振荡水柱波能发电装置冲击式透平

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第1章 波浪能的开发与利用
　　1.1 海洋可再生能源
　　海洋占据地球表面近 71％的表面积，承载了地球上 97％的水量，而真正被详细测绘过的海洋面积还不到 20％ 。人类从未停止过对海洋的探索，21 世纪甚至被称为海洋的世纪。面临人口数量继续膨胀、陆上资源持续枯竭、生存条件逐渐恶化等问题，我们不得不将发展的希望寄托于尚未得到充分开发的海洋。据估计，22 世纪初的人口数量将达到 100 亿。人类生存的基础要素，包括空间、食物及能源均要面临巨大的供需挑战。未来我们可以依靠海洋解决空间、食物甚至是能源的巨大需求。
　　可再生能源将在未来能源供给体系中扮演重要角色，在减少传统能源消耗对气候变化影响过程中也将发挥关键作用。未来陆上可再生能源的开发将越来越受到环境、经济甚至是社会因素的掣肘，而海洋可再生能源 (简称海洋能) 的开发利用受到的影响则相对较小。联合国政府间气候变化专门委员会 (Intergovern- mental Panel on Climate Change， 简称 IPCC) 与国际能源署 (International Energy Agency，简称 IEA) 的报告都认为海洋能将在未来扮演重要角色。据估算，海洋能可提供的电力远超目前全世界电力消耗水平的数倍。
　　海洋能完全绿色环保，无温室气体排放、分布广泛、储量丰富。海洋能开发方兴未艾，不仅可提供绿色、可持续的电力，还将在未来形成一个全新的可再生能源产业与商业增长点，培育巨大的市场与上下游产业链，带动多个行业进入新的发展空间，创造更多的就业岗位，还将拉动促进更多的相关学科融合发展，并可能取得意外的新突破。
　　广义上讲，所有与海洋相关的可再生能源均可被称为海洋能。例如，海上风能、海上太阳能、海上生物质能等，但本质上承载上述可再生能源的介质并非海水本身。按照 IEA 海洋能系统 (Ocean Energy System，简称 OES) 委员会给出的定义，狭义上讲，海洋能是指依附于海水本身，并通过海洋中的各种物理过程吸收、传递与发散的可再生能源。据此，海洋能主要包括：潮汐能、海流能、海洋温差能、盐差能与波浪能。
　　下面将对上述各类海洋能及其开发利用现状进行简要介绍。
　　1.1.1 潮汐能
　　潮汐能是在海水水面昼夜间的涨落中蕴含的能量。为了区别于潮流能，此处仅考虑潮涨与潮落引起的水体势能。因此，潮汐能开发的主要形式与水力发电类似。潮汐能的能量与潮量及潮差成正比，或者说，与潮差的平方及蓄水水库的面积成正比。化石能源、传统水能发电、风能、太阳能、生物质能以及波浪能，其能量本质上均来自太阳，而多数地区的潮汐能来自地月系统间的引潮力。与传统水力发电相比，潮汐能发电受制于潮差的范围，潮汐能利用相当于低水头发电。另一方面，潮汐的可预测性甚至强于风能与太阳能，这为潮汐发电的设计与控制提供了良好的基础。
　　潮汐能是人类最早利用海洋能的形式。潮汐磨坊 (Tide Mill) 利用近岸地形建设小型蓄水池，涨潮时水体通过闸门进入水池。落潮时闸门关闭，经过一段时间后，闸门内外形成水头差，打开水车处的闸门，水体即可驱动水车旋转，并通过简单机构转换，实现机械碾米或磨面。潮汐磨坊的历史可追溯至欧洲的中世纪，甚至是罗马时代。现存较有代表性的潮汐磨坊位于英国东南部汉普郡 (Hampshire)的拓顿与伊灵镇 (Totton & Eling)，该磨坊也是伊灵当地著名的景点之一。
　　潮汐能发电目前仍是现代海洋能利用中技术最成熟、开发规模最大的发电形式。据估计，潮汐能的全球总储量约为 1 TW。虽然也有人提出潮汐泻湖、动态潮汐能等概念，但目前主流的应用技术型式仍是潮汐堰坝：在近岸海湾或河口位置的有利地形处，修筑堤坝形成大面积的拦蓄水库，利用潮汐涨落形成的内外水头差进行发电。根据建设模式与发电设计流向不同，潮汐能电站可分为单库单向型、单库双向型及双库单向型等。受限于水头差 (一般在 10 m 以下)，并考虑水库容积，为提高发电效率，潮汐能电站的水轮机必须适应 “低水头、大流量” 的特点，因此可采用灯泡贯流式水轮机等。
　　世界上建设最早、长期保持装机容量世界第一位，也是最著名的潮汐能电站，即为法国的朗斯电站 (Rance Tidal Power Station)，朗斯当地拥有众多的潮汐磨坊，而该电站的策划始于 20 世纪 20 年代。相关的可行性研究及设计工作在第二次世界大战期间已基本完成，但正式建设始于 1963 年，并于 1966 年完工。电站位于法国圣马洛湾的朗斯河口，最大潮差 13.4 m，平均潮差约 8.0 m，运行模式基本为单库单向型。大坝长度约为 750 m，横跨于河口之上，大坝上部为通行道路，下部建设有船闸、泄水闸及发电机房等。电站装配有 24 台 10MW 的灯泡式水轮机，年发电量约为 500GW h，约为法国电力年需求量的 0.12％，该电站目前仍在正常运行之中。
　　超越朗斯电站，目前保持装机容量世界第一的是韩国始华湖潮汐能电站 (Sihwa Lake Tidal Power Station)，装机容量达 254MW，水轮机数量为 10 台，潮差约为 7.5 m，运行模式为单库单向型。早年间，韩国政府在安山市为了兴建淡水湖建设了一条 12.7 km 长的水坝，但由于湖中的水体受到污染，无法用于农业灌溉。为了净化水体，2004 年开始海水被重新引入，以期改善水体质量。基于上述潮汐堰坝的设计，潮汐能电站也同时被列入计划，并最终于 2011 年建成了目前世界上最大的潮汐能电站。
　　世界上其他正在规划研究的潮汐能电站项目选址还包括加拿大的芬迪湾、英国的塞文河口、美国的库克湾及韩国的加露林湾与仁川港湾。
　　我国的潮汐能资源主要集中在东海海域的浙江省、福建省及江苏省，尤以浙江、福建两省的海湾最为富集。据统计，我国潮汐能的技术可开发量约为 230 GW[1]。我国自 20 世纪 50 年代末至 80 年代初，建设了超过 40 座小型潮汐电站。由于选址不当、淤积严重等问题，多数电站已停运或废弃。目前仍在运行的代表性电站是位于浙江温岭的江厦潮汐能试验电站，运行模式为单库双向型，自 1980 年开始并网发电，装机容量为 3.2 MW，处于世界第三位。在国家 “863” 计划及国家海洋局海洋能专项资金的支持下，该电站对灯泡贯流式水轮机组进行了改造，其装机容量仍有提升的空间。我国规划的潮汐电站选址还包括浙江健跳港、山东乳山口、福建八尺门、福建马銮湾及浙江瓯飞电站等。
　　整体看，虽然潮汐能电站技术日趋成熟，但除了由于其他目的配套建设的始
　　华湖电站外，全世界范围内近四十年未有大型潮汐能电站建成发电。这是因为堰坝模式投资巨大，但装机容量与相同投资成本下的火电站完全不可同日而语。此外，堰坝建设对于当地海域自然环境动力要素、泥沙冲淤的影响仍无法完全正确评估，这从英国对塞文河口建设潮汐能电站的长期论证评估也可见一斑。对于中国沿海而言，海岸线异常珍贵，若无法形成综合开发模式并大幅提高单位长度岸线的收益率，在近岸海域，与常规化石能源、甚至其他可再生能源发电项目相比，潮汐能电站将不具备任何的竞争力。
　　1.1.2 海流能
　　海流能是指海水流动的动能。海流能的原始驱动力来自太阳，由于太阳能在海洋中各区域的分布不均匀形成温差，并由此形成了海水的流动。此外，风、海底地形、潮汐、陆源输入、盐度差异、地转偏向力等都可能影响海流。海洋能中的海流主要是指狭长式海底水道与海峡中较为稳定的海水流动，以及潮汐导致的有规律的海水流动。海流能量与流速的立方成正比。海流能的能流变化较为平稳且规律。潮汐导致的海流一般会按照每天两次改变大小与方向。近岸海域的海流能大多来自潮汐变化，因此海流能也多被称为潮流能。
　　海流能的优点是能流稳定且可预测，一般不占用陆地面积，不影响海上景观。海流能开发始于 20 世纪 70 年代第一次石油危机之后，近年来在欧洲、日本及中国发展迅速。全球的海流能总功率约为 5000 GW，但大部分难以利用。由于工作原理与风力发电相似，从原理上讲，任何一台风力发电装置经过改造均可以成为海流能发电装置。
　　海流能装置大体可分为三类：水平轴式水轮机、垂直轴式水轮机及振荡水翼装置。水平轴式水轮机旋转轴与海流平行，一般采用两个或三个叶片，特点是发电效率高，但需要通过变桨距等技术手段对正来流，目前已成为大型海流能装置的主要选择；垂直轴式水轮机旋转轴垂直于海流，叶片一般为三个，叶片型式主要有直长形及螺旋形，其优点是水轮机旋转不受来流方向的影响，但工作效率相对较低，转轴固定端的切向作用力较大，因此多见于小型装置设计；振荡水翼装置通过不同控制策略实现直长形水翼在来流作用下的反复振荡，并由此完成能量摄取，控制策略针对两自由度运动分为主动型、半主动型及全被动型，该类装置发电效率与水轮机相当，对水深要求较小，扩展功率可通过简单加长水平叶片长度实现，但机械系统相对更复杂，工程样机开发进度落后于水轮机型装置。
　　由于目前仍缺乏水轮机长期实海况运行的数据，因此海流能开发过程中的环境影响仍未可知。海流能装置系泊安装可采用重力座底支撑、浮式系泊或者上述两者相结合的形式。
　　除了潮汐能电站，水平轴式水轮机是现今最接近商业化的海洋能利用形式。
　　目前，欧美国家的水平轴式水轮机单机开发工作日趋成熟，装置在坐底支撑、叶片设计加工、传动系设计与制造、变桨距控制等方面均取得了长足的进步。下一步开发的重点是潮流能水轮机阵列场及其与环境动力场的相互作用，包括装置阵列的尾流干扰与阵列拓扑设计等。
　　我国潮流能资源的技术可开发量约为 1660 MW，且集中于近海的主要水道之中，尤以浙江省沿岸海域资源最为丰富 [1]。我国的潮流能技术开发始于 20 世纪七八十年代，九十年代之后取得了快速发展。早期的潮流能水轮机开发主要由大学承担完成，包括哈尔滨工程大学、浙江大学、中国海洋大学及东北师范大学等，装置的技术水平可媲美欧美发达国家，但在工程化、实用化及商业化等方面距离先进国家水平仍有较大差距。在国家海洋局海洋可再生能源专项资金的支持下，越来越多的大型企业也参与到了潮流能装置的开发之中，相信也将推动相关产业的快速发展。
　　1.1.3 海洋温差能
　　海洋温差能转换 (Ocean Thermal Energy Conversion，简称 OTEC) 系统是指利用海洋表层海水和深层海水之间的温差进行热能转换的系统。海洋表面将太阳辐射能的大部分转化为热水并储存在海洋的上层。另外，接近冰点的海水在不到 1000 m 的深度大面积地从极地缓慢地流向赤道。这样，许多热带或亚热带海域终年存在 20 ℃ 以上的垂直海水温差。利用这一温差可实现热力循环并发电。除发电之外，利用海洋温差能系统还可以同时制淡、制氢，提取的深层海水富含营养物质及深海矿藏，因此还可用于水产养殖、冷土农业及扬矿系统。据估算，全球海洋温差能储量的数量级达到了 10 TW。
　　根据服役位置不同，海洋温差能电站可采用岸基式或离岸式设计。其中，岸基式电站需将深层海水通过传输管道运送至岸边，易使冷水升温而导致发电效率下降，因此此类电站宜建设在水深随离岸距离快速增加 (陡坡) 的海域，便于以更小的传输管道长度达到 1000 m 量级的深度。离岸式电站则建设于浮式平台之上，所有作业均在平台上完成，电力由海底电缆传输至岸上，或者制氢后运输回岸边。该类电站的特点是可任意选取作业位置，发电效率高，发电成本低，但电缆与平台作业系统也将导致投资费用较高。上述两类服役位置的折中方案为大陆架式电站，整个系统位于浅水大陆架边缘，水深在离开大陆架后将迅速变大。
　　根据工作原理不同，海洋温差能发电系统可分为闭式循环系统、开式循环系统及混合循环系统。在闭式循环系统中，首先抽取温度较高的海洋表层水，将