據(jù)國(guó)際能源署(IEA)海洋能系統(tǒng)(OES)給出的定義，海洋能是指依附于海水中的能量，主要能種包括潮汐能、潮流能、波浪能、溫差能和鹽差能。據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織1981年出版的Harvesting Ocean Energy一書(shū)中的估計(jì)，全球海洋能理論可再生總儲(chǔ)量為766億千瓦，但技術(shù)上可開(kāi)發(fā)利用的儲(chǔ)量?jī)H為64億千瓦。目前，開(kāi)發(fā)利用潮汐能、潮流能和波浪能的技術(shù)成熟度相對(duì)較高，在國(guó)際上已有多家單位研制了相應(yīng)裝置并完成商業(yè)化嘗試。
我國(guó)現(xiàn)狀
在資源評(píng)估方面，國(guó)外在20世紀(jì)末就已建立潮汐能、潮流能資源評(píng)估的技術(shù)方法體系，并將發(fā)電水頭及切入/切出流速用于特征量估算。我國(guó)海洋能資源具有儲(chǔ)量大、分布廣、密度低的特點(diǎn)，因此更需要精準(zhǔn)的資源評(píng)估技術(shù)和體系。此前，我國(guó)雖在海洋管理部門(mén)的組織下進(jìn)行過(guò)多次海洋調(diào)查，但獲取的大量數(shù)據(jù)并未與海洋能技術(shù)屬性相結(jié)合，缺乏特征值和指向性，難以精準(zhǔn)區(qū)分開(kāi)發(fā)儲(chǔ)量、劃分重點(diǎn)海域。
在技術(shù)研發(fā)方面，潮汐能、潮流能和波浪能具有各自的技術(shù)研發(fā)路線和水平。
潮汐能利用屬于低水頭水力發(fā)電技術(shù)，技術(shù)相對(duì)成熟。國(guó)外多在大潮差(高于10米)處建設(shè)裝機(jī)容量較大的電站，如法國(guó)朗斯潮汐電站以及韓國(guó)始華湖潮汐電站，其一般采用燈泡貫流機(jī)組，具有復(fù)雜的內(nèi)流道結(jié)構(gòu)，通過(guò)較高水頭來(lái)彌補(bǔ)效率較低的問(wèn)題，裝機(jī)容量超過(guò)百兆瓦。江廈潮汐電站是我國(guó)第一座雙向潮汐電站，同樣采用燈泡貫流機(jī)組，但由于潮差較低(約6米)，裝機(jī)容量?jī)H在兆瓦級(jí)，度電成本較高。目前，西安理工大學(xué)提出將雙向全貫流技術(shù)用于潮汐能發(fā)電的方案，并探索研制了雙向性能較好的貫流式低水頭轉(zhuǎn)輪。
潮流能利用在國(guó)外收斂于水平軸技術(shù)，但進(jìn)入示范或商業(yè)化運(yùn)行的機(jī)組基本針對(duì)高流速海域，例如，挪威、英國(guó)等國(guó)使用的裝機(jī)容量在兆瓦級(jí)以上的機(jī)型均有流速高、慣量大、密封損耗大等特征，而且啟動(dòng)流速需高于0.7米/秒。不同的是，低流速潮流廣泛分布于我國(guó)四大海域，資源儲(chǔ)量豐富，技術(shù)研發(fā)需求高。為此，中國(guó)海洋大學(xué)、浙江大學(xué)、東北師范大學(xué)等單位已先期對(duì)低流速下的百瓦級(jí)和千瓦級(jí)機(jī)組進(jìn)行了探索性研究。目前，國(guó)內(nèi)裝置多為固定式，效率依賴(lài)于流向，雖可利用變槳距控制技術(shù)，但可靠性較低，具備自主對(duì)向功能的機(jī)組應(yīng)用尚不成熟。
波浪能利用目前可主要?dú)w納為振蕩水柱、越浪、振蕩浮子這三大類(lèi)技術(shù)。國(guó)外的波浪能裝置大多依照窄譜波場(chǎng)設(shè)計(jì)，這種波場(chǎng)具有波浪能量多集中于某一特定波浪頻率的特點(diǎn)，并催生了諸如英國(guó)的“鴨式”(Duck)和“海蛇”(Pelamis)、芬蘭的“企鵝”(Penguin)、美國(guó)的“動(dòng)力浮標(biāo)”(PowerBuoy)等裝置，裝機(jī)容量接近兆瓦，整體效率接近20%。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所的鷹式波浪能裝置亦適用于窄譜大浪區(qū)，中國(guó)海洋大學(xué)的組合型振蕩浮子式裝置以及碟型越浪式裝置、華南理工大學(xué)的組合浮力擺式裝置等則適用于小波能海域，效率接近18%。目前，波浪能裝置的獲能體自由度不多于3個(gè)，效率尚有較大提升空間。
在試驗(yàn)測(cè)試方面，英國(guó)的愛(ài)丁堡大學(xué)(建有海浪模擬水池“FloWave”)以及歐洲海洋能源中心(EMEC)擁有目前國(guó)外最先進(jìn)的試驗(yàn)測(cè)試條件。我國(guó)尚未形成專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)測(cè)試體系，缺乏類(lèi)似的測(cè)試場(chǎng)，而這在很大程度上制約著我國(guó)海洋能裝置研發(fā)創(chuàng)新與試驗(yàn)實(shí)踐。當(dāng)前，為提供高水平海洋能源研發(fā)及測(cè)試公共服務(wù)，瞄準(zhǔn)EMEC等國(guó)際高水平海洋能測(cè)試場(chǎng)，建設(shè)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際一流的高水平海洋能測(cè)試平臺(tái)，中國(guó)海洋大學(xué)正同青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室協(xié)力建設(shè)海洋能研發(fā)測(cè)試平臺(tái)。平臺(tái)現(xiàn)已建設(shè)完成海洋能海上綜合試驗(yàn)場(chǎng)一期工程，并形成基本測(cè)試能力，將能滿足潮流能和波浪能裝置大比尺(原型)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求，為國(guó)內(nèi)外海洋能裝置研發(fā)提供支撐。
當(dāng)前，依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，中國(guó)海洋大學(xué)牽頭并聯(lián)合魯東大學(xué)、西安理工大學(xué)、大連理工大學(xué)、華南理工大學(xué)等12家單位組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，立足于我國(guó)資源特性，聚焦潮汐能、潮流能和波浪能的高效利用，在資源評(píng)估、技術(shù)研發(fā)和試驗(yàn)測(cè)試等方面開(kāi)展了大量相關(guān)研究和技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)，取得多項(xiàng)重要進(jìn)展，例如，構(gòu)建海洋能大數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，精準(zhǔn)評(píng)價(jià)我國(guó)海洋能重點(diǎn)區(qū)域資源特征;通過(guò)機(jī)理創(chuàng)新，以提高轉(zhuǎn)換效率為核心目標(biāo)，研制適合于我國(guó)資源特征的低水頭雙向全貫流潮汐能原理樣機(jī)、懸浮輪輞轉(zhuǎn)子潮流能發(fā)電裝置樣機(jī)、多自由度波浪能裝置樣機(jī)等，整機(jī)轉(zhuǎn)換效率處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平;研制海洋能裝置性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)室集成測(cè)試系統(tǒng);建立海洋能全生命周期實(shí)海況綜合測(cè)試技術(shù)等。
資源評(píng)估
為形成更為實(shí)用的資源評(píng)估體系，團(tuán)隊(duì)引入了潮汐的納潮能、潮流的單寬能流通量、波浪的獲能譜等用于指導(dǎo)海洋能資源技術(shù)評(píng)估和開(kāi)發(fā)的物理概念，理論認(rèn)知程度國(guó)際領(lǐng)先。為解決我國(guó)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)海區(qū)海洋能長(zhǎng)期時(shí)空分布數(shù)據(jù)尤其是波浪能儲(chǔ)蓄量數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)合成孔徑雷達(dá)(SAR)影像、衛(wèi)星高度計(jì)等大量數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理和應(yīng)用，研發(fā)了先進(jìn)的時(shí)空分布數(shù)據(jù)提取方法，并成功提取了我國(guó)海域波浪能儲(chǔ)蓄量的時(shí)空分布數(shù)據(jù)。
對(duì)于潮汐能和潮流能資源評(píng)估，團(tuán)隊(duì)基于前期工作積累及相關(guān)研究成果，通過(guò)收集采集和分析我國(guó)海域的相關(guān)數(shù)據(jù)和歷史資料，開(kāi)展深入研究，確定資源重點(diǎn)海區(qū)，并在重點(diǎn)海區(qū)應(yīng)用研發(fā)的高精度潮流-波浪耦合模型，以精確評(píng)估其蘊(yùn)含量;對(duì)于波浪能資源評(píng)估，團(tuán)隊(duì)基于長(zhǎng)期波浪再分析數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)海域波流能的時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行定量描述，并在重點(diǎn)海區(qū)應(yīng)用WW3和SWAN相互嵌套的波浪模式，對(duì)我國(guó)沿海波流能的時(shí)空變化進(jìn)行高精度模擬。
為全面描述我國(guó)海洋能資源特征，精確評(píng)價(jià)重點(diǎn)區(qū)域儲(chǔ)量分布，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了海洋能大數(shù)據(jù)平臺(tái)。具體而言，團(tuán)隊(duì)基于研發(fā)的海洋能大數(shù)據(jù)智能處理技術(shù)，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)模型，為預(yù)測(cè)未來(lái)分布態(tài)勢(shì)提供數(shù)據(jù)支撐;研發(fā)了多源海洋能大數(shù)據(jù)時(shí)空異構(gòu)存儲(chǔ)模型體系，建立了跨模態(tài)海洋數(shù)據(jù)的普適存儲(chǔ)模型體系，建立了矩陣式、智能化、層次化的存儲(chǔ)訪問(wèn)優(yōu)化策略，開(kāi)發(fā)了面向分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的高可靠同步調(diào)度方法，構(gòu)建了高可用、彈性可擴(kuò)展的存儲(chǔ)架構(gòu);探索突破了千萬(wàn)核規(guī)模并行數(shù)據(jù)傳輸、高精度可視顯示、遠(yuǎn)程可視化、原位并行可拓展繪制、自適應(yīng)特征增強(qiáng)繪制等技術(shù)，并基于云地理信息系統(tǒng)(GIS)和空間大數(shù)據(jù)計(jì)算環(huán)境，研發(fā)了海洋能大數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)。
此外，團(tuán)隊(duì)通過(guò)綜合考慮全球氣候變化及技術(shù)發(fā)展，合理分析我國(guó)海洋能長(zhǎng)期走勢(shì)，繪制了2025年我國(guó)海洋能發(fā)展路線圖;研究了我國(guó)海洋能發(fā)展未來(lái)20～50年情景模擬分布，生成我國(guó)近海地區(qū)的海洋能開(kāi)發(fā)量分布圖、海洋能開(kāi)發(fā)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)圖、海洋能開(kāi)發(fā)綜合趨勢(shì)圖等。
技術(shù)研發(fā)
潮汐能為克服常規(guī)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)方法無(wú)法均衡水輪機(jī)雙向運(yùn)行時(shí)水力性能的問(wèn)題，提高低水頭潮汐能雙向全貫流式水輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，團(tuán)隊(duì)提出了可均衡提升水輪機(jī)正、反向運(yùn)行性能的雙向高效全貫流水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的全三維設(shè)計(jì)理論。同時(shí)，為克服傳統(tǒng)水輪機(jī)過(guò)流部件優(yōu)化設(shè)計(jì)方法冗余的問(wèn)題，提升雙向全貫流式水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的自動(dòng)化和智能化水平，團(tuán)隊(duì)建立了兼顧正、反向性能的貫流式水輪機(jī)智能優(yōu)化設(shè)計(jì)體系。這兩項(xiàng)創(chuàng)新成果是決定潮汐能大規(guī)模高效開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)，而其在國(guó)內(nèi)外卻普遍缺乏研究。
雙向全貫流機(jī)組內(nèi)部的水壓力脈動(dòng)是誘發(fā)機(jī)組外在振動(dòng)的主要原因之一，而其機(jī)理仍不清晰，多因素影響規(guī)律尚缺乏研究，致使機(jī)組的水力振動(dòng)難以在水力設(shè)計(jì)階段得到有效控制。為此，團(tuán)隊(duì)綜合理論分析及試驗(yàn)測(cè)試方法辨識(shí)獲得雙向全貫流機(jī)組內(nèi)部水壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生根源，并探明水壓力脈動(dòng)對(duì)機(jī)組外在振動(dòng)烈度的影響規(guī)律，從而闡明機(jī)組水力激振的產(chǎn)生機(jī)理，這將為全貫流機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。
潮汐水頭的劇烈變化導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出功率變幅大，即使采用變頻控制后電流波形仍存在大量諧波，這會(huì)顯著影響電網(wǎng)穩(wěn)定性。此外，雙向全貫流機(jī)組工況轉(zhuǎn)換頻繁，轉(zhuǎn)輪葉片和軸系經(jīng)常受到交變力矩的沖擊，這會(huì)影響機(jī)組的使用壽命。為提升雙向全貫流機(jī)組的電能輸出質(zhì)量，降低工況轉(zhuǎn)換對(duì)機(jī)組的沖擊，改善機(jī)組的使用壽命，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了可雙向運(yùn)行的高效率永磁同步發(fā)電機(jī)，并首次提出采用四象限變頻器提高工況轉(zhuǎn)換過(guò)程中的機(jī)組偏工況效率和穩(wěn)定性的技術(shù)方法。
潮流能團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了自動(dòng)對(duì)向懸浮式載體的設(shè)計(jì)方案，其利用系泊懸浮方式實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)在雙向潮流中的自動(dòng)對(duì)向，并與涵道導(dǎo)流結(jié)構(gòu)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)潮流流速的加速，提高潮流的利用效率，降低水輪機(jī)的外部啟動(dòng)流速，以契合我國(guó)潮流能資源特點(diǎn)。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出了輪輞轉(zhuǎn)子一體化技術(shù)，其充分利用輪輞結(jié)構(gòu)發(fā)電，適合涵道內(nèi)的流速分布，利用葉片根部獲能，同時(shí)通過(guò)新型發(fā)電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子和葉片的集成設(shè)計(jì)，取消了動(dòng)密封裝置，大幅降低啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，能夠顯著改善發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率，提高發(fā)電機(jī)的可靠性。這兩項(xiàng)成果均為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，可實(shí)現(xiàn)低速啟動(dòng)和高效獲能發(fā)電，具有推廣和應(yīng)用示范的價(jià)值，團(tuán)隊(duì)也據(jù)此研發(fā)了海試樣機(jī)。
波浪能團(tuán)隊(duì)揭示了波浪能在獲能體多自由度運(yùn)動(dòng)下的空間分布及相互作用規(guī)律，證明了存在各自由度最優(yōu)的能量攝取機(jī)構(gòu)(PTO)。團(tuán)隊(duì)建立了裝置在受約束條件下的多自由度能量轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用線性PTO分析并推導(dǎo)軸對(duì)稱(chēng)振蕩體沿3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，得到各自由度的相互影響與相應(yīng)的最優(yōu)阻尼系數(shù)，并研究了裝置形狀、吃水等參數(shù)對(duì)附加質(zhì)量、輻射阻尼系數(shù)和波浪擾動(dòng)力的影響;考慮裝置非線性粘性阻尼系數(shù)，結(jié)合隨機(jī)波理論，建立了裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)域計(jì)算數(shù)學(xué)模型，得到裝置的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及輸出功率;驗(yàn)證了裝置的最佳幾何參數(shù)與重量。
團(tuán)隊(duì)提出了多向聯(lián)動(dòng)復(fù)合PTO的設(shè)計(jì)方案，其將錐型齒輪與滾珠絲桿相結(jié)合，具有高效傳動(dòng)、隨動(dòng)避險(xiǎn)等功能，且具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該方案選用機(jī)械式PTO，可以消除液壓傳動(dòng)系的泄漏風(fēng)險(xiǎn)和損耗，減少管線布設(shè)的復(fù)雜性，提高可靠度?；诙嘞蚵?lián)動(dòng)復(fù)合PTO的設(shè)計(jì)原理，在匯集并攝取獲能體多自由度運(yùn)動(dòng)能量的同時(shí)，將PTO反力作為獲能體的反饋，用以修正波浪響應(yīng)、更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)捕獲-轉(zhuǎn)換效率;新增的主動(dòng)控制單元，可根據(jù)所處海況實(shí)時(shí)調(diào)整PTO參數(shù)，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)波能轉(zhuǎn)換效率最大化。
Rolling裝置是團(tuán)隊(duì)提出的全新概念，也是團(tuán)隊(duì)研發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新裝置。團(tuán)隊(duì)根據(jù)水動(dòng)力響應(yīng)，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)裝置外形，以達(dá)到尺寸-阻尼-質(zhì)量的最優(yōu)匹配。在前期多自由度獲能裝置研究的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算、水槽試驗(yàn)等方式，建立裝置的物理與數(shù)值模型，在空載與配載工況下獲取波浪響應(yīng)，得到顯著頻響范圍，并作為裝置質(zhì)量與幾何參數(shù)選擇的依據(jù)，進(jìn)行獲能體設(shè)計(jì);采用成熟的數(shù)值模擬技術(shù)，分別建立捕獲、攝取、儲(chǔ)能、發(fā)電模塊，確定能量傳遞變量及其傳遞關(guān)系，以全程效率最大化為目標(biāo)，通過(guò)反饋-耦合運(yùn)算得到波浪能-電能的合理匹配，并據(jù)此設(shè)計(jì)工程樣機(jī)，預(yù)期效率可達(dá)20%。
試驗(yàn)測(cè)試
團(tuán)隊(duì)提出了“虛實(shí)結(jié)合”的驗(yàn)證模式及全過(guò)程模擬測(cè)試技術(shù)，所選方法涵蓋從物理模型試驗(yàn)到實(shí)海況測(cè)試的全部驗(yàn)證過(guò)程，其中“虛”是指數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)的結(jié)合，“實(shí)”是指環(huán)境輸入與電力輸出的比較。
團(tuán)隊(duì)在原理上創(chuàng)新提出了協(xié)調(diào)各相似準(zhǔn)則的新方法，突破模型試驗(yàn)的離散性與間斷性，平滑聯(lián)接能源輸入端與電力輸出端，從而完成全過(guò)程模擬的準(zhǔn)則一體化，并研發(fā)了國(guó)內(nèi)首套潮流能、波浪能室內(nèi)模型試驗(yàn)的PTO加載系統(tǒng)，使其具備通用性與可調(diào)性;研制了國(guó)內(nèi)首套海洋能裝置性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)室集成測(cè)試系統(tǒng)，構(gòu)建了海洋能裝置資源-電源全程匹配測(cè)試體系。此外，團(tuán)隊(duì)給出了從資源到電源的全程測(cè)試方案，確定了實(shí)海況測(cè)試的電力質(zhì)量評(píng)價(jià)方法與導(dǎo)則，提出了海洋能全生命周期電力質(zhì)量綜合測(cè)試方案，測(cè)試水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，為今后我國(guó)相關(guān)規(guī)范制訂、裝置樣機(jī)研發(fā)等提供了重要的技術(shù)依據(jù)。
自項(xiàng)目啟動(dòng)以來(lái)，團(tuán)隊(duì)已取得多項(xiàng)進(jìn)展，例如，完成海洋能評(píng)價(jià)方法分析;完成多源海洋能數(shù)據(jù)時(shí)空異構(gòu)存儲(chǔ)模型體系建立;完成基于矩陣式、智能化、層次化存儲(chǔ)訪問(wèn)優(yōu)化策略的海洋能大數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值建模、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)收集;完成20千瓦潮汐能樣機(jī)方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水輪機(jī)總成設(shè)計(jì)及制作委托;完成50千瓦潮流能樣機(jī)1套，完成裝置優(yōu)化、設(shè)計(jì)及制作委托;完成10瓦波浪能裝置樣機(jī)1套，開(kāi)展物理模型試驗(yàn)，并依據(jù)其結(jié)果完成Rolling裝置優(yōu)化、設(shè)計(jì)及制作委托;完成模型試驗(yàn)加載、控制及數(shù)據(jù)系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì);完成實(shí)驗(yàn)室集成測(cè)試系統(tǒng)的PTO加載;完成海洋能電能質(zhì)量的環(huán)境輸入-電力輸出測(cè)試方法等。下一步，團(tuán)隊(duì)將按計(jì)劃完成潮流能裝置、波浪能裝置海試樣機(jī)的研制，開(kāi)展海上測(cè)試試驗(yàn)，繼續(xù)為我國(guó)海洋能高效利用的研究和發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
