潮流能发电及潮流能发电装置潮流能发电及潮流能发电装置戴庆忠摘要 潮流能发电是利用潮汐动能的一种发电方式。由于潮流能发电不需要筑坝潮流能发电是利用潮汐动能的一种发电方式。由于潮流能发电不需要筑坝 拦水，具有对环境影响小等许多优点。因此，近年来潮流能发电引起许多国家拦水，具有对环境影响小等许多优点。因此，近年来潮流能发电引起许多国家 重视，潮流能发电技术发展很快。本文从分析潮流能的特点入手，介绍了国内外潮重视，潮流能发电技术发展很快。本文从分析潮流能的特点入手，介绍了国内外潮 流能发电的近况，重点介绍目前出现的各种潮流能发电装置，包括水平轴潮流能水轮流能发电的近况，重点介绍目前出现的各种潮流能发电装置，包括水平轴潮流能水轮 机、竖井潮流能水轮机、振荡水翼式潮流能装置等。机、竖井潮流能水轮机、振荡水翼式潮流能装置等。 关键词 潮汐潮汐 潮流能潮流能 潮流能水轮机潮流能水轮机 潮流能发电潮流能发电 1前言1.1 潮流能的特点 潮流主要是指伴随潮汐现象而产生的有规律的海水流，潮流每天两次改变其大小和方 向。而潮流能发电则是直接利用涨落潮水的水流冲击叶轮等机械装置进行发电。 众所周知，潮汐是海水在月球、太阳等引力作用下形成的周期性海水涨落现象。潮汐 现象伴随两种运动形态：一是涨潮和落潮引起的海水垂直升降，即通常所指的潮汐；二是 海水的水平运动，即潮流。前者(海水垂直升降)所携带的能量(潮汐能)为势能；而后者所 携带的能量(潮流能)为动能。可以说，两者是与潮汐涨落相伴共生的孪生兄弟。对前者， 可以采用类似河川水力发电的方式，筑坝蓄水发电；而对本文所介绍的潮流能，可以采用 类似于海流发电方式，利用潮流的动能发电。 与常规能源比较，潮流能有以下特点： (1) 潮流能是一种可再生的清洁能源。 (2) 潮流能的能量密度较低(但远大于风能和太阳能)，但总储量较大。 (3) 与海流能不同，潮流能是一种随时间、空间而变化的能源，但其变化有规律可循，并可提前预测预报。 (4) 潮流能发电不拦海建坝，且发电机组通常浸没在海中，对海洋生物影响较小，也 不 会对环境产生三废污染，不存在常规水电建设中头疼的占用农田、移民安置等诸多问题。 (5) 与陆地电力建设相比，潮流能开发环境恶劣，一次性投资大，设备费用高，安装 维 护和电力输送等都存在一系列关键技术问题。 1.2潮流能水轮机输出功率的计算 潮流能机组输出功率的计算公式为：P= 23AV式中 P功率，W海水密度，1025kg/m3A潮流水轮机转子扫掠面积，m2V潮流速度，m/s效率 从上述可以看出，潮流能机组的输出功率很大程度决定于潮流速度。一般来说，潮流速度大于 1m/s 的海域即有开发价值。 1.3世界潮流能储量及分布 潮流能主要集中在近海浅水海域，特别是海峡、水道和湾口处。根据联合国科教文组 织估计，世界可开发利用的潮流能总量约为亿 kW。世界上潮流能储量丰富的地区包括中 国、英国、日本、韩国、新西兰和加拿大等地区。 1.3.1国外潮流能丰富的地区 英国威尔士的 Pembrokeshire 海域 英国威尔士与英格兰间的赛文河(Severn) 新西兰的 Cook 海峡 新西兰的 Kaipara 港口 加拿大的芬地(Fundy)湾 美国的东河(East River) 美国旧金山的金门海峡 美国新罕布夏州的 Piscataqua 河 英国 Channel 岛的 Aldemey 水道和 Swinge 水道 英国苏格兰 Islay 与 Jura 之间的艾拉(Islay)海峡 英国苏格兰 Caihness 岛与 Orkney 岛之间的 Penlland 峡湾 美国加州的 Humboldt 县 美国-墨西哥间的墨西哥湾 韩国全罗南道海域 日本濑户内海，特别是来岛海峡 日本北海岛与本岛之间的津轻海峡 1.3.2中国潮流能储量及其分布 中国潮流能十分丰富。根据对 130 个水道统计，理论平均功率为 13948.2MW。按海区 分，以东海沿岸最多，有 95 个水道，理论平均功率为 10958.15MW，占全国总量的 78.6%， 其次是黄海沿岸(12 个水道，2308.38MW)。南海沿岸较少(23 个水道，681.99MW)。按省区 分，以浙江省沿岸最多(37 个水道，7090.28MW)，占全国一半以上，其次是台湾、福建、 山东和辽宁。中国沿海潮流能密度较高的水道有：杭州湾北部(28.99kW/m2)、舟山金塘水 道(25.93 kW/m2)、舟山龟山航道(23.89 kW/m2)、舟山西侯门水道(19.08 kW/m2)、渤海海 峡老铁山北侧(17.41 kW/m2)、福建三都沃三都角西北部(15.1 kW/m2)、山东北隍城北侧 (13.69 kW/m2)、长江口北港(10.30 kW/m2)，以及台湾澎湖列岛渔翁岛西南(13.69 kW/m2)。 特别是舟山群岛，许多地方潮流速度达到 4m/s 以上，世界罕见，开发环境和条件很好，适 宜建设大型潮流电站。2国内外潮流能发电现状2.1国外潮流能发电的研究及开发 人类对潮流现象的观察、认识由来已久。但是，基于各种原因，直到 1970 年代，人 类 才开始研究潮流能的利用问题，近年来才开始重视潮流能发电的开发及规划建设问题。 美国是世界上最早开展海流发电研究的国家之一。1973 年美国首先提出在佛罗里达海 域采用“科里奥利斯”巨型海流发电装置发电的案，该方案为一种管道形水轮发电机，机 组长 110m，管道口径 170m，装置布置在水平面以下 30m 处，当海流速度为 2.3m/s 时，可 以发电 83MW；1985 年，美国在佛罗里达的墨西哥湾进行了 2kW 海流水轮机试验。同年美国UEK 公司设计制造了一台 20kW 的发电装置，在纽约市东河吊桥上进行了潮流能发电试验。 2002 年，美国绿色能源(Verdant Power)公司启动了 RITE(Roosevelt Island Tidal Energy)工程，工程在纽约东河中进行。该项目分三个阶段：2002 年2006 年为模型测试 阶段；20062008 年为示范验证阶段；20092012 年，在东河中安装 30 台水下潮流发电 机组，向电网输送 10MW 电力。该项目示范验证阶段已经完成。目前，Verdant Power 公司 又启动了 CORE(Cornwall Ontario River Energy)项目，该项目位于美国-加拿大的安大略 湖，计划装机 15MW。2009 年 4 月，爱尔兰 Open Hydro 公司与美国华盛顿州签署潮流能试 点项目合同，将安装 3 台 Open Hydro 公司的空心贯流式潮流能机组，预计工程在 2011 年 建成发电。 挪威从 2003 年开始在 Kvlsund 建设潮流电站，2009 年完成模型机组测试，投入运行。 2010 年将安装投运单机 1MW 的潮流机组。 法国 2008 年完成了 Hydrohelix 公司 3m 直径潮流能水轮机的测试。法国计划建设 36 座潮流能发电站。 新加坡对潮流能发电很重视。新加坡 Atlantis Resources 公司是世界上著名的潮流能 装置开发商之一。公司开发了两种型号的潮流能机型。Nereus 机型用于浅海海域(小于 25m)， 目前 150kW 和 400kW 机组已完成测试，正为挪威开发 1MW 机组；Solon 机型用于深海海域 (大于 25m),500kW 机组 2008 年 8 月完成测试，正开发 2MW 机组。 加拿大大不列颠哥伦比亚潮汐能能源(BC Tidal Energy)公司与英国 MCT 公司合作，计 划在温哥华 Campbell 河建设至少装机 3 台 SeaGen 型 1.2MW 机组的潮流能发电场；2009 年 4 月，加拿大新斯科帝亚动力(Nova Scotis Power)公司与英国 Open Hydro 公司签订合同， 在芬地湾(Fundy)建设一个 1MW 的潮流能发电站。 韩国是一个化石能源贫乏的国家。近年来对潮汐能源的开发不遗余力。除拦坝蓄水建 设大型潮汐电站外，对潮流能发电也情有独钟。2005 年，韩国就开始在全罗南道珍岛郡 (Jindo)的 Uldolmok 海峡建设第一座潮流能发电站，2009 年 5 月，首台 1MW 的 Gorlov 型 潮流能机组投入商业运行，按照规划，2013 年底前，总共将安装 90 台 1MW 的 Gorlov 型潮 流能机组，使 Uldolmok 潮流能发电场的总装机容量达到 90MW；另外，2008 年 3 月，韩国 Midland 动力公司与英国月能(Lunar Energy)公司合作，在全罗南道莞岛郡(Wando)的 Hoenggan 建设一座巨型潮流能发电场，计划安装 300 台 1MW 的潮流能发电装置。2009 年， 1MW 的样机已经通过测试，整个工程计划于 2015 年完工。 英国是目前世界上潮流能发电技术最先进的国家，也是世界上潮流能开发利用较早、 较多的国家。2003 年，英国在德文郡的 Lynmouth 外海投运首台 300kW 的 SeaFlow 型潮流 能发电机组；2008 年 4 月，1.2MW 的 SeaGen 型潮流能发电机组在北爱尔兰 Strangford 湖 投入运行，2008 年 12 月,机组满发、超发。该潮流能发电站将共安装 12 台 1.2MW 机组， 总装机容量达到 12MW。目前，英国正在苏格兰和北威尔士建设大型潮流能发电场，将安装 1.2MW 及 1.5MW 的 SeaGen 型机组及其他型式的潮流能发电机组。 2.2 中国潮流能发电研究 中国是世界上最早开展潮流能发电试验的国家之一。1958 年在大跃进的热潮中，广东 顺德县水电局在桂畔海水闸进行了潮流能发电试验。试验水轮机转子直径 0.6m，长 4.5m， 两台装置均可在流速 1m/s 及以上的潮流下发电，但发电功率较低，仅 700W 左右。同年冬 天，山东水利科学研究所在山东荣城县斜口湾进行了潮流能发电试验，在两台相连的船上 安装两台水轮机(直径 0.8m，长 2.78m)，带动一台 5kW 的发电机发电，但由于结构设计不 当，在最大流速 0.8-0.9m/s 时，输出电压也不足 200V，只能带动一台石磨用于粮食加工。1969 年，江苏有关单位在南京长江大桥下进行了水流发电试验，试验采用 3 台 5m的螺旋桨式水轮机，当水流速度 1.3m/s 时，水轮机转速为 15r/min，水轮机水力效率可达 50%左右，水轮发电机输出功率可达 7kW。图 1 潮流发电船 浙江舟山市的农民企业家何世钧是我国自费开展潮流能发电研究的第一人。面对舟山 丰富的潮流能资源，何世钧潜心研究潮流能发电，1978 年，他将两台卧式螺旋桨水轮机装 在一只船的船尾，通过油压传动带动发电机发电。当潮流速度 3m/s 时，机组输出功率达 5.7kW。 1980 年代，哈尔滨、青岛一些单位进行过千瓦级潮流能发电船(图 1)的试验。潮流发 电船利用潮流冲击安装在锚定船舶两侧的水轮机转动发电。 1980 年代初，哈尔滨工程大学等采用漂浮系泊式立轴自调直叶片摆线式双转子水轮机 方案，开始潮流能发电研究。1980 年代中期完成 1kW 样机装置。接着完成了 10kW 潮流能 实验电站的设计研究，最后于 2000 年建成 70kW 潮流能实验电站。2002 年 4 月，中国第一 座 70kW 潮流能实验电站在浙江舟山市岱山县龟山水道建成发电。 “十五”(20012005)期间，哈尔滨工程大学在国家“863 工程”支持下，研制了 40kW 海底固定式垂直轴潮流能发电系统，2006 年在岱山县高亭港内试运行。 此外，东北师范大学 2008 年研制成功 1kW 水下漂浮式水平轴潮流能发电装置；中国海 洋大学和机械科学研究总院 2008 年研制成功 5kW 柔性叶片水轮机潮流能发电装置；浙江大 学 2009 年研制成功 25