海洋论坛▏海洋能发电技术发展现状及发展路线图
为应对全球化石能源日趋短缺的危机及全球气候变暖的挑战，海洋可再生能源作为战略性资源已得到国内外普遍关注，许多国家早在20世纪初就通过国家立法或制定相关政策，从确立发展目标、提供资金支持、实施激励政策、支持行业发展等方面，引导和激励海洋能技术发展，并将其作为新兴战略产业加以培育和推进。2014年6月，国务院办公厅发布的《能源发展战略行动计划（2014～2020年）》强调要坚持统筹兼顾、因地制宜、多元发展的方针，积极推进海洋能示范工程的建设，并将海洋能发电作为推进能源科技创新重点战略方向之一。本文通过调研国内外海洋能发电技术的研究成果及中国海洋能资源分布情况，提出中国海洋能发电的短期及中期技术发展路线图，拟为中国海洋能发电规模化发展提供技术支持和理论依据。
一、海洋能发电资源分布和技术现状
⒈潮汐能发电
⑴资源分布概况
海水涨落潮运动携带的能量称作潮汐能，潮汐能总储量E表示为：
式中：u、v为潮流速度沿水平和垂直坐标轴的平均分量；ρ为海水密度；ζ为潮位的升高高度；g为重力加速度；h为海水深度；F总为全球海洋总面积。
目前，中国潮汐能理论蕴藏量为192.9GW，近海可开发装机容量大于500kW的坝址共171个，总计22.8GW。中国潮汐能资源丰富地区主要集中在福建、浙江等地，仅福建省可开发装机容量即可达到12GW，占全国总储量的52.6%。
⑵发电技术分类
潮汐能发电是利用潮水涨落的水位差来发电，目前常规的潮汐电站类型分为单库单向型、单库双向型、双库型，技术特征如表1所示。
表1 不同类型潮汐能电站对比
潮汐电站类型 | 原理 | 优点 | 缺点 |
单库单向型 | 利用涨、落潮形成水位差发电 | 原理及设备简单，投资少 | 能源利用率低，且发电存在间断性 |
单库双向型 | 建造涨潮和落潮2条引水管道，独立进行控制 | 发电效率、发电量和发电时间较单库单向型增加 | 对选址和设备要求高，结构复杂，投资较大 |
双库型 | 水位高低2个水库，利用2个水库间形成的水位差连续发电 | 实现连续发电 | 选址要求高，投资成本高，工作水头低且经济性较差，实际应用较少 |
⑶发展现状
在多种海洋能发电类型中，潮汐能发电技术成熟度最高，投入商业化运行项目最多，法国朗斯潮汐电站是其中的代表之一。朗斯潮汐电站为单库双向型，共装设24台水轮机，单机功率10MW，总装机容量为240MW，年均发电量为544GW·h。除此之外，加拿大芬迪湾安纳波利斯潮汐试验电站、韩国始娃湖潮汐电站、英国斯旺西湾潮汐电站等也在运行或建设中。中国在潮汐能电站建设过程中积累了许多宝贵经验，如表2所示。
表 2 中国潮汐能电站代表
序号 | 电站名称 | 运行时间 | 总装机功率/kW | 特点/意义 |
1 | 江夏潮汐电站 | 1980年至今 | 3200 | 至今仍成功运行的潮汐电站之一，中国最大的潮汐发电站，表明中国自行设计的发电机组运行可靠稳定 |
2 | 沙山潮汐电站 | 1959～1984年 | 40 | 最早建成的一批潮汐电站，具有示范价值 |
3 | 海山潮汐电站 | 1975年至今 | 250 | 至今仍成功运行的潮汐电站之一，中国第1座双库型潮汐电站 |
4 | 岳浦潮汐电站 | 1971～1984年 | 150 | 示范价值，在20世纪80年代初具有良好的经济和社会效益 |
⒉波浪能发电
⑴资源分布概况
某一时刻的波浪是数个波源发出的行波在一点的交汇，相互叠加的结果。波浪的功率为：
式中：W为波浪的功率；ωn第 n个波的角位移；αn为第n个波的振幅；kn为第n个波的位移系数。
中国波浪能理论蕴藏量达到16GW，技术可开发量为14.7 GW，资源分布并不均匀，空间上南方沿岸海域较北方波功率密度高，外海较大陆岸边高，时间上秋冬季密度较高。从省份看，波浪能主要集中在广东北部、海南西南部、福建南部等地，3省的资源储量可占全国总储量的74%，其中以广东省储量最为丰富，能达到4.6GW。
⑵技术发展现状
波浪能发电是将波浪能的动能和势能转换成电能，其发电装置由波浪能采集部分、能量传递转换机构、发电装置3个部分构成，根据转换装置工作原理将波浪能发电分为振荡水柱式、振荡浮子式和收缩波道式，如表3所示。
表 3 不同类型波浪能发电对比
波浪能电站类型 | 振荡水柱式 | 振荡浮子式 | 收缩波道式 |
原理 | 利用波浪运动引起充气舱与外界大气的压力差推动发电机发电 | 利用波浪运动带动装置两个部分产生相对震荡运动，从而驱动发电机发电 | 通过蓄水装置将收集到的浪涌通过传统低水头的涡轮机排出，驱动发电机发电 |
优点 | 自身结构简单稳定，受海水腐蚀程度小，故障率低，维护方便 | 转换效率高，成本低 | 出力稳定，受波浪特性影响小，效率较高 |
缺点 | 建造成本较高，转换效率低 | 建造施工困难 | 选址要求高 |
典型装置 | LIMPET岸基和鱼鹰波能发电装置 | PowerBuoy波能浮标、阿基米得波浪摆、牡蛎波能装置和波浪之星波能装置 | 波龙发电装置 |
波浪能能量分布的特点决定了其适合于密集大规模开发，国际上也逐步加强对负荷较大地区波浪能发电技术的研究，尤其是英国、丹麦、挪威等国家，并取得了一定的成果，但距离波浪能发电商业化应用仍需一段时间。
中国波浪能发电以中国科学院广州能源研究所为代表，1996年将珠海市万山岛3kW振荡水柱波浪能电站改建为20kW，2011年在广东省汕尾市遮浪建成100kW岸式振荡水柱装置，实现初步应用示范。
⒊潮流能发电
潮流能是指海水流动的动能，主要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。中国潮流能资源理论蕴藏量为8.3GW，技术可开发量1.7GW，空间分布较为集中，主要在浙江杭州湾口和舟山群岛海域，约为5.2GW，占中国潮流能资源总量的62%，技术开发量约为1GW。
潮流涡轮机在退潮和涨潮周期内往复流动，一般设计为双向发电。依据转换装置运行原理不同，可分为轴流式涡轮机、横流式涡轮机和往复式装置。潮流能发电装置结构较为简单，但涡轮机通常位于海水中，存在易受海水腐蚀、投资成本高、安装维护困难等问题。
大型潮流发电设备的商业化和产业化逐渐成为海洋能利用发展新思路， 英国、加拿大、韩国、新西兰等国家都在着手兴建大型潮流发电站。世界上首个实现商业化并网试验运行的潮流能发电系统为北爱尔兰“SeaGen”，位于斯特兰福特湾，装机容量1.2MW，通过第一代产品“Seaflow”演化而来。中国潮流能发电装置研究以哈尔滨工程大学等科研高校为代表，已研制成功中国首座自行研制并长期示范运行的水平轴潮流能发电系统“海明Ⅰ”及首座70kW漂浮式垂直轴潮流试验电站“万向Ⅰ”等。
⒋温差能发电
海洋温差能是指以表、深层海水温度差的形式所储存的海洋热能，能量主要来源于蕴藏在海洋中的太阳辐射能。中国温差能储量丰富，达到367GW，但技术成熟度不高，可开发量仅为25GW，不足理论储量的7%，分布非常密集，90%以上的温差能集中在南海海域。
温差能发电是利用表层温海水加热低沸点工质使之汽化，驱动汽轮机发电；同时利用深层冷海水将做功后的乏汽冷凝为液体，形成系统循环。温差能发电在生产电能的同时可生成淡水，但工作效率较低，施工维护困难，工程造价较高。
世界上第1座海水温差发电站于1930年在古巴海滨建造，发电容量为10kW。但目前，海洋温差能技术仍处于初期样机培育阶段，美国夏威夷州立自然资源实验室正在研发开放式温差能电站，日本、印度等国家重点开展封闭式温差能电站研究，美国等则专注于混合式温差能电站研究。
⒌盐差能发电
盐差能是指海水和淡水之间或2种含盐浓度不同的海水之间以化学形态贮存的电位差能。中国盐差能理论蕴藏量为113.1GW，约有10%可用于发电，主要分布在上海、广东等河流入海口处，技术可开发量约为9.8GW。
海水盐差能发电主要有渗透压法、反电渗析电池法和蒸汽压法3种。渗透压法、反电渗析电池法成本居高不下，渗透膜是制约发展的关键技术；蒸汽压法最大优势在于不需使用渗透膜，但发电装置庞大昂贵，运行中需消耗大量淡水。
盐差能发电是近年来新兴的课题，相关技术尚处于初级研发阶段。2009年世界上第1台盐差能装置样机由挪威的Statkraft公司研制，采用渗透压技术，装机容量为4 kW。2014年11月底，荷兰首家盐差能试验电厂已试验发电。
二、海洋能发电技术发展的阻碍
近年来，越来越多海洋能资源丰富的国家持续开展海洋能利用研究，注重开发研制性能高、可靠性强的海洋能转换装置，海洋能发电技术取得了长足进步， 陆续有试验电站进入商业化运行，但由于海洋能发电系统运行环境恶劣，规模化发展进程中仍存在诸多技术及政策难题，如表4所示。
表 4 海洋能技术大规模发展存在的障碍及解决措施
类型 | 障碍 | 解决措施 |
研发 | ⑴投资成本高，技术不成熟，缺乏与常规能源发电的价格竞争力；⑵缺少实际水域环境下对设备功能、性能及可靠性的测试；⑶可利用资源的总量及其波动性还未能实现完全量化；⑷应用范围尚不确定 | ⑴研究设备特性，优化成本、性能和可靠性等指标；⑵攻关停泊、基建、材料、安装运输、运维及制造等方面关键技术；⑶选取开放水域及实验室水槽测试中心，开发测试设施、测试协议、仪表及传感器；⑷对资源特性进行调研，采用资源评估、预测工具掌握环境变化规律，制定扰动及极端事件集；⑸制定关于系统性能、可靠性、寿命等标准及测试流程规范 |
市场监督管理 | ⑴缺少市场监督管理经验；⑵政策支持力度不足 | ⑴对海洋能发电系统进行经济性分析；⑵给予维持海洋能发电市场价格平稳的政策支持；⑶积极向公众宣传海洋能发电优势；⑷建立对市场开拓所涉及领域的评价体系，包括就业、港口、船运、材料及测试等；⑸制定技术设计、测试和安装的国际标准；⑹估算电力需求 |
环境选址 | ⑴环境影响的不确定性；⑵未预留充裕的生产前置期 | ⑴在系统安装前后，要开展环境、开发框架、基础设施和场地影响评估；⑵制定选址和政策的指导规范，实现自适应管理 |
三、技术发展路线图
⒈美国海洋能技术发展路线图
为减轻经济、环境、社会压力，美国计划到2030年海洋能发电装机达到23GW，为满足上述目标，制定了海洋能技术路线图，从总体部署与关键任务不同维度规划发展进程。总体思路为逐步过渡到开放水域样机测试，掌握和模拟实际水域环境设备的响应情况；有计划地建设示范工程获取实际运行条件下机械设备对复杂环境适应度的数据；在小型商业化阶段，海洋能发电应达到可盈利的水平；随着设备生产效率提升、电价趋于合理水平、可靠性提高、维修成本降低以及环境效应等综合发挥效应，促进大规模商业化工程启动运营，如图1、图2所示。
图1 2010～2030年美国海洋能发电的总体场景部署
图2 关键任务技术研发策略及场景
⒉中国海洋能发电技术路线图
在《我国海洋能可再生能源发展纲要（2013～2016年）》及《国家海洋事业发展“十二五”规划》指导下，结合中国海洋能资源和技术现状，以强化海洋能技术实用化为原则，制定中国中长期海洋能发电技术路线图。中国未来海洋开发重点在于突破关键技术、提升技术原始创新能力，尤其在重要设备、操作维护平台、监控设备系统和操作方法中的关键技术创新。
海洋能发电总体思路为重点开发潮汐能发电技术，积极进行波浪和潮流能发电技术实用化研究，适当兼顾温差能和盐差能发电技术的试验研究。其中，潮汐能发电探索性地迈向大中规模电站发展，建设近岸万千瓦级潮汐能示范电站，实现潮汐能电站的并网规模化应用，建立并充分利用基础设施，积极推动技术和经验的发展和推广；波浪能发电在示范电站实现应用的基础上，逐步推进小规模电站的商业化试运营，建设百千瓦级波浪能发电等示范项目；建设兆瓦级潮流能发电等示范项目；探索开展温差能利用研究，鼓励开发温差能综合海上生存空间系统；开展盐差能发电原理及试验样机研究，如图3所示。
图3 2014～2030年中国海洋能发电技术发展路线图
本文以中长期海洋能发电技术发展路线图制定的总体思路为前提，分析海洋能发电存在的技术瓶颈及技术难点，提出短期内海洋能发电的技术攻关点，如图4所示。
图4 短期内不同海洋能发电类型关键技术发展路线图
四、结语
海洋能发电属于新兴技术，各方面条件尚不能满足和支撑其成功地商业化运作，技术的研发和创新过程欲速则不达，海洋能的发展思路应为适度发展潮汐能发电，试验开发波浪能和潮流能发电，完善盐差能和温差能发电关键技术为试验开发夯实基础。本文着重通过调研不同海洋能发电种类的国内外研究现状，从技术原理及特点出发，并依托技术现状分析基础上，探索海洋能发电的应用前景，提出了中国海洋能短期和中期技术发展路线图，以此规划中国未来海洋能技术发展路径和方向。
【作者简介】文/姜张雅洁 赵强 褚温家，分别来自中国电力科学研究院和国家电网公司华北分部。第一作者张雅洁，女，1987年出生，河北唐山人，硕士研究生，中国电力科学研究院，工程师，从事电力系统稳定、新型可再生能源发电研究。文章来自《中国电力》（2018年第3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。
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