潮流能发电及潮流能发电装置.docx
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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
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
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。
关键词 潮汐 潮流能 潮流能水轮机 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=
式中 P——功率，W
ρ——海水密度，1025kg/m3
A——潮流水轮机转子扫掠面积，m2
V——潮流速度，m/s
η——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３亿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（EastRiver）
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（25.93kW/m2）、舟山龟山航道（23.89kW/m2）、舟山西侯门水道（19.08kW/m2）、渤海海峡老铁山北侧（17.41kW/m2）、福建三都沃三都角西北部（15.1kW/m2）、山东北隍城北侧（13.69kW/m2）、长江口北港（10.30kW/m2），以及台湾澎湖列岛渔翁岛西南（13.69kW/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（VerdantPower）公司启动了RITE（RooseveltIslandTidalEnergy）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；2006～2008年为示范验证阶段；2009～2012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，VerdantPower公司又启动了CORE（CornwallOntarioRiverEnergy）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OpenHydro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OpenHydro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3～6座潮流能发电站。
新加坡对潮流能发电很重视。
新加坡AtlantisResources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（BCTidalEnergy）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（NovaScotisPower）公司与英国OpenHydro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（LunarEnergy）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Φ5m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”（2001～2005）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25kW固定式水平轴潮流能发电装置。
此外，从1997年起，意大利阿基米德桥公司联合英国爱丁堡大学和意大利那不勒斯大学，与中国国家海洋局第二海洋研究所、哈工大和浙江省情报所等单位合作，开展“舟山潮流能开发技术可行性研究”。
合作双方完成了舟山海域的金塘、西侯门和龟山三个强潮流能水道的潮流资源调查，并推荐龟山水道为最佳试验水道；对欧方提出的“KOBOLD”竖轴可调叶片水轮机进行了适应舟山潮流能特性的选型研究。
目前我国潮流能发电研究已进入实海况的应用示范研究阶段。
“150kW潮流能电站关键技术研究与示范”作为我国六大海洋能开发利用重点项目之一，已纳入《国家中长期科学技术发展规划纲要》（2006～2020），正组织实施中
3潮流能利用技术
潮流能发电技术是近年来发展迅速的新技术。
潮流能发电装置的关键技术是潮流能获取装置。
近一、二十年来，人们提出了五花八门的潮流能获取系统，但大部分为旋转类水轮机。
又由于潮流能发电和风力发电都是利用流体的动能发电，故许多潮流能获取装置的灵感都来源于各种风力机，采用了许多类似风力机的结构。
目前，潮流能获取装置的种类繁多，可以按图2大致归类。
风车式
水平轴潮流能水轮机 空心贯流式
导流罩式
直叶片式
竖轴潮流能水轮机 螺旋叶片式
潮流能获取装置 导流罩式
升力-阻力型潮流能装置 Savonius式水轮机
柔性叶片式水轮机
振荡式水翼潮流能装置
其他形式潮流能装置
图2潮流能获取装置的分类
在图2所示的各型潮流能获取装置中，以水平轴潮流能水轮机应用最多，竖轴潮流能水轮机次之。
因此，下面重点介绍水平轴和竖轴式潮流能水轮机。
3.1水平轴潮流能水轮机
水平轴潮流能水轮机又称轴流叶轮水轮机，这种水轮机类似于常见大型风力机，其水流方向与旋转轴平行，利用水流推动叶轮旋转桨叶发电。
水平轴潮流能水轮机又可按结构分为风车式、空心贯流式和导流罩式。
3.1.1风车式潮流能水轮机（水下风车）
风车式潮流能水轮机是目前技术比较成熟、发展最快的机型。
风车式潮流能水轮机的工作原理和结构都与现代风力机类似，其水轮机翼型叶片可以是固定的，也可以是可调的。
风车式潮流能水轮机结构简单，稳定性较好，获能系数较高。
目前，风车式潮流能水轮机已为许多公司所推崇采用，其主要代表有英国洋流水轮机公司（MarineCurrentTurbines,Ltd.,MCT）、英国SMD公司和美国绿色能源公司（VerdantPowerCo.）公司等。
英国MCT公司是当代潮流能发电技术的领航者。
该公司于2000年由英国IT动力（ITPower）公司、Seacore公司、Bendalls公司和Corus英国公司共同出资组建而成。
而IT动力公司是一家著名英国咨询公司，该公司从1990年代中期开始研究潮流能发电。
MCT公司成立后，规划分三阶段开发风车式潮流能水轮机。
第一阶段代号为“SeaFlow”，在英国德文郡的Lynmouth研制一台300kW潮流能发电装置（图3），该装置水轮机转子直径11m，于2003年5月建成发电；第二阶段的代号为“SeaGen”，研制了一台1.2MW潮流能发电装置（图4、图5）。
2008年5月，世界上首台商用潮流能发电装置——1.2MW“SeaGen”在北爱尔兰Strangford湖并网投入运行；第三阶段从2009年开始，实现1.2MW“SeaGen”水轮机的小批量生产。
目前,MCT公司正为北威尔士和加拿大批量生产1.2MWSeaGen的潮流能发电机；为威尔士Anglesey岛潮流电场制造7台15MW风车式潮流发电机组，首台机组预计2011年投运发电。
图3SeaFlow型300kW潮流能发电装置
图4SeaGen型1.2MW潮流能发电装置（水轮机浸没于海水中）
1.2MW“SeaGen”机组是目前世界上投入商业运行的最大潮流能发电机组。
该机组额定功率1.2MW（现已超发）。
水轮机转子直径16m，额定流速2.25m/s，最低工作流速为0.7m/s，设计获能系数0.45，装置传动比为69.9，水轮机转子额定转速为14.3r/min。
潮流发电装置的桩柱高40.7m，直径3.025m，横梁长29m。
整个装置包括2台可调双叶片式水轮机，分别固定在横梁的两端。
“SeaGen”水轮机的叶片可180º变距，因此机组在退潮和涨潮时均可发电。
英国潮流（TidalStream）公司开发了一种称为“Triton”的潮流能发电装置。
“Triton”机组与“SeaGen”机组异曲同工。
英国潮流能公司已在法国沿海对3m高的原型装置进行了测试（图6）,预计全尺寸60m高的“Triton”机组可以发电10MW。
图5 SeaGen型1.2MW潮流能发电装置（水轮机提升到海面以上）
图6正在海下进行测试的“Triton”型潮流能发电装置
德国Voith公司研制的1MW水平轴潮流发电机组见图7。
此前，该公司曾为韩国研制同型号的300kW机组。
图7德国Voith公司研制的300kW水平轴潮流能发电装置
英国SMDHydrovision设计的“TidEL”风车式潮流能水轮机见图8。
单个转子的旋转直径为18.5m，在流速2.3m/s下可以发电1MW。
英国洋流能源公司（OceanFlowEnergy,OFE）在北爱尔兰Strangford测试了一种称为Evopod的半潜式潮流能发电装置样机（图9）。
图8英国SMD公司的TidEL型1MW水平轴潮流能水轮机
图9英国OFE公司的Evopod型潮流能发电装置
美国绿色能源（VerdantPower）公司在Roosevelt岛潮汐工程（RITE）中采用固定式倾角式三叶式风车式水轮机（图10）。
水轮机转子直径5m，额定流速2.2m/s，额定功率35.9kW。
机组于2007年投入运行。
但因设计不当，运行中叶片断裂，后采取加强措施，于2008年9月重新投入运行。
图10美国绿色能源公司的三叶片水平轴潮汐能水轮机
挪威HammerfestStorm公司研制了底座式三叶片水平轴潮汐能水轮机（图11）。
模型机于2003年在挪威Kvalsund安装，经四年运行测试，已正式并网发电。
现正在研制1MW全尺寸样机HS1000。
图11挪威HammerfestStorm公司的水平轴潮流能发电机
法国Hydrohelix公司于2008年完成了转子直径3m的水平轴水轮机的测试（图12）。
图12法国Hydrohelix公司的水平轴潮流能水轮机
3.1.2空心贯流式潮流能水轮机
空心贯流式潮流能水轮机的代表是爱尔兰OpenHydro公司和加拿大CleanerCurrent公司。
爱尔兰OpenHydro公司开发的空心贯流式（该公司命名为Open-Centre）水轮机如图13所示。
该潮流发电装置无轴，由固定的外部环和内部的旋转盘组成，两部分上分别布置线圈和永磁铁，组成一台永磁发电机。
OpenHydro公司研制的250kW示范样机已在Orkney岛成功并网发电，目前该公司正研制1520kW双转子空心贯流式潮流能水轮机，其转子直径达15m，额定流速2.57m/s。
图13爱尔兰OpenHydro公司250kW“OpenCentre”型空心贯流式潮流能水轮机
加拿大CleanerCurrentPower（CCP）公司研制了一台双向带聚流罩的空心贯流式水轮机，如图14所示。
与“OpenCentre”类似，该水轮机本身构成一台永磁发电机。
水轮机转子直径3.5m，额定功率65kW。
另外，该公司还设计了一台1MW空心贯流式水轮饥，其转子直径17m，额定流速为2.65m/s。
图14加拿大CCP公司的空心贯流式潮流能水轮机
3.1.3导流罩式水平轴潮流能水轮机
这种水轮机是在水平轴水轮机转子叶轮外面增加一个导流罩。
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加集中，获能效果更高。
目前采用导流罩式潮流能水轮机技术的主要公司有：
英国月能（LunarEnergy）公司、美国水下风筝（UnderwaterElectricKite,UEK）公司和新加坡AtlantisResources公司等。
英国LunarEnergy公司潮流能发电装置技术来源于英国Rotch公司的RTT（RotechTidalTurbine）技术。
该公司设计的1MW导流罩式潮流能水轮机2007年完成了全尺寸装置试验，该装置如图15、16所示。
导流罩的直径为15m，长度为19.2m；水轮机转子直径11.5m。
另外，该公司与EON合作，计划在2010年建设一座8MW的潮流能商业电站。
另外，公司正在开发2MW导流罩式水轮机，其导流罩的直径为25m，水轮机转子直径为19.5m。
2008年，LunarEnergy公司与韩国Midland动力公司签订协议，将为韩国全罗南道莞岛郡Hoenggan水道潮流能电场提供300台1MW（水轮机直径11.5m）潮流能发电装置，工程预计在2015年完工。
图15 英国月能公司的导流罩式水平轴潮流能水轮机
图16英国月能公司的1MW导流罩式水平轴潮流能水轮机
美国UEK公司开发的导流罩式水轮机，采用叶片固定的双转子结构，该公司研制了一台400kW导流罩式水平轴水轮机，其导流罩最大直径5.18m，水轮机转子直径4m（见图17）。
图17美国UEK公司的400kW导流罩式水平轴潮流能水轮机
新加坡AtlantisResources公司开发了一种深海海域的Solon型潮流能机组（图18）。
它是一种带导流罩的卧式水平轴潮流能发电机组，500kWSolon型机已于2008年通过运行测试，现在开发2MW机组。
图18新加坡AtlantisResources公司的Solon型导流罩式潮汐能水轮机
3.2竖轴潮流能水轮机
竖轴潮流能水轮机又称横流叶片式水轮机，其工作原理与达里厄（Darreius）式竖轴风力机相似，水流方向与叶轮旋转轴垂直（横流），桨叶有直叶片（与旋转轴平行）和螺旋形叶片两种。
直叶片竖轴潮流能水轮机技术的代表是加拿大蓝能（BlueEnergy）公司。
图19为蓝能公司的竖轴潮流能发电装置的示意图。
从图中可以看出，位于下部的水轮机的叶片呈圆周分布，与转轴平行，水轮机通过齿轮增速箱与上部发电机相连。
水轮机转子置于一导流罩中。
目前，蓝能公司竖轴潮流能水轮机的最大单机功率为250kW（图20）。
图19 加拿大蓝能公司直叶片竖轴潮流能水轮机示意图
图20 加拿大蓝能公司2×250kW竖轴潮流能水轮机
螺旋形叶片竖轴潮流能水轮机的另一个典型机型是美国Gorlov螺旋水轮机（GorlovHelicalTurbine）设计的螺旋叶片潮流能水轮机（图21）。
Gorlov式透平机是美国波士顿西北大学开发的一种机型，它是达里厄（Darreius）式的一种变型。
2009年5月，1MWGorlov式潮流能发电装置在韩国全罗南道珍岛郡的Uldolmoke潮流能发电场（图22）投入运行。
这是世界上投入商业运行的首台竖轴潮流能水电机组。
按照规划，该潮流能发电场将在2013年前共投产90台机组，使电站总装机容量达到90MW。
图21 美国GHT公司的Gorlov型螺旋叶片式竖轴潮流能水轮机
图22 韩国全罗南岛珍岛郡Uldolmok潮流能发电站场将装90台1MW竖轴式水轮机）
英国海王星再生能源（NeptuneResources）公司也是一家著名竖轴潮流能水轮机开发公司。
图23和图24为该公司的Proteus型竖轴潮流能水轮机。
该装置主要由转子和导流罩组成。
导流罩带有导叶，可以改变流向，减小反向力矩，提高获能效率。
图23英国海王星再生能源公司的Proteus型潮流能装置
图24 英国海王星再生能源公司Proteus型潮流能装置的示意图
同水平轴潮流能水轮机一样，为了提高聚流能力，有的竖轴潮流能水轮机也装有导流罩，如图19,23,24,25所示。
图25装有导流罩的竖轴式潮流能水轮机
意大利阿基米德桥（PontediArchimed,PDA）公司从1996年起开展墨西哥海峡潮流能发电研究，设计的KOBOLT也是一种直叶式竖轴潮流能水轮机（图26,27）。
2003
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