(fā)出了3.2kW電能。

2 水平軸式海流能發(fā)電裝置國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

水平軸式海流能發(fā)電裝置因效率高、自啟動(dòng)性能強(qiáng)而成為目前國(guó)內(nèi)外海流發(fā)電裝置的主流研究方向。英國(guó)在海流能技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位，各種水平軸式海流能發(fā)電裝置相繼進(jìn)入海上試驗(yàn)階段。2003年5月，英國(guó)MCT公司在北德文郡近海岸成功安裝了第一臺(tái)300kW并網(wǎng)型水平軸海流發(fā)電機(jī)組Seaflow，葉片可轉(zhuǎn)動(dòng)180?，能適應(yīng)海流正反方向流的變化，能量轉(zhuǎn)化效率最高達(dá)到38%，據(jù)報(bào)道機(jī)組可靠運(yùn)行超過(guò)一年。其第二階段樣機(jī)“SeaGen”已于2008年3月底在北愛(ài)爾蘭的斯特朗福德湖進(jìn)行安裝測(cè)試，并在一段時(shí)間的測(cè)試后向愛(ài)爾蘭的用戶開(kāi)始供電?！癝eaGen”的特點(diǎn)是采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，葉片采用180?變傾角系統(tǒng)，在流速3m/s工況下，發(fā)電功率達(dá)2.5MW[13]。為不妨礙水上交通，MCT計(jì)劃下一步設(shè)計(jì)一種六轉(zhuǎn)子水流發(fā)電裝置“2rid generation”。

目前英國(guó)TGL公司研制的1MW的深水水平軸式海洋流能渦輪機(jī)，額定速度為2.7m/s，啟動(dòng)速度為1.0m/s，最大運(yùn)行速度為3.4m/s，可實(shí)現(xiàn)變速變槳、自動(dòng)偏航的功能。該裝置更可靠、更隱蔽、更經(jīng)濟(jì)，并能夠很好地利用深海資源，預(yù)計(jì)在2011年或2012年進(jìn)行樣機(jī)的整體測(cè)試[14]。

英國(guó)SMDHydrovision(SMDH)公司也正在研制2×500kW的TidE1 system，該裝置的最大特點(diǎn)是無(wú)需任何驅(qū)動(dòng)力就能使裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)流，據(jù)稱(chēng)發(fā)電成本可與風(fēng)力發(fā)電相媲美。目前SMDH公司已設(shè)計(jì)出1/10規(guī)模的TidE1 system，并在New and Renewable Energy Centre (NaREC)成功完成了近一個(gè)月的試驗(yàn)[15]。

其他致力于海流能利用的公司研制的水平軸式海流能轉(zhuǎn)換裝置也多沿用水平軸風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)，如2005年3月美國(guó)Verdant Power公司于紐約東河岸建成了6臺(tái)35kW水平軸海流能發(fā)電裝置，經(jīng)過(guò)18個(gè)月的試驗(yàn)，目前準(zhǔn)備建立200～300臺(tái)機(jī)組的海下發(fā)電場(chǎng)[16]。2003年12月，挪威Hammerfest strˉm AS公司研制出與“seaflow”類(lèi)似的300kW并網(wǎng)型水平軸式海流能發(fā)電裝置，已建于Kvalsundet，預(yù)計(jì)年發(fā)電量為32億kW[17]。有些裝置在渦輪機(jī)的外部附加套筒，通過(guò)加快水流通過(guò)渦輪機(jī)的速度來(lái)提高裝置的輸出功率，如英國(guó)的“Lurnar Energy”和愛(ài)爾蘭的“Opendydro”等[18,19]。

隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)變和國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的影響，我國(guó)的水平軸式海流能發(fā)電裝置的研究也逐漸開(kāi)展起來(lái)。東北師范大學(xué)研制了一種1kW水下懸浮式水平軸式海流能發(fā)電裝置，該裝置由水下錨泊系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、軟軸和水平軸水輪機(jī)組成。2006年浙江大學(xué)率先完成5kW水平軸式海流能發(fā)電裝置樣機(jī)海洋環(huán)境原理性試驗(yàn)，2m/s流速時(shí)轉(zhuǎn)速為50rpm。2006～2009年浙江大學(xué)項(xiàng)目組研制了第二臺(tái)樣機(jī)——25kW半直驅(qū)水平軸式海流能發(fā)電機(jī)組，并完成海上試驗(yàn)，機(jī)組在海洋環(huán)境中運(yùn)行正常，最大發(fā)電功率達(dá)到30kW。2007年起，浙江大學(xué)開(kāi)展了20kW液壓傳動(dòng)式海流能發(fā)電機(jī)組的研究，目前項(xiàng)目組第三臺(tái)樣機(jī)——液壓傳動(dòng)式海流能發(fā)電機(jī)組已完成廠內(nèi)拖動(dòng)、變槳距、密封試驗(yàn)，并進(jìn)行了海上試驗(yàn)。

三 海流能發(fā)電裝置關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)措施

自上世紀(jì)80年代世界各國(guó)研究人員掀起新一輪海洋能開(kāi)發(fā)的熱潮以來(lái)，海流能發(fā)電裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究也進(jìn)入了前所未有的發(fā)展階段。世界各國(guó)就已研發(fā)的海流能發(fā)電裝置在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題展開(kāi)了改進(jìn)措施的研究。

1 設(shè)計(jì)高效率葉片以提高獲能效率

葉片作為海流能發(fā)電裝置的關(guān)鍵性部件，其獲能效率直接影響著整機(jī)效率。目前國(guó)內(nèi)外就此問(wèn)題展開(kāi)了研究。

垂直軸式海流能發(fā)電裝置方面，美國(guó)GCK公司研究的Gorlov螺旋式渦輪機(jī)降低了葉片的振動(dòng)；英國(guó)DTI設(shè)計(jì)的垂直軸變傾角渦輪機(jī)解決了定傾角渦輪發(fā)電機(jī)效率低、電力成本較高的問(wèn)題；此外，英國(guó)倫敦大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院設(shè)計(jì)研究了一種采用葉片傾角余弦控制方式的液壓控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)葉片變傾角控制[20]。水平軸式海流能發(fā)電裝置方面，2003年中國(guó)水利水電科學(xué)研究院趙世俊提出了新型桁架式水流動(dòng)能利用轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[21]；上海交通大學(xué)楊波也對(duì)漸開(kāi)線式水輪機(jī)機(jī)構(gòu)用于海流發(fā)電進(jìn)行了研究[22]。中國(guó)海洋大學(xué)采用柔性葉片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)解決了剛性葉片捕能效率低的問(wèn)題，據(jù)稱(chēng)柔性葉片在水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)根據(jù)葉片位置不同，通過(guò)葉片自身形變自動(dòng)調(diào)節(jié)攻角，另外還可以參考風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)技術(shù)，在葉端加一襟翼提高發(fā)電機(jī)的效率。

在實(shí)際應(yīng)用中，海流能發(fā)電裝置的葉片不可避免地存在汽脹和海生物附著的現(xiàn)象，可通過(guò)采取避開(kāi)葉片汽蝕水深的最佳安裝深度，設(shè)計(jì)合理的葉片剖面，選擇合適的材料和涂刷防腐油漆等措施來(lái)避免。此外，還要綜合考慮葉片數(shù)對(duì)能量轉(zhuǎn)換效率和整機(jī)維護(hù)成本的影響。

2 改進(jìn)功率控制方式以提高獲能效率

對(duì)于功率控制方式，國(guó)內(nèi)外研究單位研究了海流能發(fā)電裝置的變槳距和變速恒頻控制技術(shù)。垂直軸式海流能發(fā)電裝置的變槳距控制技術(shù)研究進(jìn)展較為迅速，由意大利阿基米德公司研制的“Kobold”采用的就是變槳距技術(shù)。2004年，英國(guó)倫敦大學(xué)的Alessandro Schonborn等對(duì)垂直軸式海流能發(fā)電裝置的變槳距技術(shù)進(jìn)行了研究。據(jù)報(bào)道，目前的水平軸式海流能發(fā)電裝置中僅有少數(shù)樣機(jī)具有變槳距功能，如英國(guó)TGL研制的1MW渦輪機(jī)采用變速變槳、自動(dòng)偏航技術(shù)；英國(guó)Seagon和挪威Hammerfest strˉm AS公司的樣機(jī)都采用簡(jiǎn)單的電氣變槳距機(jī)構(gòu)[23,24]；英國(guó)SMDH設(shè)計(jì)的一種錨泊式水輪機(jī)TidE1，采用變速恒頻技術(shù)，使得裝置在各流速段均能達(dá)到最佳水動(dòng)力性能[13]。此外，英國(guó)Wales Swansea大學(xué)及其合作者正在研究直驅(qū)式定槳距海流能發(fā)電裝置[25]，其難點(diǎn)在于超低速發(fā)電機(jī)的研制、系統(tǒng)的功率及轉(zhuǎn)速控制。挪威Hammerfest strˉm AS公司根據(jù)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理提出“水下風(fēng)車(chē)”變槳距概念，即通過(guò)調(diào)節(jié)槳葉的節(jié)距角，實(shí)現(xiàn)“水下風(fēng)車(chē)”的變槳距控制。浙江大學(xué)于2010年針對(duì)20kW級(jí)液壓式水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了新型變槳距控制系統(tǒng)[26]，并于2009年12月發(fā)表了一專(zhuān)利——一種基于液壓傳動(dòng)的海流發(fā)電變速恒頻方法及其裝置。

3 改進(jìn)自對(duì)流技術(shù)以提高獲能效率

水平軸式海流能發(fā)電裝置的自對(duì)流系統(tǒng)主要方式為：(1) 不需要任何驅(qū)動(dòng)力僅靠自身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)流。如英國(guó)SMDH公司的TidE1系統(tǒng)，該自對(duì)流方式要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性非常強(qiáng)。(2) 當(dāng)海流流向變化時(shí)，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)180?從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流。如英國(guó)“seaflow”和挪威Hammerfest strˉm AS公司的樣機(jī)，該對(duì)流方式可與變槳距控制相結(jié)合，但需解決密封的問(wèn)題。(3) 采用偏航機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自對(duì)流，即當(dāng)海流流向發(fā)生變化時(shí)葉片不動(dòng)，通過(guò)機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)跟隨海流流向的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)自對(duì)流。如英國(guó)的TGL公司的1MW渦輪樣機(jī)。(4) 采用特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自對(duì)流。如東北師范大學(xué)研制的1kW水下懸浮式水平軸式潮流能發(fā)電裝置，該裝置采用軟軸，將水平軸式水輪機(jī)與垂直安放的發(fā)電機(jī)連接，使水輪機(jī)組正對(duì)水流方向。浙江大學(xué)采用凸輪連桿機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)槳葉角度，以提高獲能效率[27]。還有浙江工業(yè)大學(xué)采用文丘里管增速裝置+雙向葉片渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)換器，提高了輸入渦輪機(jī)的能量[28]。

4 改進(jìn)傳動(dòng)方式以提高獲能效率

當(dāng)葉輪捕獲能量后，由傳動(dòng)系統(tǒng)將能量傳遞給發(fā)電機(jī)。目前，海流能發(fā)電裝置采用的傳動(dòng)系統(tǒng)主要以齒輪箱傳動(dòng)為主，但其存在傳動(dòng)比單一、沖擊明顯、柔性差、已損壞等缺點(diǎn)。關(guān)于液壓傳動(dòng)方式在海流能發(fā)電裝置中的應(yīng)用，英國(guó)Edinburgh大學(xué)的Stephen Salter教授及其研究團(tuán)隊(duì)采用數(shù)字變量泵技術(shù)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，將其應(yīng)用在波浪能轉(zhuǎn)換裝置中，但并未將其應(yīng)用在海流能發(fā)電裝置的實(shí)際中[29]。

5 改進(jìn)安裝、錨定與維修技術(shù)以減少開(kāi)發(fā)成本

據(jù)歐洲海上風(fēng)電建設(shè)經(jīng)濟(jì)評(píng)估資料表明，機(jī)組的水下安裝成本約為風(fēng)電場(chǎng)總成本的24%。實(shí)踐中，如何將海流能裝置固定在湍急的水流中并保證故障維修方便，是海流能裝置設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題。多數(shù)海流能裝置采用海底安裝，安裝方式主要為重力式、打樁式、多樁式和漂浮式。前兩種安裝方式適合淺海作業(yè)，后兩種安裝方式適合深海作業(yè)。其中漂浮式固定方式機(jī)組底部由錨泊裝置固定，其維修最為方便；重力式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單；打樁式基礎(chǔ)制造簡(jiǎn)單，機(jī)組需要維修時(shí)，可以沿樁吊上，維修方便。我國(guó)主要利用船舶技術(shù)開(kāi)發(fā)浮體懸吊式裝置，英國(guó)等主要是在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)海底固定式水平軸裝置。海流發(fā)電機(jī)的安裝和支撐方式可借簽海洋石油平臺(tái)海上施工建造中的共性技術(shù)[30]。

6 提高裝置運(yùn)行的可靠性

一般在大于8m/s流速下，水輪機(jī)可能導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象，造成對(duì)發(fā)電機(jī)組的傷害。海水的強(qiáng)腐蝕性對(duì)發(fā)電機(jī)、軸承與密封系統(tǒng)都是極大的挑戰(zhàn)。正是由于如何提高裝置運(yùn)行的可靠性問(wèn)題解決得不好，國(guó)內(nèi)潮流能、海流能裝置研究40年了，但至今仍無(wú)長(zhǎng)期運(yùn)行的裝置、電站。

四 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)利用海流能已進(jìn)入了發(fā)展熱潮，并已取得了多項(xiàng)積極成果，但目前海流能的發(fā)展仍存在一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題亟待解決。

(1) 如何將最大能量跟蹤和半直驅(qū)、直驅(qū)控制技術(shù)應(yīng)用在水平軸式海流能發(fā)電裝置，以提高其獲能效率和穩(wěn)定性。

(2) 如何將液壓傳動(dòng)方式應(yīng)用到海流能發(fā)電裝置中，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速和功率的最優(yōu)控制。

(3) 如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模利用海流能，使海流能發(fā)電朝著大機(jī)組方向運(yùn)行，并進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行發(fā)展階段。

(4) 加速發(fā)展海流的測(cè)流技術(shù)，對(duì)海流能資源分布進(jìn)行勘探研究估算，盡早摸清海流規(guī)律為建設(shè)海流場(chǎng)做準(zhǔn)備。

(5) 發(fā)展海流能選址技術(shù)和機(jī)組整體布局研究。

(6) 解決海流能存儲(chǔ)及運(yùn)輸成本高的問(wèn)題?？赊D(zhuǎn)變思路采取就地開(kāi)發(fā)近距使用方式，解決周邊地區(qū)的工業(yè)、漁業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活用電和用熱的問(wèn)題。

(7) 加強(qiáng)數(shù)值模擬仿真和模型試驗(yàn)的最優(yōu)化研究，以預(yù)報(bào)深尺度下海流能發(fā)電機(jī)的綜合性能。

(8) 考慮開(kāi)發(fā)海流能對(duì)氣候和海洋生物的影響，以期達(dá)到生態(tài)友好型發(fā)展。

相信隨著海流能利用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，海流能一定成為21世紀(jì)快速發(fā)展的可再生新能源。我國(guó)海域廣闊，海流能資源豐富，應(yīng)當(dāng)抓住發(fā)展的大好機(jī)會(huì)，使之成為我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分。

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