摘要：近年来，随着全球能源需求的不断增长和环境保护意识的提高，寻找新的可再生能源逐渐成为了科学研究的热点之一。潮流能作为一种相对稳定且可预测的能源来源，备受关注。利用潮流能发电已经成为了一种可行的清洁能源解决方案，其利用潮汐的自然现象，通过捕捉并转化地球与月球之间相

中国船级社 张 建 凌爱军 靳新悦

近年来，随着全球能源需求的不断增长和环境保护意识的提高，寻找新的可再生能源逐渐成为了科学研究的热点之一。潮流能作为一种相对稳定且可预测的能源来源，备受关注。利用潮流能发电已经成为了一种可行的清洁能源解决方案，其利用潮汐的自然现象，通过捕捉并转化地球与月球之间相互吸引所引发的水位波动的动能用来发电，具有可再生、高能量密度、高可靠性、低环境影响和低维护成本等优势，有望成为未来新一轮能源产业革命的重要方向。同时潮流能发电技术的快速发展会使其成为推动全球能源转型的重要力量，为人类创造更加清洁、可持续的未来。

潮流能发电工作原理及分类

1、工作原理

潮流能发电作为一种可再生能源发电方式，利用水轮机将海水在潮汐过程中产生的水平动能转化为电能，在这一转化过程中涉及了动能到机械能、机械能到电能的转化。在潮流能发电过程中，首先海水的潮汐运动产生了水平动能，水平动能通过水轮机来转化为机械能，转动的机械能在轴系的作用下被传递到发电机上，发电机上的转子和定子通过磁场的相互作用，将机械能转化为电能。潮流能与其他海洋能相比，潮流能具有鲜明的特点与优势 ：

（1）规律性和可预测性 ：潮汐运动具有较强的规律性，可根据潮汐表和天文数据进行准确预测，从而保证能源输出稳定。

（2）高功率密度和能量稳定性强 ：潮汐能具有较高的功率密度，同时潮流能的能量稳定性也较强，不受季节、天气等因素的影响，能保障持续稳定的能源供应。

（3）低环境影响 ：潮流能的开发利用方式大都是开放的，不会对海洋生态环境产生显著的影响。

2、分类方式

根据水轮机透平机械轴线与水流方向的空间连接方式，潮流能发电系统可分为垂直轴式和水平轴式两种。同时，由于支撑结构的不同形态，潮汐能源发电系统的支撑载体又可以划分为桩柱式、漂浮式和坐底式3种类型。

（1）获能方式分类

垂直轴式潮流能发电系统主要表现在叶轮的旋转轴与水流方向垂直，其工作机制是 ：当水流通过叶轮时，叶片在水流作用下产生升力、阻力和转矩，从而推动叶轮绕主轴旋转，主轴在通过齿轮箱等传动机构驱动发电机发电。水平轴式潮流能发电系统主要表现在叶轮的旋转轴与水流方向平行，其工作机制如下 ：当处于水流竖直方向的叶片旋转时，将会产生推力及扭矩来驱动叶轮旋转，叶轮会利用海水的动能作为动力输入，通过主轴和传动系统动力输出带动发电机发电。同时根据水轮机具体形式的不同，水平轴水轮机大致可以分为“风车”式、“空心”贯流式和导流罩式（如表1所示）。

（2）支撑载体分类

潮流能发电系统载体根据装置结构和锚固方式的不同，主要可分为桩柱式、漂浮式和坐底式3种。根据目前的项目和研究成果来看，无论是水平轴还是垂直轴发电系统，固定式载体是主要选择。然而，针对不同的海况和地点，应根据水深、流速等因素选择合适的载体和固定方式。这样可以最大程度地提高潮流能发电装置的稳定性和发电效率，同时降低维护和运维成本。随着技术的不断发展和创新，潮流能发电系统的载体和固定方式也将不断完善，以适应不同海域的特点和需求（如表2所示）。

潮流能发电系统

1、垂直轴式潮流能发电系统

对于垂直轴式潮流能发电系统，国外起步较早，加拿大的Blue Energy公司在1984年开发出一款名叫Davis Hydro Turbine的固定偏角式垂直轴水轮机，这款水轮机配备有四叶片并使用特殊的导流罩来提升其效能，它的额定功率达到了100kW（如图1所示）。

意大利的Ponte di Archimede International SpA公司与Naples大学的航空工程部门于2005年联合开发了一个名为Kobold涡轮的垂直轴水轮机模型，其最大功率为130kW（如图2所示）。

加拿大Clean Current Power Systems公司的CC100B设备采用了独特的单转子双导流罩结构，其设备的最大输出功率达到500kW，并已经在2007年完成了实际应用测试。2009年，加拿大的新能源公司开发出了名为EnCurrent的水轮机（如图3所示），它的特点是采用4个旋转叶片并且保持一定的偏移角度，现阶段已经推出了5kW、10kW和25kW 3种模型。

相对于国外而言，我国在潮汐能源发电系统的研发方面起步相对较晚。哈尔滨工程大学从上世纪末开始开展小型模型样机的测试工作，并在2002年成功设计了一台70kW双转子的漂浮型潮汐能量试验电站万向“II”（如图4所示），这是我国第一座坐底式潮流电站，该电站采用了可调角直叶片水轮机技术，并在2005年的浙江舟山完成了40kW运行样机的海域测试。

中国海洋大学科研团队利用水池模型试验和数值模拟技术优化调整垂直轴弹性叶片及其水力机械旋转机构的设计、参数性能，并在青岛市胶南斋堂岛完成了一个5kW样机的海试。在2014年，大连理工大学经过数值模拟和模型试验研究后，研究出一款六叶片垂直轴水轮机，其水轮机性能明显优于传统的3个叶片的垂直水轮机。

2、水平轴式潮流能发电系统

水平轴式潮流能发电系统起步较晚，但其效率高、自启动性能好，目前发展迅速，前景较好。

英国MCT公司于2003年对其自主设计的300kW的Seaflow进行了海上试验，并取得了成功 ；其下一阶段设计的1.2MW“SeaGenS”样机也于2008年在北爱尔兰Strangford湾成功运行（如图5所示 ）。 同 年， 英 国 的Ocean flow energy公司开发了Evopod装置，其水平轴轮机采用半潜漂浮式方案在Strangford水道进行试验（如图6所示）。

英国Scotrenewables潮流能公司设计的SR1-2000潮流能系统采用浮筒吊舱结构，双涡轮机发电，其单机装机容量2MW，截止到2017年年底，已累计发电达1.3GWh（如图7所示 ）。目前，全球最大潮流能发电场MeyGen是由英国亚特兰蒂斯公司和挪威安德里茨公司联合开发，其装机容量 达398MW， 截至2019年8月，MeyGen累计发电19GWh（如图8所示）。

爱尔兰Open Hydro公司和加拿大Cleaner Current公司设计的空心贯流式Open-Centre水力涡轮机，通过外部稳定环与内置旋转圆盘共同构成了一个永久磁场发电设备，使得该系统不需要任何速度调节器或特殊密封处理，同时还具备较低的运转频率及起始流量特性（如图9所示）。

加拿大Clean Current Power Systems Incorporated公司基Open-Centre的设计理念设计的双向带聚流罩水平轴发电系统，它的最大输出能力达到了65 kW，并且已经通过实际测试证实满足预期的电机功能及加速器的功能需求（如图10所示）。

英国Lunar Energy公司的RTT (Rotech Tidal Turbine )潮汐能发电系统应用导流罩技术，最大负载能力达1MW，并使用文丘管来引导流动方向应对双向潮流（如图11所示）。同时采用导流罩型式的还有美国的UEK(Underwater Electric Kite System)公司，其研发的潮汐能发电装置UEK水轮机最大输出功率为400kW，采用了两个旋转部件并配备了集流器，适合应用于河流或单一方向流动的环境中（如图12所示）。

在国内，浙江大学科研团队开创性提出了“大长径比约束半直驱整机优化”的设计概念和设计验证方法，先后研制了30kW、60kW、120kW、300kW和650kW机 组，并逐一在浙江大学摘箬山科技示范岛海域实现成功发电，验证了装备的获能高效性、运行可靠性和供电稳定性，成为目前国内单机功率最大的潮流能发电装备（如图13所示）。

东北师范大学研制的20kW水平轴桁架坐底式潮流能发电系统具有高可靠、低成本的特点，其水下直驱式潮流能发电机可工作于海水浸泡情况下，启动流速低，在台风天气下能可靠生存（如图14所示）。

2018年，国家能源集团所属联合动力公司自主研发的应用270°电动变桨技术和水下视频技术的300kW海洋潮流能发电机组成功下海，并顺利并网发电运行。这是世界首台应用270°变桨技术，实现了双向海流能量高效捕获的潮流能发电机组（如图15所示）。

“全球首个3.4MW模块化大型海洋潮流能发电机组”由杭州市林东新能源科技股份有限公司（LHD）研制成功，该机组于2016年8月26日成功并网，是世界上目前唯一一台实现全天候连续运行的兆瓦级潮流能发电机组（如图16所示）。之后，LHD海洋能工程实验室研发中心再接再厉研发出的1.6MW潮流能发电机组“奋进号”，是LHD潮流能第四代单机兆瓦级机组，这是完全由我国自主研发的世界最大潮流能单机，自2022年4月并入国家电网，发电运行一直保持稳定，总装机容量和发电量均居世界前列（如图17所示）。

3、其他型式潮流能发电系统

除了目前广泛使用的水平轴和竖直轴潮流能发电系统，国内外也有许多其他类型的潮流能获取系统。

Stingray是由英国EB公司设计的一种振荡式潮流能发电系统，采用了翼型水翼和摆臂的连接结构。当水流经过时，水翼受到升力和阻力的作用而上升，进而驱动连接的液压缸，从而驱动液压马达发电（如图18所示）。

EXIM是瑞典Seapower公司设计的一种轴截面成S型的阻力型潮流能水轮机EXIM，其获能效率相对较低，但能产生较大的转矩（如图19所示）。

发展动向及建议

中国拥有丰富的海岸线资源，尤其是东海和南海地区潮汐资源丰富，为潮流能发电系统建设提供了良好的条件。我国的研究机构和企业积极参与了潮流能发电系统的研发和应用，并取得了一系列重要的科研成果，如应用270°电动变桨技术和水下视频技术的300kW海洋潮流能发电机组和LHD3.4MW模块化大型海洋潮流能发电机组等，这些项目不仅提高了潮流能发电技术的可行性和可靠性，还为我国未来大规模利用潮流能提供了重要的技术和经验支撑。

潮流能开发作为一项多学科交叉工程，从目前的发展态势来看，其未来的发展趋势主要在于发电装置的多样化与高效化、装机容量的大型化以及潮流能利用技术的多样化。其中应着重加强以下几个方面的研究工作 ：

1、潮流能发电系统开发利用关键技术研究，包括水轮机叶片结构设计、发电机和水下设备模块密封技术，以及电能变换设备研究等。

2、多能互补的应用技术 ：在潮流能开发利用过程中，无论是垂直轴式还是水平轴式发电装置，都普遍存在发电不平稳、并网困难的问题，但近些年来对于海洋能发电研究的不断深入，发现可以采用多能互补的方式来解决潮流能装置发电不平稳，其中多种能源就包括风能、波浪能和太阳能等。

3、潮流能标准体系建设 ：随着潮流能利用规模和形式不断增加，国家要加快建立健全关于潮流能发电相关的法规规定和标准规范，明确潮流能开发过程中的相关重要环节和关键点，这其中就包括潮流能发电装置的能效评估体系以及建设潮流能电场综合设计规划体系等。

总之，潮流能发电经过长期研究发展，很多方案已经建成并完成了海况实验，并应用到实际生活中。在当前能源危机越发严重和低碳发展日益被国际重视的情况下，我国在潮流能发电技术创新和市场应用方面取得了显著的进展，随着技术的不断成熟和市场的进一步开拓，相信我国在潮流能发电领域的地位将逐渐提升，成为全球潮流能发电技术的领先者之一。

来源：中国船检