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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=
?AV23?
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，m 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
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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(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；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，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3～6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
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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。