国内外潮流能利用技术

国内外潮流能利用技术现状与发展∗赵龙武1，王树杰2，李冬2（1水利部杭州机械设计研究所，浙江杭州310012；2中国海洋大学工程学院，山东青岛266100）摘要：潮流能是一种清洁无污染、蕴藏量丰富的可再生新能源，随着化石能源不断枯竭和环保要求的不断提高，世界各国对潮流能的开发利用愈加重视，各种潮流能发电技术得到了不断突破，其中英国等欧美国家已进入商业化运作前期。本文介绍了国内外潮流能开发利用的昀新进展，以及已建、在建和计划筹建的工程项目情况；对各种水轮机的实验性能、实际应用情况进行了阐述，总结了各种水轮机电站的工作流速、额定功率、固定方式等情况，对各项技术的特点及应用前景进行了对比研究；通过对国内外潮流能利用技术的分析，总结了潮流能发电技术的发展趋势，针对我国潮流能开发利用现状提出了建议。关键词：潮流能；潮流能电站；水轮机TheStatusandTrendsofMarineCurrentEnergyConversionintheWorldZhaoLong-wu1,WangShu-jie2,Li-Dong2(1TheMinistryofWaterresourcesHangzhouMechanicalResearchInstitutes;2OceanUniversityofChina)Abstract:Oceancurrentenergyisoneofcleannon-pollutingandabundantreservesrenewableenergy.Asenergyandclimatechangearecurrentlytwoofthemostimportantissuesfacingsociety,manygovernmentsaroundtheworldaremakingeffortstoexploitthenewenergyresource.Thetechnologyofoceancurrentgenerationhasgotsignificantdevelopment,andtheUnitedKingdomandothercountrieshaveenteredpre-commercialdemonstrationstage.Inthispaperthestateofexploitingoceancurrentenergy,projectsandplanningprojectswereintroducedandanalyzed.Theexperimentalturbineperformance,actualapplicationofturbinepowerstationsweresummarized,andrateflow,ratepower,mooringsystemwerealsointroduced.Basedonthetechnicalandapplicationcomparativestudy,gotthedevelopingtrendofpowergeneration,somesuggestsaregiventotheoceancurrentenergydevelopmentandutilizationinChina.KeyWords:TidalCurrentEnergy;TidalCurrentPowerStation;Turbine潮流主要是由潮汐引起的海水流，储量丰富，据欧盟委员会支持的非核能项目[1](JOULEIINon-NuclearEnergyprogram)估计欧洲可利用的潮流能达1.25×104MW，我国潮流能资源极为丰富，据《中国沿海农村海洋能资源区划》统计，中国沿岸130个水道的理论平均功率约为1.4×104MW，其中浙江、福建、山东和台湾海峡是世界上潮流能资源昀丰富的地区之一。世界能源的日益短缺和环境的不断恶化，促使世界各国加快绿色能源的开发利用，潮流能作为绿色可再生能源，具有能量密度高、可预测性强、蕴藏量丰富等特点，越来越受到世界各国的重视。目前潮流能的规模化的开发利用，虽然还没有成功运作的商业化项目，但在选址、经济技术和环境影响等全面评估的基础上，提出了不同类型的原型设计，并在实验室、海域进行实验研究。其中英国海∗作者简介：赵龙武（1983-），男，Email：[e-mail]160洋能开发利用技术已走在了世界的前列，已有商业化规模的潮流能电站在筹建。世界众多研发机构或公司已参与到潮流能技术的研究中，现在基本处于试验和商业化运作前期阶段，众多大容量的商业开发项目正在筹划建设当中[2]。本文将总结了世界各国的潮流能利用情况，对潮流能利用技术及相关项目进行对比分析，总结潮流能技术的发展趋势，针对我国潮流能利用现状提出了建议。1国内外潮流能开发利用现状1.1国外潮流能开发利用现状欧美国家的海洋能开发利用，受到政府和社会的大力支持，许多国家已提出了明确的目标[3]，以促进海洋能源的开发，如表1所示。表1世界主要国家海洋能开发目标国家20202050资料来源爱尔兰84MW485MWOceanEnergyinIreland–SEI–2005新西兰总发电量的1-2%/EnergyOutlookto2030葡萄牙550MW/GovernmentTarget英格兰总发电量的10%/MarineEnergyGroupReport(2004)西班牙（巴斯克地区）5MW巴斯克沿海，到2010年/BasqueRegionEnergyStrategy英国总发电量的3%总发电量的20%CarbonTrustReport(2006)潮流能作为海洋能的重要组成部分，近几年在众多基金项目和示范项目的支持下，得到了快速发展，规模化的开发项目在未来的几年也将不断建成。英国在潮流能利用技术和开发规模上都已经走在了世界的前列，由MCT(MarineCurrentTurbineLtd)公司研制的1.2MW潮流能水轮机“SeaGen”，于2008年12月建成，现已并网发电，这是世界上第一个商业化电站[4]。MCT与RWEnpowerrenewables公司合作，将建立10.5MW的电站项目，预计在2011-2012年完成。2008年5月26日，由爱尔兰OpenHydro公司制作的250KW示范样机OpenCentre，在英国的奥克尼郡（Orkney）岛成功发电，并入到英国国家电网[5]。英国LunarEnergy公司开发的RTT（RotechTidalTurbine）潮流能水轮机装置，于2007年完成了1MW的全尺寸装置试验。LunarEnergy公司与E.ON合作，计划在2010年建立一个8MW的商业电站。LunarEnergy公司还与韩国签订开发世界昀大潮流能项目，计划装机300台，容量总计300MW，将于1612009年完成样机测试工作，2015年完成整个项目[6]。美国的RITE(VerdantPower’sRooseveltIslandTidalEnergy)项目，始于2002年，在纽约的East河中进行。项目分为三个阶段：测试阶段，示范阶段和商业运作，具体时间安排如下：第一阶段(2002-2006)模型测试，第二阶段(2006-2008)示范验证，第三阶段(2009-2012)兆瓦级项目建设。2008年11月，VerdantPower公司完成了里程碑式的RITE项目第二阶段。该公司正在筹建CORE（CornwallOntarioRiverEnergy）项目，该项目位于美国和加拿大共有的湖泊安大略湖，计划发电15MW，项目分为两个阶段[7]，示范工程阶段（2007-2010）和商业化阶段（2010-2012）。挪威的HammerfestStrom公司研制的座底式水平轴水轮机，由三个叶片组成，模型机于2003年在挪威Kvalsund安装，经过了4年的运行测试，2009年将再次安装，做进一步的研究测试，并将并网运行。该公司将设计1MW的全尺寸样机HS1000，计划2010年安装完成[8]。在2008年期间，法国的hydrohelix完成了3m直径的水轮机测试；英国Pulsetidal开始了100kW震荡式发电装置的安装；在加拿大，CleanerCurrent公司对65kW的RTT（RotechTidalTurbine）潮流能设备进行了修复，重新测试，此前轴承部分出现了问题；新加坡AtlantisResourcesCo.公司完成了400kW的Nereus和500kWSolon的潮流能水轮机测试，并计划2009年试验1MW和2MW的机型，2012开始安装商业化阵列式机群[9]。国外潮流能利用技术现在基本处于试验测试和示范工程阶段，英国、美国、加拿大、韩国等国家，已有较大规模的项目在实施当中，未来几年将会有数个十兆瓦级电站建成，潮流能发电距离人类的生活也会越来越近。1.2国内潮流能开发利用情况近几年，海洋可再生能源开发利用得到我国政府高度重视，迎来前所未有发展契机。《国家科技兴海纲要》（2008-2015）明确表述重点推进海洋可再生能源利用技术产业化，强化海洋可再生能源技术的实用化，同时在条件适宜的海岛和滨海地区，建立海洋可再生能源开发利用技术的试验基地和示范工程。2008年3月，中国可再生能源学会海洋能专业委员会成立大会暨第一届学术讨论会在杭州举行，使我国海洋能开发利用进入了一个崭新的阶段。目前我国潮流能装置研发取得了如下进展：（1）40kW潮流实验电站“万向II”，为哈尔滨工程大学研制的海底固定式垂直轴潮流能装置。装置研制得到国家科技部“十五”863计划的支持，2005年12月完成。（2）1kW水下漂浮式水平轴潮流能装置，由东北师范大学研制。装置研制获得国家科技部“十一五”863探索类项目支持，项目开始于2006年11月，于2008年12月结束。（3）5kW柔性叶片水轮机潮流能发电装置，由中国海洋大学和机械科学研究总院研制，项目得到162国家科技部“十一五”863探索类项目的支持。于2008年11-12月，在青岛市胶南斋堂岛水道成功进行了海试。（4）25kW固定式水平轴潮流能装置，由浙江大学正在研制的装置。于2009年5月成功进行了海试。我国潮流能开发利用项目容量都在百千瓦内，且大部分为国家资助项目，还没有国内企业或公司参与，我国潮流能技术还有很大的提升空间。2潮流能利用技术潮流能获取装置作为潮流能电站的关键部分，直接影响整个系统的性能，大部分潮流能获取装置为旋转类水轮机，其中水平轴和竖轴水轮机应用较多，对潮流能获取装置进行分类，如图1所示。2.1水平轴潮流能水轮机根据水轮机具体形式的不同，水平轴水轮机大致可分为“风车”式、导流罩式、“空心”贯流式。水平轴式潮流能水轮机是现在技术较为成熟的一种，已有兆瓦级项目建成，以下分别介绍各种水平轴水轮机性能及工程应用情况。2.1.1“风车”式潮流能水轮机“风车”式水轮机又称“水下风车”（UnderWatermill），其结构和工作原理与现代风力机相似，是目前发展昀好的一种潮流能水轮机，水轮机主要由翼型叶片组成，叶片可为固定倾角，也可为变倾角形式以适应不同流速。“风车”式水轮机结构简单，稳定性较好，有众多公司或机构对其进行研究应用，如英国的MCT(MarineCurrentTurbine，Ltd)、SMD公司、美国的VerdantPower公司、我国的浙江大学、东北师范大学等，在英国现有兆瓦级的电站建成，更大规模的开发项目正在建造。图1潮流能获取装置种类英国MCT公司分三个阶段发展水平轴潮流能水轮机技术，第一阶段代号“Seaflow”，由英国工贸部163和欧盟资助350万英镑，在德文郡（Devon）的林茅斯（Lynmouth）研制一座300kW的潮流能装置，2003年6月研究人员进行了实际海况实验，至今一直工作正常，如图2所示。第二阶段“SeaGen”，额定功率1.2MW，可供约1000户家庭用电，如图3所示。2009年MCT进入第三阶段，实现规模化建造[3]。图2英国MCT公司300kWSeaFlow图3英国MCT公司1.2MWSeaGen“SeaG