海洋能——一个远未开启的宝藏

1、海洋能一个远未开启的宝藏张玍清华大学水利水电工程系，北京摘要能源是二十一世纪三大支柱产业之一，随着传统能源的消耗殆尽以及环境问题的日益严重，新能源的开发尤显重要。海洋能是一种重要的新能源，有着总量丰富，清洁可再生等特点。在能源危机的背景下，全世界海洋能的开发迅速发展。本文从对海洋能开发利用的角度出发，对海洋能作了一些简单介绍，一方面能向人们普及海洋能的相关知识，增强海洋意识，另一方面也是对国家施行的海洋可再生能源发展战略的一个侧面解读。海洋能目前的开发仍处于较低水平，但是人们已经意识到开发海洋能的重要性。相信未来，我们一定能开启这个巨大的宝藏。关键词 海洋能 能源开发 可再生能源1 引言自第一

2、次工业革命至二十一世纪，传统能源包括煤石油天然气等化石能源，水力和核裂变能，得到了大规模的开发和利用。但是在人类几百年不间歇无节制低效率的利用之下，传统能源中一些不可再生能源逐渐消耗殆尽，能源危机极其严重。据一些权威机构测算，煤炭石油和天然气可经开采的年限分别为165年40年和65年。能源是社会发展的基础，能源的减少甚至是消失将会严重阻碍整个人类的进步。同时，传统能源的大加利用，特别是化石燃料的燃烧，造成了许多的环境问题，如温室效应，气候变暖，和酸雨等，这些问题正在逐渐影响着人类的生存环境。因此，开发新的清洁且可再生的能源，加快能源利用从以传统型能源为主到以新能源为主的转型，成为社会的共识。在

3、这样的背景之下，海洋能作为新兴的绿色能源受到了广泛的关注。 海洋能总量丰富，形式多样，但是由于能量密度低，加之一些关键的技术问题尚未得到有效解决，目前海洋能的开发仍处于较低的状态。但是一些发达国家，如欧盟、美国、日本等都相继出台一系列法规政策，支持海洋能的开发，使其得到快速发展。我国海洋能的开发虽然起步较早，但是受经济、科技水平等限制，海洋能开发水平与发达国家相比存在一定差距。党的“十八大”报告中明确指出，要进行经济结构战略性调整，建设海洋强国，支持节能低碳产业和新能源、可再生能源发展，确保国家能源安全。发展海洋能，对于建设海洋强国，意义重大。近期，我国海洋能开发发展迅速，在各个方面取得了一些

4、阶段性成果。本文系统的介绍了海洋能的形式、特点，并对潮汐能和波浪能的开发技术作了探讨，同时汇集了一些最新的研究成果。2 海洋能概况2.1 海洋能总体概况 海洋能是海水中蕴藏一切能量的总和。狭义的海洋能通常指海水中蕴藏的可再生的自然资源，它们以海水为能量载体，以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中，形成潮汐能、波浪能、温差能、盐差能和海流能。广义的海洋能还包括海上风能、近海太阳能和海洋中的生物质能。海洋能的主要来源是太阳辐射，此外，潮汐能和海流能来源于太阳、月亮对地球的引力作用。海洋能的存在形式分为机械能（潮汐能、海流、波浪能），热能（海水温差），化学能（海水盐差）。 海洋能主

5、要有以下几个方面的特点。蕴藏量丰富，而且可再生，取之不尽，用之不竭。海洋能每年约对应37亿千瓦时的电量，每平方千米大洋表面水层所含能量，相当于3800桶油。因此，又有人称海洋为“蓝色油田”。稳定性较好或者变化有规律。海洋能有其变化的自然规律，如温差能和海流能比较稳定，只是稍有季节性变化，潮汐能则“朝为潮，夕为汐”，盐差能也极为稳定。最不稳定的海上风能也有其季节性和周期性。清洁无污染。海洋能属清洁能源，开发中对环境影响很小。能量密度（单位空间内的能量）低。虽然海洋能总量丰富，但是由于海域广阔，因此除盐差能外，其它形式的能源能量密度较低。这是制约海洋能开发的一大因素，同时也说明，要想从海洋中获取大

6、量能量，就必须利用大量海水。开发环境复杂，一次性投资大，但是环境负荷小，不占用土地，可综合利用。能源源地靠近沿海电力负荷中心，也可解决偏远海岛的供电问题。122.2 国外海洋能开发现状 目前，以英国、美国、欧盟等国为代表的发达国家在海洋能领域发展迅猛，已有近百个项目陆续运行。这归因于一下几个方面: 发展规划合理。英国、美国、欧盟等都制定了全面、详细、操作性强的海洋能发展规划和资金扶持方案。以美国为例，作为世界头号强国同时是海洋大国，美国在海洋科技、海洋资源开发等方面均处于世界前列。美国是一个耗能大国，但同时美国海洋能发电潜力巨大，仅海浪发电一项就可满足美国6.5的电力需求。在国际能源我危机的背

7、景下，美国政府制定了科学、合理的发展规划，并与政府财政税收等多方面政策支持相结合。如美国海洋生物质能计划、能源政策方案、美国海洋可再生能源技术路线图等。此外，英国的海洋能源行动计划、日本的“阳光计划”和“新阳光计划”、加拿大的海洋可再生能源路线图，欧盟的JOULE计划等也都明确描绘了本国海洋能源发展路线，促进其海洋能开发的技术和产业迅速发展3。 技术研发水平高。国外海洋能开发利用技术先进，虽然目前仍处于前期的单机验证阶段，大部分装置是短期实验装置，但仍有少数样机开始向商业化迈进，其中的潮汐坝系统更是得到商业化的规模应用。在2011年6月，开始运行的韩国254MW的始华潮汐坝将世界海洋能装机容量

8、提高至519MW。开放海洋试验是海洋能技术研发的重要方法。英国从2004年起，就在苏格兰Orkney群岛的欧洲海洋能中心（EMEC）进行了大量技术试验和并网，这是最早的开放海洋试验装置。其他国家也在进行海洋能试验场建设，如美国西北国家海洋可再生能源中心(NNMREC)与俄勒刚州立大学和华盛顿大学联合建立了波浪能和潮流能试验场以及在建的全尺度的并网的商业化海洋能试验场太平洋海洋能中心。在海洋能试验的基础上，国外已掌握可靠、高效和低成本的海洋能发电的关键技术，海洋发电装置普遍集成化程度高4。 产业化程度高。国外的海洋能开发具有设计、研发、加工制造、工程维护等全产业链体系。2012年OES(国际海洋

9、能源局)报告中称“国际海洋能产业的发展效率改善与成本降低”。尽管中期建设时，很多方面都有显著的成本和效率风险，但现有基础表明，海洋能在满足各种形式的可再生能源的成本轨迹和贡献达到可再生能源目标的方向具有相当的潜力。目前不少公司已实现兆瓦级海洋能发电商业化项目，如现在技术最先进的潮流能装置之一英国MCT公司的SeaGen项目，单机容量达1.2MW，发电效率高。此外，美国的Verdant Power、OPTT等已在开发兆瓦级的海洋能工程项目。2.3 中国海洋能开发现状 我国海域辽阔，海洋资源丰富，且主要分布于东海和南海沿岸，总蕴藏量约为4.31亿千瓦(每年)，发电潜力巨大。 我国海洋能开发虽然起步

10、较早，但是与发达国家相比仍存在不小差距。这体现在以下几个方面:海洋能技术不成熟，研发力量薄弱。一方面我国海洋能的技术仅仅停留在部分学科，普遍性和实践性较低，另一方面与国外企业自主引导相比，我国海洋能的开发以高校为主，各自为战，缺乏合作和引导。示范应用规模小，产业服务体系尚未形成。政策扶持和经济激励有待完善。但是我国海洋能的开发又处在一个前所未有的机遇期，发展海洋能的需求极为迫切。政策资金方面，自2010年起，财政部设立了海洋可再生能源专项资金，至2012年已安排专项资金约6亿元，为中国海洋能技术研究、示范应用及培育产业化方面提供了有力的财政支持。海洋可再生能源专项资金的规模超过了建国以来国家对

11、海洋能工作投入的总和。依托专项资金，国家海洋局共组织实施项目73个，包括10个大型示范工程。同时，社会对海洋能开发的关注度显著提高，一些社会资金逐渐进入海洋能领域。据统计，专项基金带动社会基金达5亿多元。通过近几年的努力，中国海洋能开发发展迅速，技术研究、示范应用、产业发展方面，涉及海上风能、潮汐能、潮流能和波浪能等。其中，以海上风能的开发项目最为成熟，数量最多，规模最大。至2011年，建成并投入运营的海上风电场有5个，风电机组87台，总装机容量达238.3MW，在建风电项目14个，总装机容量达2250MW。正在运营的唯一一个潮汐电站江夏潮汐电站发点规模全国第一，世界第四。波浪发电和潮流能发电

12、等也有少部分实验电站。据相关计划，至2015年，中国海洋能发电装机总容量达1504×104KW。 中国要成为海洋强国，海洋能的开发必不可少。未来，我们应不断了解世界海洋能开发发展路线，对自身发展作出合理规划;加强海洋能开发技术研究和技术集成，引导国内高校合作开发并吸纳企业参与开发，提供保障机制;加快建设一批有良好现实意义的示范工程，构建海洋能产业服务体系，推动海洋能开发的市场化;参考国外政策，进行海洋能开发法规政策的改革;加大资金扶持力度，加强经济刺激。通过以上这些措施，促进我国海洋能高效健康的发展，走上海洋强国之路。3 潮流能及其开发3.1 潮流能概念 潮流，是由潮汐导致的有规律的

13、海水水平流动海水在受到日、月引力产生潮汐的同时，还产生周期性的水平流动，及潮流。(潮流是海水在水平方向的周期性流动，潮汐是海面垂直方向的涨落)。同时，潮流和洋流（海底水道和海峡中较为稳定的海水流动）合称海流。潮流能，指的是潮流所具有的动能。3.2 潮流能特点规律性和可预测性强，能量稳定，可接入电网，便于电能的管理和调配。潮流会随潮汐全天有规律的改变大小和方向，相对于海上风能和波浪能而言，潮流能要稳定得多。能量总量和能量密度都较大。全世界潮流能理论估值为500100GW,我国近海99条主要水道潮流能蕴藏量为8.325GW5。根据动能定理，潮流能的能量与流速的平方和流量成正比。一般而言，流速在2m

14、/s以上的潮流就具有开发价值。同时由于海水密度比空气大得多，仅2m/s的海流能量密度就相当于陆地上18.8m/s的8级大风。潮流能发电装置简单，无需修筑大坝，也无前期巨额投资，建设周期也较短。目前潮流能的发电机组主要为叶轮式，又被形象地称为“水下风车”。对环境的影响小。潮流能的利用形式常为开放式，对海洋环境的干扰很小。同时也轮的转速很慢，海洋生物仍可在叶轮附近生存。最后，潮流能发电机组大部分在水下，运行过程中不会产生太大的噪声，也不会破坏周围的视觉风景。3.3 潮流能开发技术潮流发电系统称为潮汐电站，主要由三大系统组成：海洋结构系统，发电系统和鉴别系统。水轮机是潮流发电装置中实现能量转换的核心

15、设备6。本文将对几种形式的水轮机进行介绍。3.3.1水平轴式潮流发电技术水平轴式潮流发电技术是采用水流方向与叶轮旋转轴平行的潮流能水轮机，通过水流推动桨叶旋转发电的技术。水平轴潮流能水轮机（图1），又称轴流式水轮机，与风力机十分相似。其原理十分简单，先通过水平叶轮机在水流作用下旋转，然后通过轮毂、主轴、传动系统将能量传递给发电机，带动发电机发电，后续电气系统基本与风力发电相同。水平轴式发电装置的特点是效率高，自启性能好。水平轴式水轮机还可分为风车式、导流罩式(图2)、空心贯流式（图3）。风车式水轮机是目前主要的机型，技术也比较成熟，发展最快。导流罩式水轮机只是在水平轴式水轮机的转子和叶轮外增加

16、一个导流罩。导流罩具有导流、聚能的作用，可以使通过水轮机的水流能量更为集中，获能效果和发电效率更高。空心贯流式水轮机的引水部件、转轮和排水部件都在一条轴线上，水流一贯平直通过，故称空心贯流式。这种水轮机过流能力较高，比转速较大，可以双向发电。图 1 图 2 图 33.3.2垂直轴式潮流能发电技术垂直轴式发电机组也常被称为潮汐栅栏式结构。垂直轴式水轮机又叫横流叶片式水轮机，工作原理类似Darreius式竖轴风力机，水流方向和叶轮旋转轴方向垂直。按照安装结构，可分为漂浮式结构和固定式结构；按照桨叶形状，又可分为直叶片型（图4）和螺旋叶片型（图5）两种。直叶片型竖轴水轮机的叶片呈圆周分布，与转轴平行

17、。螺旋叶片型水轮机采用螺旋形状的叶片，可有效减少垂直水轮机的振动，捕获水能效率高达35.垂直轴式发电装置的优点是可以双向发电，而且机组的电气部分可以至于海面以上，安装、调试及维修较为方便。但它有不少缺点。首先，浮筒式安装结构易受风浪影响；其次，叶轮自启性能差，整体效率较低；再次，叶片旋转时无法始终处于最佳角度，故捕能效率较低；最后，叶片位置的周期性变化使转轴受力呈周期性变化，机组振动较大，转轴及轴承的工作条件恶劣。图 4 图 53.3.3其它潮流能发电技术 除水平轴式和垂直轴式两种较为主要的潮流发电技术外，其他发电技术还包括振荡水翼式、链式以及我国的柔性叶片式。这些技术出现较晚，目前尚处于测试

18、阶段。本文仅对柔性叶片式进行介绍。该装置由中国海洋大学和中国机械科学总院联合开发，基本原理类似于帆翼。柔性叶片呈三角形，能充分利用水流间相互耦合作用产生的升力效应和阻力效应做功，获能效率更高，并且结构简单，制造方便，安装容易7。2008年，一台5KW的柔性叶片潮流装置进行了测试运行。4 潮汐能及其开发4.1潮汐能概念 潮汐是指地球上的海水在天体(主要是日月)的引力作用下所产生的周期性运动，且一般指海面垂直方向的涨落。中国古代称白天海涌为“潮”，夜间的为“汐”，合称潮汐。广义上的潮汐能(Tidal Power)包括海面升降(潮汐 Tidal Range)的势能和潮水水平流动（潮流 Tidal C

19、urrent）的动能。狭义上的潮汐能，或者说针对潮汐发电，仅指潮涨潮落的势能。本文所讨论的潮汐能就是后者。4.2潮汐能特点 总量丰富，且取之不尽用之不竭。全球潮汐能理论储量为30亿KW，其中浅水区潮流能（可利用部分）为10亿KW，可开发量为8亿KW。而且潮汐能来源于天体引力，永远不会枯竭。清洁无污染.规律性及可预测性强。潮汐规律极为准确，如月亮绕地球一周的时间为24h48min,潮汐的周期也为24h48min，像钟表一样精准。能量密度低。和一般水力发电相比，潮汐能能量密度低，仅相当于微水头发电的水平。4.3潮汐能开发 潮汐能和潮差密切相关。涨潮时，随着海水逐渐向岸边流动，岸边水位逐渐升高，动能

20、变为势能；落潮时，随着海水逐渐离岸流去，岸边水位逐渐下降，势能变为动能，潮汐能的能量与潮水量和潮差呈正比，对于水电站而言，与库容和潮差呈正比8。世界上较大的潮差在1315m之间，一般平均潮差在3m以上就具有开发价值。目前全世界潮汐发电总装机8亿KW，年发电量为2000亿度，所以尽管潮汐能是人类目前开发最为成熟的海洋能，其开发水平仍十分低下。潮汐发电的原理和普通水力发电类似，通过出水库，在涨潮时将海水储存在水库内，以势能的形式保存，然后在落潮时放出海水，利用高低潮位之间的落差，推动水轮机的旋转，带动发电机发电。差别在于海水和河水不同，蓄积的海水落差不大，但流量较大，且呈间歇性，从而潮汐发电的水轮

21、机机构要适应低水头、大流量的特点。潮汐发电有三种主要形式：单库单向式、单裤双向式和双库单向式。以下表格对这三种形式的潮汐发电作了横向比较。类型工作原理优缺点单库单向式在涨潮时将将贮水库闸门打开，向水库冲水，平潮时关闸；落潮后，待贮水库与外有一定水位时开闸，驱动水轮发电机组发电优点是设备结构简单，投资少；缺点是潮汐能利用率低，发电不连续单库双向式利用两套阀门控制两条向水轮机引水的管道。在涨潮和落潮时，海水分别从各自的引水管道进入水轮机，使水轮机旋转带动发电机适应天然潮汐过程，潮汐能利用率较高，但投资大双库单向式采用两个水利相连的水库。涨潮时。向高贮水库冲水；落潮时，由低贮水库排水，利用两水库间的

22、落位差，式水轮机发电机组连续单向旋转发电可实现连续发电。缺点是要建两个水库，投资大且工作水头降低 由表格可看出，这三种潮汐发电方式的工作原理和优缺点各不相同。一般而言，单库单向式投资较低，但是能量利用率仅有22，日发电时间仅为1012h；单库双向式较之单库单向式，由于需满足涨潮、落潮两个方向均能过水发电的要求，所以在厂房、水工建筑和水轮机发电机组的结构上均要复杂，但正是由于它能双向发电，故而发电时间较长，日达1620h，增加三分之一，发电量增加五分之一，能量利用率也较高；最后，双库单向式比两种单库式各个方面的水平都要超出不少，可以连续发电，效率比单库单向式要高出34左右。但是双库单向式需要建造

23、23座堤坝，2座水闸，工程建筑量大而分散，投资高，实际使用水库面积也由于分成双库而减少。总体而言，这三种类型的潮汐电站各有优劣。建设时，要具体情况，具体分析，根据实际的潮型、潮差、地形、电力系统的负荷要求、发电设备的组成情况以及材料和施工条件等技术经济指标，进行综合考虑，慎重加以选择。5 波浪能及其开发5.1 波浪能总体概况波浪能是海洋表层海水在风力的作用下产生的波动。波浪中所储存的能量，称为波浪能。1981年联合国教科文组织公布的数据显示，全球波浪能理论蕴藏量为30亿千瓦，技术上允许使用的为10亿千瓦。另根据国际能源理事会保守估计，全世界可开发的波浪能资源为20亿千瓦，年发电量为17.5万亿

24、千瓦，相当于全世界每年用电量。相比其它海洋能源，波浪能有不少优点：能量密度最大。在太平洋、大西洋东海岸维度40°60°区域，可达3070KW/m，最高达到100KW/m；常以机械能出现，在海洋能中品质较好；分布最广，适用于边远海岛；转换装置结构比较简单，建造和维护较方便。但是波浪能也有不少缺点，比如能源不稳定，利用较困难，利用效率低，还有开发成本高，经济效益差，投资回收期长等。5.2开发概况波浪能开发利用的主要方式是波浪发电，除此之外波浪能还可用来输送和抽运水、供暖、海水脱盐、制氢等。波浪发电一般是通过波浪能转换装置，将波浪能转换为其它形式的机械能，再转换为电能。波浪能的转

25、换装置一般要进行三级转换：第一级是受波体捕获波浪能；第二级是中间转换装置把捕获的波浪能转换为某种特定形式的机械能；第三级是发电系统接收机械能并发电，类似常规发电装置。世界波浪发电技术经过20世纪70年代的实验室研究阶段和80年代的海试阶段，目前已逐渐接近实际应用阶段。各种波浪发电装置层出不穷，波浪发电领域的发明专利达1500多项，因此波浪发电又称为“发明家的乐园”。目前国外发展水平较高的国家有英国、美国、欧盟以及日本等。著名的波浪发电装置有英国的“海蛇”（最大功率750KW，并可稳定发电）和“巨蟒”（最大功率1MW，构造简单），美国的Power Buoy等。我国有广阔的波浪能资源，理论存储量在700万KW左右，沿岸波浪能平均功率为1.3×107KW。我国波浪能发电研究历史已有30多年，建有100KW振荡水柱式30KW摆式波浪能发电试验电站，特别是海上导航灯标已形成产业化并对外出口，总体而言，我国波浪发电技术仍较落后，示范应用规模较小。目前，国家愈加重视波浪发电，