潮流发电现状分析及未来展望

第12卷第2期中国水运Vol.12No.22012年2月ChinaWaterTransportFebruary2012 收稿日期：2011-12-15作者简介：段自豪（1988-），男，河北廊坊人，浙江海洋学院船舶与建筑工程学院，研究方向为海洋新能源开发利用。基金项目：浙江海洋学院大学生科技创新项目，浙江海洋学院科研启动经费，浙江海洋学院校级专项，国家自然科学基金（41106077），浙江省自然科学基金（R5110036），浙江省公益技术应用研究项目（2011C24005）摘要：作为一种清洁无污染，蕴藏量丰富的可再生新型能源，潮流能发电备受各国的青睐，应用技术得到迅猛发展。文中从潮流能的特点入手，介绍了国内外潮流能开发利用技术的昀新进展，及目前出现的各种潮流能发电装置，对各项技术的特点和应用前景进行了评述；通过对国内外潮流能利用技术的分析研究，总结了潮流能发电技术的未来发展走向，指出潮流能作为一种新型的可再生能源发电技术，具有广阔的前景。关键词：潮流能；发电；水轮机中图分类号：TK71文献标识码：A文章编号：1006-7973（2012）02-0106-0321世纪随着世界经济、社会的发展能源的可持续发展与环境保护已成为亟待解决的问题。化石能源的有限性和对人居环境的威胁，迫使我们加强对可再生资源的有效开发利用，而储量丰富、分布广泛的海洋潮流能极具开发前景和价值。据欧盟委员会支持的非核能项目估计欧洲可利用的潮流能达12.5GW；我国的潮流能资源相对更加丰富，沿海岸130个水道的理论潮流能功率约为14GW，其中浙江、福建沿海等地区不仅在国内，在世界上也是潮流能资源昀丰富的地区之一。特别是舟山群岛新区一带的大部分海域潮流流速能达到2~4m/s，能流密度相当相对较高，具有可观的开发价值[1]。一、潮流能及其特点（1）是可再生清洁能源，储藏量大；（2）具有较强的规律性和可预测性；（3）不需要拦海筑坝，大大缩短了建设周期；（4）发电装置可固定于海底，可系泊于水中或漂浮于海面，不存在常规水电站建设中出现的占用农田，移民安置等问题。二、国内外潮流能开发利用研究现状在国外，美国是昀早开展海潮流能发电技术研究的国家，于1973年提出在佛罗里达海域采用伞式巨型水轮机组。2002年，RITE项目启动，在纽约的东河中进行。英国的MCT公司设计的世界上第一台水平轴式发电机组——“SeaFlow”于2003年成功进行了海上试验运转。MCT公司又设计了商业模式的1.2MW潮流能水轮机“SeaGen”且并网发电。2008年9月，爱尔兰的OpenHydro公司自主研制的一台潮流能发电装置在苏格兰的欧洲海洋能中心进行了试验，使潮流能利用计划向前迈进了一大步。法国于2008年完成了Hydrohelix公司设计的直径为3m的潮流能水轮机测试，并计划建设潮流能发电站。2005年，韩国建设了第一座潮流能发电场；2009年5月，首台1MW的Gorlov型潮流能机组投入商业运行。目前，国外潮流能技术大多处于试验阶段或示范工程阶段，基本上由公司或企业承办，在未来几年将会出现数十个兆瓦级电站，潮流能发电开始走进人们的生活。20世纪70年代末，舟山农民何世钧首先进行了潮流发电原理性实体试验。80年代初，哈尔滨工程大学采用漂浮系泊式立轴自调直叶摆线运动水轮机方案，进行海上试验研究。2002年4月，中国第一座70KW级潮流能电站在舟山市岱山县龟山水道建成发电。在国家“十五”863计划的支持下，由哈工大研制的海底固定式垂直轴潮流能装置——40KW潮流实验电站于2005年12月完成。2008年12月，由中国海洋大学与机械科学研究总院合作研制的5KW柔性叶片水轮机潮流发电装置，在青岛市胶南斋堂岛水道成功进行了海试。2006年4月，浙江大学在舟山群岛新区的岱山港水道进行了5KW潮流能发电样机的海上试验；2009年5月，对25KW固定式水平轴潮流能装置成功进行了海试。我国潮流开发利用项目基本都在百千瓦内，大部分为国家资助项目，较少企业参与，潮流能技术还有较大发展空间。三、潮流能利用技术潮流发电是近年来发展较为迅速的新技术，与水库式潮汐发电相比更灵活，更有创新空间。对潮流能获取装置进行分类，如下所示。水平轴潮流能水轮机竖轴潮流能水轮机升力—阻力型潮流能装置振荡式水翼潮流能潮流能装置其它潮流能获取装置风车式空心贯流式导流罩式直叶片式螺旋叶片式Savoniu式水轮机柔性叶片水轮机潮流能获取装置图1潮流获能装置分类图    第2期                             段自豪等：潮流发电现状分析及未来展望                            107  水平轴潮流能水轮机又被称为轴流式水轮机，类似于大型风力机，利用水流推动旋转桨叶发电。水平轴水轮机是现代应用技术中较为主流的一种，已有兆瓦级项目建成，并投入商业运行。（1）风车式潮流能水轮机风车式水轮机的结构和工作原理与现代风力机相似，被形象地称为“水下风车”，是目前昀为成熟的一种潮流能水轮机。风车式水轮机结构简单，稳定性强，获能系数高，其翼型叶片可调，以适应不同的流速，因此被众多公司和机构推崇采用。英国的MCT公司是当代潮流能发电技术的领军者，在上世纪90年代中期就开始研究潮流能发电技术。2003年5月，该公司研制的第一台300KW水平轴式水轮机“SeaFlow”在英国的布里斯托尔海峡下海并完成安装测试（如图2）。机组利用基桩式固定在海床上，水轮机转子的升降由液压油缸带动，转子直径11m，被安装在英国德文郡的Lynmouth电站。2008年5月，该公司研制的世界上首台商用潮流能发电装置——1.2MW级“SeaGen”在北爱尔兰Strangford湖并网投入运行（如图3）。“SeaGen”水轮机采用双转子结构，转子直径16m，额定转速14.3r/min，额定功率1.2MW，为“SeaGen”的升级产品。图2英国MCT300KW图3英国MCT公司“SeaFlow”1MW“SeaGen”（2）空心贯流式潮流能水轮机加拿大CleanCurrentPowerSystemsIncorporated公司研制了一台双向带聚流罩的空心贯流式水轮机。水轮机转子直径3.5m，额定功率65KW，与“OpenCentre”类似，其装置本身构成了一台永磁发电机。2007年6月在进行性能测试时，轴承部分出现问题；2008年10月，对发电机系统进行了重新修复及部分装置的改良。（3）导流罩式潮流能水轮机这种装置是在水平轴水轮机转子叶轮外部增加一个导流罩，具有聚能、导流的作用，积聚水流能量，提高获能效率。英国的LunarEnergy公司、美国的UnderwaterElectricKite公司和新加坡的AtlantisResources公司是目前导流罩式潮流能水轮机技术的代表。竖轴潮流能水轮机又称横流叶片式水轮机，工作原理与Darreius式竖轴风力机相似，桨叶主要分为直叶式和螺旋式叶片两种形式。竖轴潮流能水轮机昀大的特点是在转子转向保持不变的同时，能适应各向来流，因此引起众多国家的研究兴趣。螺旋形叶片竖轴潮流能水轮机的一个典型机型是由美国GorlovHelicalTurbine公司设计的“Gorlov”水轮机。该装置由Darreius演变而来，采用非传统的螺旋式叶片，叶片具有一定的扭曲角度，使得叶片在转动过程中，阻力与升力都能有效地产生对转动轴的力矩，从而可使获能效率昀高达到35%。—（1）Savonius式水轮机在Savonius风力机的基础上，瑞典海力（Seapower）公司开发出一种升—阻力型水轮机——“EXIM”水轮机。该水轮机轴截面成“S”形，虽能产生较大的转矩，但获能系数相对较低，并且当叶片处于一定位置区域时，难以自启动。海力公司曾制造一台2KWSavonius型潮流能装置，并在波兰革坦斯克海域进行了海试。（2）柔性叶片潮流能水轮机2006年，中国海洋大学对垂直轴柔性叶片及水轮机转子结构、参数和性能进行了优化配置，于2008年12月在青岛胶南斋堂岛对新研制的5KW柔性叶片样机成功进行了测试。该装置采用柔性材料，一定程度上改善了水流的流场特性，较有效地利用流体的阻力与升力提高获能效率[3]。振荡式潮流能发电装置Stingray由英国工程事务公司设计开发，其翼型水翼通过摆臂连接，利用水流的升力与阻力上升，带动与液压缸相连的摆臂，昀后驱动液压马达发电。2003年，该公司设计的150KW样机发电装置，在苏格兰海域进行了测试，其额定流速1.54m/s，具有较高的灵活性。英国的海王星再生能源（NeptuneRenewableEnergy）公司研制的Proteus型竖轴潮流能水轮机，采用漂浮式锚泊，导流罩带有导叶，可改变流向，减小反向力矩，提高获能效率。该公司对6m×6m转子的潮流能装置进行了模型水槽实验，其获能系数高达0.45。四、潮流能利用技术展望（1）数值模拟仿真替代物理模型实验。通过风浪流水槽对潮流能水轮机模型进行实验，可以直接获得潮流发电系统工作过程中水轮机叶片和导流罩的大部分水动力学特征参数。然而筹备周期较长、费用较高，以及无法了解潮流能水轮机叶片水动力学性能的所有细节等缺点，则是制约模型实验方法广泛应用的主要因素[4]。（2）加装导流罩以获取更高的能效利用率。虽然潮流变化有规律可循，但是潮流流速的大小有很长一段时间处于较低水平，这样就直接导致了潮流水轮机发电功率较小。1998年，阿根廷的ISEP小组提出了一种对水轮机的性能提高有很大帮助的技术改进措施，即加装导流罩。导流罩能使能量集中起来，比起传统的水轮机，其发电系统其效能提高优势十分明显[7]。因此开发加装导流聚能装置的潮流能水轮机系统，是未来一段时间内的技术发展趋势。（3）潮流能利用向深水、复杂海域推进，因此对潮流能水轮机的深海生存能力，特别是抗倾覆性能提出了更高的要求。较深海域的稳定高流速区域自然成为安置潮流能发电水轮机的理想场所。而为了保持航道交通畅通，同时提高潮流能水轮机系统的抗倾覆性能，则又不得不把（下转第145页）   第2期                               连永秀：对水库防渗技术措施的探讨                               145  高压喷射灌浆技术，拥有对坝体坝基不需要开挖，占用地上施工工作面小，不需要水库放空，施工速度快的优点，具有很大的灵活性和可操作性；比常规的帷幕灌浆、固结灌浆处理效果明显及彻底；与现浇混凝土防渗墙相比，具有成墙工效高，施工难度小，施工工程量小，工程投资小的优点，混凝土防渗墙在各道混凝土防渗墙之间的结合部位有许多薄弱面，而高压喷射灌浆防渗体结构是逐渐过渡性接触，喷射时对地层有着挤压作用，强度由内至外渐变小，达到与地基一样，这对协调地基变形发挥着重要的作用。相对于深层搅拌法，高压喷射灌浆能适应不同地质情况，特别是对含水率较低的软弱地基的处理效果要比深层搅拌法好。但是高压喷射注浆法时必须充分考虑到其对工程的扰动作用，否则可能会危及水利结构的安全。因为喷射过程中容易发生串孔，影响邻孔的板墙体形成，所以高压喷射采用隔孔喷射（单号孔和双号孔分开喷射）。卵砾石层的防渗帷幕灌浆一般采用粘土加少量水泥制浆进行灌注，不同于在岩石中灌浆。受地质条件、技术和施工工艺的影响，不能有效控制浆液的填充范围，为达到相对较高的防渗标准，施工较为复杂，目前较少采用该方法。4．复合土工膜具有施工简单、成本低、使用年限长、抗顶破、抗拉、延伸性能好、质轻、抗撕强度高、变形模量大、防渗性能好、耐老化的优点，是用聚乙烯或聚氯乙烯制备成膜与涤纶针刺土工布热合而成，是一种理想的防渗材料，在水利水电工程、水库加固除险防渗中被广泛使用。由于复合土工膜与土石介质间的摩擦系数将影响防渗体的稳定行，对于坡度较大的水工建筑物必须复核防渗系统的抗滑稳定性。复合土工膜抗滑稳定性安全系数根据以下公式计算：K=f/t*g*a式中，K为抗滑稳定安全系数，f为上垫层与土工膜之间的摩擦系数，a为土工膜铺设坡角。针对不同的工程选择合适的复合土工膜，才能确保复合