我國(guó)潮流能、波浪能研究與試驗(yàn)和示范工程現(xiàn)狀分析*

李健，楊立，邱泓茗，徐紅瑞，李晶

(國(guó)家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

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我國(guó)潮流能、波浪能研究與試驗(yàn)和示范工程現(xiàn)狀分析*

李健，楊立，邱泓茗，徐紅瑞，李晶

(國(guó)家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

我國(guó)海洋可再生能源正處于快速發(fā)展時(shí)期，自2010年國(guó)家設(shè)立海洋可再生能源專項(xiàng)資金以來(lái)，一大批的示范工程、研究與試驗(yàn)項(xiàng)目得到大力的支持與推廣，形成了一批擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)與裝備。但是作為一個(gè)全新的能源領(lǐng)域，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中難免遇到一些問(wèn)題，文章對(duì)2010—2011年立項(xiàng)的海洋能專項(xiàng)項(xiàng)目情況進(jìn)行調(diào)研分析，對(duì)研究與試驗(yàn)項(xiàng)目和示范工程進(jìn)行分類總結(jié)與概括，闡述當(dāng)前海洋能專項(xiàng)項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中的問(wèn)題和不足，并對(duì)將來(lái)海洋可再生能源專項(xiàng)項(xiàng)目的發(fā)展提出一些建議。

海洋可再生能源；潮流能；波浪能；利用現(xiàn)狀

2010年6月，國(guó)家海洋局與財(cái)政部共同出臺(tái)了《海洋可再生能源專項(xiàng)資金管理暫行辦法》，通過(guò)每年投入2億元的專項(xiàng)資金資助國(guó)內(nèi)海洋能利用和海洋能技術(shù)的發(fā)展。第一批的專項(xiàng)資金項(xiàng)目已于2010年啟動(dòng)，按照進(jìn)度計(jì)劃，現(xiàn)在多數(shù)項(xiàng)目應(yīng)該進(jìn)入結(jié)題驗(yàn)收階段。在這4年中，海洋可再生能源領(lǐng)域?qū)ｍ?xiàng)項(xiàng)目有序開(kāi)展，形成了多項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海洋能轉(zhuǎn)化和利用技術(shù)，培養(yǎng)了一批海洋可再生能源領(lǐng)域的專項(xiàng)人才，填補(bǔ)了我國(guó)海洋可再生能源領(lǐng)域尤其是海洋發(fā)電領(lǐng)域的多項(xiàng)空白。通過(guò)國(guó)家財(cái)政的不斷支持，雖然已經(jīng)形成了規(guī)范化的海洋可再生能源的理論研究體制，但是在某些關(guān)鍵技術(shù)實(shí)際應(yīng)用方面，還存在很大的不足。本文從潮流能研究與試驗(yàn)、波浪能研究與試驗(yàn)、示范工程3個(gè)方面對(duì)當(dāng)前海洋可再生能源發(fā)展進(jìn)行分析，并提出一些建議。

1 潮流能研究與試驗(yàn)現(xiàn)狀分析

潮流能研究與試驗(yàn)是擬將潮流能轉(zhuǎn)換為電能或其他可利用資源的研究與試驗(yàn)。潮流能能量密度大，有其他海洋能不可比擬的持續(xù)性、規(guī)律性和可預(yù)見(jiàn)性，

目前我國(guó)潮流能發(fā)電裝置根據(jù)不同的需求可采用拖曳式、漂浮式和座底式等方式，其中拖曳式、漂浮式潮流能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可維護(hù)性強(qiáng)，多為浮標(biāo)、潛標(biāo)或海床基供電。由于拖曳式、漂浮式潮流能發(fā)電裝置固定結(jié)構(gòu)有限，發(fā)電裝置不僅會(huì)受到潮流能的作用，還可能受到海洋表面波浪的作用，這樣發(fā)電裝置的主軸受力將極為復(fù)雜，極易斷裂，其可靠性指標(biāo)是制約拖曳式、漂浮式潮流能發(fā)電裝置發(fā)展的主要因素。相比之下，座底式潮流能發(fā)電裝置完全避免了海洋表面的不利因素，發(fā)電裝置的發(fā)電效率和可靠性相對(duì)提高。如果采用導(dǎo)流罩或者變槳距等技術(shù)，發(fā)電效率和可靠性將會(huì)進(jìn)一步提升，但是在發(fā)電效率的計(jì)算方法上，不同的參數(shù)輸入將導(dǎo)致發(fā)電效率計(jì)算結(jié)果的較大差異。如何規(guī)范發(fā)電效率的計(jì)算方法，是當(dāng)前面臨的一個(gè)問(wèn)題。座底式潮流能發(fā)電裝置多處于十米甚至幾十米深的水下，其可維護(hù)性成為限制潮流能發(fā)電裝置的關(guān)鍵，為此，設(shè)計(jì)人員對(duì)淺水區(qū)潮流能發(fā)電裝置采用自動(dòng)升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)深水區(qū)潮流能發(fā)電裝置采取浮箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加了發(fā)電裝置的可維護(hù)性能。

潮流能發(fā)電裝置已經(jīng)基本成熟，但是在發(fā)電效率和可靠性方面仍有不足：① 發(fā)電裝置轉(zhuǎn)換效率。如今海洋行業(yè)內(nèi)部還沒(méi)有專門對(duì)海洋能發(fā)電裝置的發(fā)電效率進(jìn)行科學(xué)、權(quán)威的解釋，因此每個(gè)項(xiàng)目都有自己的發(fā)電裝置轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算公式，導(dǎo)致了發(fā)電效率數(shù)據(jù)滿足任務(wù)書(shū)要求卻與發(fā)電功率相差很遠(yuǎn)。② 發(fā)電裝置可靠性。海洋環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，尤其當(dāng)前海洋能發(fā)電裝置在防腐蝕、機(jī)械結(jié)構(gòu)防生物附著和關(guān)鍵部件的剛度、強(qiáng)度等方面還存在一些不足，海洋能發(fā)電裝置的長(zhǎng)期正常運(yùn)行特征還有待考驗(yàn)，如何保證海洋能發(fā)電裝置的可靠性能是海洋能發(fā)電裝置實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

2 波浪能研究與試驗(yàn)現(xiàn)狀分析

波浪能是海洋中分布最廣的能源，波浪能發(fā)電裝置相對(duì)較小且適用范圍大，常用的波浪能發(fā)電裝置主要有振蕩水柱式、振蕩浮子式、擺式、鴨式等。波浪能發(fā)電裝置原理靈活，目前一種橫軸轉(zhuǎn)子水輪機(jī)波浪發(fā)電系統(tǒng)采用波浪能往復(fù)利用原理，大大提高了能量捕獲率，但是對(duì)于該裝置的能量捕獲率計(jì)算方法，卻有不同的見(jiàn)解。波浪能發(fā)電裝置一般工作于海洋的表面，其工作海況對(duì)發(fā)電裝置有一定的影響，尤其對(duì)無(wú)固定支撐結(jié)構(gòu)的波浪能發(fā)電裝置，其生存能力是發(fā)電裝置能否達(dá)到技術(shù)成熟的關(guān)鍵因素。

波浪能分布平均且易于獲取，采用波浪能發(fā)電可以解決浮標(biāo)、潛標(biāo)等海洋觀測(cè)設(shè)備定期更換電池的問(wèn)題，降低了海洋觀測(cè)設(shè)備維護(hù)周期，波浪能資源雖然已得到一定的發(fā)展，但是通過(guò)具體的試驗(yàn)情況，也暴露出了一些問(wèn)題：① 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的單一波、單一流雖然可以對(duì)波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行理想模型的分析，但是面對(duì)海洋環(huán)境，尤其是海洋波浪的實(shí)際環(huán)境，要考慮表面風(fēng)場(chǎng)、表面流場(chǎng)等因素對(duì)發(fā)電裝置效率的影響。② 海試方案。詳細(xì)和充分的海試方案是保證波浪能發(fā)電裝置的正常工作關(guān)鍵要素，項(xiàng)目組應(yīng)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段對(duì)海試方案進(jìn)行分解和細(xì)化，進(jìn)行多次海試，不斷改進(jìn)，避免單一海試試驗(yàn)失敗，影響項(xiàng)目的進(jìn)程和經(jīng)費(fèi)的調(diào)整。

3 海洋可再生能源示范工程現(xiàn)狀分析

海洋能示范工程是以海洋能與風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源組織整合，形成以可再生能源為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)工程，其多采用技術(shù)成熟的海洋能發(fā)電裝置，其穩(wěn)定性已經(jīng)在研究性試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

我國(guó)海洋能獨(dú)立電力系統(tǒng)示范工程是海洋能專項(xiàng)支撐的重點(diǎn)，一切工作都是在探索中進(jìn)行，雖然示范工程采取的發(fā)電裝置都是經(jīng)過(guò)驗(yàn)收并且技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但是由于示范工程是多個(gè)可再生能源的綜合利用，示范工程的海域使用面積大，大型示范工程對(duì)海島的影響以及海洋能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)建設(shè)等都是制約示范工程的因素：① 海域使用申請(qǐng)。海域使用申請(qǐng)是制約示范工程能否“落地”的關(guān)鍵要素，多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施方案中的計(jì)劃海域與實(shí)際使用海域并不相符，導(dǎo)致實(shí)際的海域水動(dòng)力參數(shù)無(wú)法滿足發(fā)電裝置的要求。項(xiàng)目組應(yīng)在項(xiàng)目申請(qǐng)前與當(dāng)?shù)卣M(jìn)行詳細(xì)地溝通，確保海域申請(qǐng)可以順利完成，當(dāng)?shù)卣矐?yīng)放寬海域使用條件，轉(zhuǎn)變“政績(jī)優(yōu)先”的思維，配合海洋能項(xiàng)目的進(jìn)行。② 海島生態(tài)保護(hù)。海島生態(tài)保護(hù)也應(yīng)是海洋能示范工程要考慮的因素之一，尤其是在實(shí)施方案編制過(guò)程中要充分調(diào)研和分析示范工程對(duì)當(dāng)?shù)睾u生態(tài)的影響，保護(hù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)條件。

4 結(jié)論與建議

海洋可再生能源潮流能、波浪能具有能量捕獲簡(jiǎn)單，能量分布廣泛，發(fā)電裝置設(shè)計(jì)較成熟等特點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前海洋可再生能源利用的熱點(diǎn)。我國(guó)海洋可再生能源利用尚處于發(fā)展階段，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)還在探索與研究之中，因此對(duì)未來(lái)海洋可再生能源發(fā)展提出以下建議：① 海洋能項(xiàng)目雖然理論分析數(shù)據(jù)完善，但是實(shí)際海試經(jīng)驗(yàn)不足，尤其在發(fā)電裝置的可靠性、可維護(hù)性、環(huán)境適應(yīng)性等方面沒(méi)有詳細(xì)的解決與認(rèn)證方案。因此，要在設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制，加大海試試驗(yàn)力度，制定試驗(yàn)大綱和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范海洋可再生能源發(fā)電裝置，促進(jìn)海洋可再生能源的發(fā)展。② 建立項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)控制機(jī)制，按照項(xiàng)目的進(jìn)度定期督查或檢驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)際進(jìn)程，及時(shí)解決項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，避免由于項(xiàng)目延期而減少對(duì)海洋可再生能源發(fā)電裝置的技術(shù)投入。③ 繼續(xù)加強(qiáng)海洋能綜合支撐平臺(tái)建設(shè)，推動(dòng)海洋能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，為我國(guó)海洋能事業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)保障和支持。④ 與當(dāng)?shù)卣浜?，在海域使用與生態(tài)保護(hù)方面協(xié)商與溝通，及時(shí)反饋問(wèn)題，保障海洋可再生能源項(xiàng)目的順利實(shí)施。

2013年海洋能專項(xiàng)基金“海洋能綜合支撐服務(wù)平臺(tái)建設(shè)”( GHME2013ZC01).

P74

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1005-9857(2015)03-0013-02