我國海洋能技術的進展與展望

中國海洋大學 ■ 史宏達*

國家海洋局第二海洋研究所 ■ 王傳崑

摘 要：近年來我國的海洋能開發以發電為主，本文介紹了我國的潮汐能、波浪能和潮流能等的利用情況，並列舉了波浪能和潮流能的發電裝置；最後指出，海島能源示範與深遠海資源開發緊密結合，將成為我國海洋能開發技術未來的發展方向。

0 引言

能源是人類生存的基礎，社會發展的動力，國家強盛的保障。隨著經濟活動的開展，煤炭、石油等常規能源消耗加劇了環境汙染，而能源分布的不均與短缺又導致世界格局動蕩。因此，能源問題已成為全球政治、經濟、環境、安全等領域的焦點。

1 我國海洋能開發的背景

從能源結構看，我國是一個 「富煤、貧油、少氣」的國家，1993年，我國首次成為石油的淨進口國；2006年成為天然氣的淨進口國；2009年成為煤炭的淨進口國。我國能源資源約束日益加劇，生態環境問題突出，調整結構、提高能效和保障能源安全的壓力進一步加大，能源發展面臨一系列新的問題與挑戰。目前，我國非常規油氣和深海油氣資源開發潛力雖然較大，但海洋石油開發既是發掘能源的過程，也是消耗能源的過程。2011年，我國海洋石油產量突破5000萬t，而為此消耗的天然氣超過8億m3，相當於4個上海市1年的燃氣量。因此，以海洋波浪能、潮流能、溫差能作為輔助能源或替代能源，既可降低石油開採耗氣量、節約氣源，又可減少二氧化碳排放、保護環境。此外，我國擁有6500多個島嶼，其開發所需的電力可利用海洋可再生能源供給，以「就地取能」的方式提供，對於邊界島嶼，則有利於守海戍疆，維護國家主權。

《海洋可再生能源發展綱要(2013～2016年)》中提出，發展海洋能是確保國家能源安全、實施節能減排的客觀要求。海洋能是可再生且儲量豐富的清潔能源，海洋能的開發利用可實現能源供給的海陸互補，減輕沿海經濟發達、能耗密集地區的常規化石能源供給壓力。多種能源共同發展，可維護和保障我國的能源安全和經濟社會的可持續發展，亦將有利於發展低碳經濟和實現節能減排目標。

發展海洋能是提升國際競爭力的重要舉措。隨著海洋戰略地位的日益凸顯，海洋能源開發利用受到世界各國高度重視，多國相繼制定了鼓勵海洋能開發利用的法規、政策，以推進技術轉化及產業實施。同時，發達國家正努力加強海洋能研發力度，為大規模利用進行技術儲備。因此，與國際先進水平同步，搶佔海洋能開發利用技術領域的制高點，掌握核心技術，有利於提升我國海洋科技的國際競爭力。

發展海洋能是解決我國沿海地區和海島能源短缺的重要途徑。我國沿海地區人口集中、資產密集、經濟發達，且海島地區因國防或人民生活需要有待開發，而電力缺乏將成為制約沿海特別是海島經濟發展的關鍵因素。因地制宜建設適用的海洋能發電系統，是補充沿海電力短缺和解決海島居民及駐軍用電問題的可行途徑之一。

發展海洋能是培育我國海洋新興產業的需要。海洋能屬於新興產業，具有較長的產業鏈，其發展將促進和帶動裝備製造、加工安裝、新材料、海洋工程等一批產業和技術的進步，拉動經濟發展，增加就業崗位。大力發展海洋能，對於促進我國經濟結構轉化、實現可持續發展具有重要的推動作用。

海洋能在全球海洋總儲量巨大，資源分布極為廣泛。我國沿岸和近海及毗鄰海域的各類海洋能資源理論總儲量約為6.1087×1011kW，技術可利用量約為9.81億kW，見表1。

利用海洋能的主要方式是發電。小功率海洋能裝置可用於海島燈塔、航道燈標，以及海洋觀測浮標系統；大功率海洋能裝置可實現併網或獨立供電，為偏遠海島及海洋資源開發設施等提供清潔能源。

表1 我國各類海洋能資源儲量

2 我國潮汐能利用的發展

我國自1955年開始建設小型潮汐電站，20世紀50年代末～80年代先後建成沙山、白沙口、江廈等70餘座潮汐電站，使我國成為世界上建成現代潮汐電站最多的國家。其中，1980年建成的浙江省溫嶺市江廈潮汐試驗電站現總裝機容量為4100 kW，是截至2016年底我國最大的潮汐電站，規模相對較大，裝機規模在韓國始華潮汐電站(25.4萬kW，2011年)、法國朗斯潮汐電站(24萬kW，1967年)和加拿大安納波利斯潮汐電站(2萬kW，1984年)之後，位居世界第4；其餘電站的規模都比較小。由於多處潮汐電站是在政治運動中建設的，受時代限制，缺乏嚴謹的科學態度，多數電站均因選址不當、設備簡陋、與通航矛盾、淤積嚴重等原因，只運行幾個月甚至幾年就停止運行了。

在20世紀80年代末大電網未通到偏僻沿海和海島時，我國曾有8座電站長期(10～30年)運行發電，為農(漁)村的農、漁、副產品加工，灌溉，照明等供電，對當地社會經濟發展發揮了很好的促進作用，深受群眾歡迎。但是，連接電網後，由於經濟效益顯著下降、上網電價的限制，以及經營困難等原因，電站也逐漸停止運行。目前仍在運行的僅有浙江的江廈和海山電站。

自20世紀80年代中期以來，我國先後對浙江和福建沿海開展了潮汐電站選址規劃和可行性研究，選出了幾處建設條件較好的站址，但均未能開工建設。雖然當前潮汐電站技術是唯一成熟的海洋能技術，但其發展停滯的原因主要有：1)在海灣口築壩建電站與海灣內其他資源開發方式(如交通航運、港口碼頭等)存在矛盾；2)潮汐電站雖然社會和環境效益好，但建設周期長、單位裝機造價高、上網電價高、經濟效益低，故當地政府積極性不高。

3 我國近期研發的波浪能發電裝置

波浪能是海洋表面海水吸收了風能後產生的波浪所貯存的動能和勢能的總稱，具有能量密度較高、分布面廣等優點。捕獲波浪運動的能量帶動發電裝置發電，將波浪的動能和勢能轉變為電能是波浪能發電的基本原理。目前波浪能技術分為振蕩水柱技術、振蕩體技術和越浪技術3種。近年來，我國對振蕩體形式探索較多，出現了各種以不同振蕩體為基本形式的裝置。

1)鴨式波浪能發電裝置。2009年，中科院廣州能源所研製的第1臺10 kW鴨式波浪能發電裝置在廣東大萬山島海域進行了海上測試。2010年，第2臺鴨式裝置「鴨式一號」完成海試。2012年，第3臺鴨式裝置「鴨式二號」進行了海上試驗。2013年，裝機容量100 kW的「鴨式三號」波浪能發電裝置研製成功，實際最大輸出功率達25 kW。

圖1 鴨式波浪能發電裝置

2)哪吒波浪能發電裝置。2011年11月19日，中科院廣州能源所研製的漂浮直驅式波浪能發電系統「哪吒一號」在珠海萬山島完成現場投放。該裝置裝機容量為20 kW，是我國第一套利用直驅方式將波浪能轉化為電能的發電系統。2013年2月，經優化研製的「哪吒二號」海洋儀器波浪能基站開始海上實測，累計發電2050 h，最大輸出功率達11.47 kW。

圖2 哪吒波浪能發電裝置

3)鷹式波浪能發電裝置。2012年12月28日，中科院廣州能源研究所研製的新型漂浮式波浪能發電裝置「鷹式一號」在珠海市萬山島指定海域投放。該裝置安裝有兩套不同的能量轉換系統，總裝機容量為20 kW，其中液壓發電系統裝機為10 kW，直驅電機系統裝機為10 kW，兩套系統均成功發電。

圖3 鷹式波浪能發電裝置

經優化後設計的鷹式裝置「萬山號」對稱安裝4個鷹式吸波浮體，並共用半潛船體、液壓發電系統和錨泊系統。該裝置整體長36 m，寬24 m，高16 m，在海上既可漂浮，也可下潛至設定深度。裝置配備了大容量蓄電池、逆變器、數據採集與監控設備、衛星傳輸設備，可通過海底電纜向海島供電，也可為搭載在其平臺上的各種海上測量設備供電，還可通過衛星天線實現海上設備與陸上控制中心的雙向數據傳輸。

圖4 「萬山號」鷹式波浪能發電裝置

4)浮力擺式波浪能發電裝置。2012年7月，國家海洋技術中心研製的浮力擺式波浪能發電裝置在大管島海域投放運行。該裝置採用模塊化設計，由兩套獨立發電系統和電控系統構成，裝機容量為100 kW，實際最大輸出功率為2 kW。

圖5 浮力擺式波浪能發電裝置

5)擺式振蕩浮子波浪能發電裝置。2012年7月，廣東海洋與漁業服務中心和華南理工大學聯合研發的擺式振蕩浮子波浪能發電裝置在南海海域投放測試。該裝置由多個浮子組成，交錯排列於浮式基礎之上，採用錨鏈系泊系統，適用於低能流密度海域。

圖6 擺式振蕩浮子波浪能發電裝置

6)「海龍Ⅰ號」筏式液壓波浪能發電裝置。2011年，中船重工701研究所開展了海龍Ⅰ號筏式液壓波浪能發電裝置的研究工作。2014年6月，裝置總裝調試工作完成；7月開始進行海上投放測試；8月中旬因海況超出設計工況導致部分設備發生故障，試驗終止；8月底裝置回收工作完成；11月開始進行檢修加工改進，並再次開展了陸上聯調工作；第2次海上試驗仍在準備之中。

圖7 「海龍Ⅰ號」筏式液壓波浪能發電裝置

7)自保護浮子式波浪能發電裝置。2013年5月～2014年5月，浙江海洋學院製造的惡劣海況下自保護浮子式波浪能發電裝置在舟山海域進行了海試。該裝置由浮筒、液壓油缸及蓄能器等組成，裝配了2 kW、3 kW及5 kW 3臺發電機，無故障運行時間達165天，能量轉換效率超過16.4%。

圖8 自保護浮子式波浪能發電裝置

8)「集大1號」浮擺式波浪能發電裝置。2011年，集美大學開始研製10 kW「集大1號」浮擺式波浪能發電裝置。該裝置包含波浪能發電裝置和風能發電裝置，由10個振蕩式浮子、2個浮擺和1個垂直軸風機等部件構成。2014年6月，該裝置開始在福建廈門小嶝島海域進行海試，正常運行時間超過5000 h，實際最大發電功率達到3.6 kW，波浪能和風能的綜合轉換效率達15%。

圖9 「集大1號」浮擺式波浪能發電裝置

9)漂浮式液壓發電裝置。山東大學研製的漂浮式液壓發電裝置由硬倉及垂蕩板模塊、潛伏倉模塊、立柱模塊、發電室模塊及系泊模塊組成，總高度為30.77 m，約重93 t，裝機容量為120 kW。2012年11月，該裝置在山東成山頭海域進行了海上試驗。

圖10 漂浮式液壓波浪能發電裝置

10)振蕩浮子式波浪能發電裝置。2014年，中國海洋大學研製的齒輪齒條振蕩浮子式波浪能發電裝置在青島沙子口海域進行海上測試。該裝置由浮子、阻尼板式潛伏體、配重塊構成，機械式能量傳遞機構、電力轉換及存儲部件密封於浮子內部，裝機容量1 kW，可實現浮子雙行程運動下電能單向輸出。

圖11 1 kW齒輪齒條振蕩浮子式波浪能發電裝置

2014年1月10日，「海靈號」組合型振蕩浮子式波浪能發電裝置在青島齋堂島海域投放。該裝置裝機功率為10 kW，由4個圓錐型浮子組合而成，採用液壓轉換系統通過液壓馬達驅動發電機發電，配備螺旋升降器克服潮差的影響，底部採用斜拉纜繩錨固，工作水深40 m，海試運行時間超過1年。

圖12 10 kW「海靈號」組合型振蕩浮子式波浪能發電裝置

4 我國近期研發的潮流能發電裝置

潮流能發電水輪機是將從潮流能中獲得的水流動能轉換為電能的轉換裝置，其為潮流能發電系統的核心組成部分之一。潮流能發電水輪機轉換能力的強弱是評價整個發電系統性能優劣的重要指標。目前，潮流能水輪機開發的主流方式為水平軸和垂直軸形式，此外，還有振蕩水翼式、渦激振動式等新型技術。

近年來，在國家科技計劃和專項資金支持下，我國研發了10餘項潮流能發電試驗裝置，主要潮流能發電技術已全面進入海試階段，基本解決了潮流能發電的關鍵技術問題，發電機組的關鍵部件也已基本實現國產化。現將我國近年來開發的主要潮流能發電裝置列舉如下。

1)「海能Ⅰ」潮流能發電裝置。2012年8月，哈爾濱工程大學聯合4家企業研發的垂直軸潮流能發電裝置「海能Ⅰ」，裝機容量為300 kW，安裝於浙江省岱山縣龜山水道測試運行。該裝置為漂浮式，垂直軸水輪機組懸掛於雙體船上，直驅發電機。

圖 13「海能I」潮流能發電裝置

2)「海能Ⅱ」潮流能發電裝置。由哈爾濱工程大學研製，採用漂浮式2葉片水平軸變槳葉輪直驅發電機方案，裝機容量為200 kW。由4套錨系固定的「中」字型載體搭載2臺100 kW機組，可升降維護。2013年6月將其安裝於青島市齋堂島海域，發出的電力通過1 km 海底電纜上岸接入500 kW海島多能互補獨立電力系統的中央控制室。

圖14 「海能 II」潮流能發電裝置

3)「海能Ⅲ」潮流能發電裝置。「海能Ⅲ」潮流能發電裝置採用漂浮式雙層2葉片垂直軸葉輪方案，載體搭載2臺300 kW機組；葉輪通過齒輪箱驅動發電機獨立運行。該裝置已於2013年8月完成海上安裝。

圖15 「海能III」潮流能發電裝置

4)「海明Ⅰ」潮流能發電裝置。由哈爾濱工程大學研製，是我國自行研製的第一座長期示範運行的坐底式水平軸潮流能獨立發電系統，其額定發電功率為10 kW。2011 年9 月，「海明Ⅰ」於浙江省岱山縣小門頭水道進行了海試，所發電力經海底電纜輸送至仙洲橋燈塔，為燈塔照明和供熱。

圖16 「海明I」潮流能發電裝置

圖17 5 kW柔性葉片水輪機潮流能發電裝置

5)柔性葉片水輪機潮流能發電裝置。柔性葉片水輪機潮流能發電裝置是中國海洋大學研製的5 kW潮流能發電裝置，於2008年11～12月在青島市膠南齋堂島水道成功進行了海試。該裝置的水輪機轉子葉片採用柔性材料製作，具有獨特的水動力學性能，垂直安裝時，轉向由葉片的安裝方向決定，而與水流方向無關，適合在各向潮流中應用，且具有較高的水動力學性能與較低的起轉流速。

6)「海遠號」百千瓦級潮流能發電機組。中國海洋大學研製了百千瓦級水平軸潮流能發電機組「海遠號」，裝機容量為2×50 kW，額定流速為1.5 m/s；採用變槳距控制技術和半直驅傳動系統，可實現換向功能和機組運行狀態的實時監測與控制；採用塔架式支撐結構和重力式基礎，坐底式，保證整個結構的穩定性，避免了漂浮式載體的多維運動對機組性能的影響幹擾及動載荷造成的疲勞破壞。2013年8月，該裝置於青島齋堂島附近海域開始示範運行，電力通過1 km 海底電纜上岸接入500 kW海島多能互補獨立電力系統的中央控制室。運行結果表明：機組運行平穩，輸出穩定；最佳獲能槳距角時，啟動流速為0.4～0.5 m/s；機組效率為36.1%。

圖18 「海遠號」百千瓦級潮流能發電裝置

7)「海川號」軸流式潮流能發電裝置。2015年6月，中國海洋大學研製的軸流式潮流能發電裝置「海川號」，在青島齋堂島水道安裝運行。該裝置採用浮潛式載體結合龍門升降機構的水輪機支撐結構，保證了裝置定位與固定的可靠，機組運轉平穩，方便裝置拖航、移址、回收及機組的維護保養；採用葉片變槳距技術和最大功率點追蹤控制，可實現低流速起動並提高了水輪機獲能效率；水下實時監控系統實現了機組的運行狀況監測和變槳距控制，保證了機組安全運行；基於GPRS技術實現了裝置的遠程數據採集與控制。裝機功率為20 kW，實現了跨年度正常運行。現場檢測結果顯示，機組葉輪能量捕獲係數Cp達到43.3%，機組效率達到35.2%，啟動流速約為0.5 m/s。

圖19 「海川號」20 kW軸流式潮流能發電裝置

8) 1 kW水下漂浮式水平軸及2 kW直驅式潮流能發電裝置。東北師範大學先後研製了1 kW水下漂浮式水平軸潮流能裝置和2 kW直驅式潮流能水下發電裝置的樣機。

圖20 1 kW水平漂浮式水平軸和2 kW直驅式潮流能發電裝置

9)水平軸自變距潮流能發電裝置。東北師範大學研製了水平軸自變距潮流能發電裝置，裝置採用了擺尾式潮流發電機調向機構，適應雙向潮流，提高了裝置的適應性；水平軸葉片採用了非對稱翼型，提高了低流速下的啟動和帶載能力，降低了透平重量；採用支撐塔架整體投放方式安裝於海底；裝機功率為20 kW，額定流速為1.5 m/s，啟動流速為0.7 m/s，整機轉換效率達26%，葉片直徑為5 m。該裝置於2013 年4 月於青島膠南齋堂島海域成功發電。

圖21 水平軸自變距潮流能發電裝置

另外，東北師範大學也在進行海洋觀測平臺5 kW 模塊化潮流能供電技術研究。

10) 5 kW固定式水平軸及25 kW水平軸半直驅潮流能發電裝置。浙江大學成功研製了5 kW固定式水平軸潮流能發電裝置及25 kW半直驅水平軸潮流能發電裝置。2009 年5 月在岱山縣進行了25 kW 機組的海上試驗。

圖22 5 kW固定式水平軸及25 kW水平軸半直驅潮流能發電裝置

11) 60 kW水平軸半直驅潮流能發電裝置。浙江大學研製了60 kW水平軸半直驅潮流能發電裝置樣機，2014年5月開始，在舟山摘箬島海域實現跨年度試驗運行。現場檢測結果表明：在額定工況下，該機組的葉片能量捕獲係數Cp超過40%，系統效率達到39%，機組的低速啟動性能優異，啟動流速為0.6～0.8 m/s。該裝置在海試過程中輸出的最大功率達到118 kW，機組日輸出電能100～300 kWh，累計發電量已超過20 MWh。

圖23 60 kW水平軸半直驅潮流能發電裝置

12)豎軸直驅式潮流能發電裝置。大連理工大學開展研製了一種豎軸直驅式潮流能發電裝置，裝機容量為15 kW。2013 年10 月，裝置樣機於遼寧省大連市大、小長山島之間的水道進行了海上試驗，海試期間，最大輸出功率可達8 kW，裝置的能量轉換效率超過25%。

圖24 豎軸直驅式潮流能發電裝置

13) 10 kW永磁直驅式潮流能發電裝置。青島海斯壯鐵塔公司和哈工大威海分校研製了10 kW永磁直驅式潮流能發電裝置。該裝置採用坐底式固定水平軸方式，裝機功率為10 kW，設計流速為1.5 m/s，獲取能量效率大於25%。該裝置於2014 年進行了海上試驗。

圖25 10 kW永磁直驅式潮流能發電裝置

5 我國海洋能發展趨勢展望

對於海洋能的利用，雖在可再生能源領域中發展較晚，但其在深遠海開發中仍最具競爭優勢。潮汐能當前在我國尚不具備大規模開發的前景，溫差能與鹽差能由於基礎較弱，也未達到實用化階段。因此，波浪與潮流能成為我國當前海洋能開發的主流。雖然海洋能必將佔據越來越重要的地位，但就其目前的發展狀態來看，遠未體現其開發的先進性，如理論研究不足，能量攝取機理模糊；系統研究不完備，能量傳遞配合低下；風險估計不清，結構安全無法保障；開發模式單一，能量用途有欠靈活等。

海島能源示範與深遠海資源開發緊密結合，是我國海洋能開發技術的發展方向。與「陸能海送」相比，「海能海用、就地取能」從資源品質、生產使用成本、供給靈活度等各方面都具備明顯優勢。波浪能與潮流能的「多能互補、獨立供能」，將是滿足上述戰略需求、解決海上能源供給的重要有效途徑。海洋能跨越產業化門檻的重要標誌是聯網或獨立為海島軍民供電，而在其之前的關鍵設施為海洋能測試場。

針對前述我國海洋能特點及海島開發的重大需求，可將測試試場建為海島電廠，既可為海島供電，又可推廣複製，將成熟技術應用於更多的海島，形成全鏈條創新。以事關國計民生的重大戰略需求為引導，聚焦海洋能發展過程中的關鍵瓶頸與壁壘，通過重點研發計劃支持，切實提高我國海洋能產業核心競爭力，提高自主研發能力，攻克重大共性關鍵技術，創新產業模式，為海洋能的產業化與商業化發展提供持續性的引領與支撐作用。

通信作者：史宏達(1967—)，男，博士、教授，主要從事海洋可再生能源實用化開發與戰略研究方面的研究。[e-mail]

來源：史宏達, 王傳崑. 我國海洋能技術的進展與展望[J]. 太陽能, 2017, (3):30-37.

智匯海洋 定位於中國海洋智庫核心媒體，整合推送海洋資訊、傳播海洋學術成果。

免責聲明：本文不代表本公眾號的觀點和立場，信息來源於已公開的資訊，僅代表作者個人觀點，與本公眾號無關，僅供讀者參考，並請自行核實相關內容。版權歸原作者和媒體所有，如涉及版權問題，請在公眾號留言，確認後立即刪除內容。