海洋能源利用技术进展与展望.doc

海洋能源利用技术进展与展望本文介绍了海洋能源中潮汐能、波浪能、温差能、海流能和盐差能的资源、转换原理和技术研究进展。重 点介绍了近20年来世界各国开发研究的各种海洋能源转换设备和装置，通过对海洋能关键技术及其进展的 分析，对海洋能利用的现状进行了评估。根据技术及商业可行性、资源可持续发展和环境保护等要素，预测在 今后的5-10年内，潮汐能将得到更大规模的应用，波浪能和海流能将逐步产业化。作为战略能源资源的温 差能将在2020年左右，在海洋开发中发挥重要作用。结合中国的具体情况，建议近期重点研究潮汐发电机组 技术、百千瓦级波浪和海流示范装置以及温差能综合利用试验装置。 1 海洋能源的种类与资源 海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水温差 能和海水盐差能。更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。究其 成因，潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化，其他均源于太阳辐射。 海洋能源按储存形式又可分为机械能、热能和化学能。其中，潮汐能、海流和波浪为机械能，海水温差为 热能，海水盐差为化学能。 11潮汐能 潮汐能是指海水潮涨和潮落形成的水的势能，其利用原理和水力发电相似。潮汐能的能量与潮量和潮差 成正比。或者说，与潮差的平方和水库的面积成正比。和水力发电相比，潮汐能的能量密度很低，相当于微水 头发电的水平。世界上潮差的较大值约为13一15m，我国的最大值（杭州湾澈浦）为8.9m。一般说来，平均潮 差在3m以上就有实际应用价值。 全世界潮汐能的理论估算值为109kW量级，我国的潮汐能理论估算值虽为108kW量级，但实际可利用 数远小于此数。根据中国海洋能资源区划结果，沿海潮汐能可开发的潮汐电站坝址为424个，总装机容量约 为2.2Xl07kW。浙江和福建沿海为潮汐能较丰富地区。 12波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面 的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。台风导致的巨浪，其功率密度可达每米迎波 面数千kW，而波浪能丰富的欧洲北海地区，其年平均波浪功率也仅为20-40kWm中国海岸大部分的年平 均波浪功率密度为2-7kWm。 全世界波浪能的理论估算值也为109kW量级。利用中国沿海海洋观测台站资料估算得到，中国沿海理 论波浪年平均功率约为13X107kW。但由于不少海洋台站的观测地点处于内湾或风浪较小位置，故实际的 沿海波浪功率要大于此值。其中浙江、福建、广东和台湾沿海为波能丰富的地区。 13海流能 海流能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律 的海水流动。海流能的能量与流速的平方和流量成正比。相对波浪而言，海流能的变化要平稳且有规律得多。 潮流能随潮汐的涨落每天2次改变大小和方向。一般来说，最大流速在2ms以上的水道，其海流能均有实 际开发的价值。 全世界海流能的理论估算值约为IQ8kW量级。利用中国沿海130个水道、航门的各种观测及分析资料， 计算统计获得中国沿海海流能的年平均功率理论值约为1.4X107kW。其中辽宁、山东、浙江、福建和台湾沿 海的海流能较为丰富，不少水道的能量密度为15一30kWm2，具有良好的开发值。值得指出的是，中国的海 流能属于世界上功率密度最大的地区之一，特别是浙江的舟山群岛的金塘、龟山和西候门水道，平均功率密 度在20kWm2以上，开发环境和条件很好。 14温差能 温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温之差的热能。海洋的表面把太阳的辐射能的大部分转化 成为热水并储存在海洋的上层。另一方面，接近冰点的海水大面积地在不到1000m的深度从极地缓慢地流 向赤道。这样，就在许多热带或亚热带海域终年形成20C以上的垂直海水温差。利用这一温差可以实现热力 循环并发电。 全世界海洋温差能的理论估算值为10“kW量级。根据中国海洋水温测量资料计算得到的中国海域的 温差能约为1 5X108kW，其中99在甫中国海。南海的表层水温年均在26以上，深层水温（800m深处）常 年保持在5，温差为2，属于温差能丰富区域。 15盐差能 盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能。主要存在于河海交接处。 同时，淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能 源。通常，海水（3.5%盐度）和河水之间的化学电位差有相当于240m水头差的能量密度，这种位差可以利用 半渗透膜（水能通过，盐不能通过）在盐水和淡水交接处实现。利用这一水位差就可以直接由水轮发电机发电。全世界海洋盐差能的理论估算值为10kW量级，我国的盐差能估计为11XI08kW，主要集中在各大 江河的出海处。同时，我国青海省等地还有不少内陆盐湖可以利用。 2 海洋能利用的基本原理与关键技术 海洋能是各种可再生能源中类型最多的一种，其基本转换原理所涉及的学科较多，包括流体力学与流体 机械，工程热物理和电化学等。本节将分别介绍各种海洋能转换的基本原理及研究的关键技术问题。 21潮汐发电的原理与技术 潮汐能利用的主要方式是发电。通过贮水库，在涨潮时将海水贮存在贮水库内，以势能的形式保存，然 后，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。潮汐电站的功率和落 差及水的流量成正比。但由于潮汐电站在发电时贮水库的水位和海洋的水位都是变化的（海水由贮水库流 出，水位下降，同时，海洋水位也因潮汐的作用而变化），因此，潮汐电站是在变工况下工作的，水轮发电机组 和电站系统的设计要考虑变工况、低水头、大流量以及防海水腐蚀等因素，远比常规的水电站复杂，效率也低 于常规水电站。 潮汐电站按照运行方式和对设备要求的不同，可以分成单库单向型、单库双向型和双库单向型三种。 211单库单向型 单库单向型是在涨潮时将贮水库闸门打开，向水库充水，平潮时关闸；落潮后，待贮水库与外海有一定水 位差时开闸，驱动水轮发电机组发电。单库单向发电方式的优点是设备结构简单，投资少；缺点是发电断续， 1天中约有65以上的时间处于贮水和停机状态。 212单库双向型 单库双向型有两种设计方案。第一种方案利用两套单向阀门控制两条向水轮机引水的管道。在涨潮和 落潮时，海水分别从各自的引水管道进入水轮机，使水轮机单向旋转带动发电机。第二种方案是采用双向水 轮机组。 213双库单向型 这个方案采用两个水力相联的水库，可实现潮汐能连续发电。涨潮时，向高贮水库充水；落潮时，由低贮 水库排水，利用两水库间的水位差，使水轮发电机组连续单向旋转发电；其缺点是要建两个水库，投资大且工 作水头降低。 潮汐发电的关键技术主要包括低水头、大流量、变工况水轮机组设计制造；电站的运行控制；电站与海洋 环境的相互作用，包括电站对环境的影响和海洋环境对电站的影响，特别是泥沙冲淤问题；电站的系统优化， 协调发电量、间断发电以及设备造价和可靠性等之间的关系；电站设备在海水中的防腐等。 22波浪能转换的原理与技术 波浪发电是波浪能利用的主要方式，此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。波浪能 利用装置的种类繁多，有关波能装置的发明专利超过千项。因此，波能利用又被称为发明家的乐园。但这些 装置大部源于几种基本原理，即：利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动；利用波浪压力的变化；利用波浪 的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。经过70年代对多种波能装置进行的实验室研究和80年代进行的 实海况试验及应用示范研究，波浪发电技术已逐步接近实用化水平，研究的重点也集中于3种被认为是有商 品化价值的装置，包括振荡水柱式装置、摆式装置和聚波水库式装置。 波浪发电装置大都可看作为一个包括三级能量转换的系统。一般说来，一级能量转换机构直接与波浪相 互作用，将波浪能转换成装置的动能、或水的位能或中间介质（如空气）的动能与压能等；二级能量转换机构 将一级能量转换所得到的能量转换成旋转机械的动能，如水力透平、空气透平、液压马达等；三级能量转换将 旋转机械的动能通过发电机转换成电能。以下分别介绍上述三种最有前途的装置能量转换原理及过程。 221振荡水柱波能装置 振荡水柱波能装置可分为漂浮式和固定式两种。目前已建成的振荡水柱波能装置都利用空气作为转换 的介质。其一级能量转换机构为气室，二级能量转换机构为空气透平。气室的下部开口在水下与海水连通， 气室的上部也开口（喷嘴），与大气连通。在波浪力的作用下，气室下部的水柱在气室内作强迫振动，压缩气室 的空气往复通过喷嘴，将波浪能转换成空气的压能和动能。在喷嘴安装一个空气透平并将透平转轴与发电机 相连，则可利用压缩气流驱动透平旋转并带动发电机发电。振荡水柱波能装置的优点是转动机构不与海水接 触，防腐性能好，安全可靠，维护方便。其缺点是二级能量转换效率较低。 222摆式波能装置 摆式波能装置也可分为漂浮式和固定式两种。摆体是摆式装置的一级能量转换机构。在波浪的作用下， 摆体作前后或上下摆动，将波浪能转换成摆轴的动能。与摆轴相联的通常是液压装置，它将摆的动能转换成 液力泵的动能，再带动发电机发电。摆体的运动很适合波浪大推力和低频的特性。因此，摆式装置的转换效 率较高，但机械和液压机构的维护较为困难。摆式装置的另一优点是可以方便地与相位控制技术相结合。相 位控制技术可以使波能装置吸收到装置迎波宽度以外的波浪能，从而大大提高装置的效率。 223聚波水库波能装置 聚波水库装置利用喇叭型的收缩波道，作为一级能量转换机构。波道与海连通的一面开口宽，然后逐渐 收缩通至贮水库。波浪在逐渐变窄的波道中，波高不断地被放大，直至波峰溢过边墙，将波浪能转换成势能贮 存在贮水库中。收缩波道具有聚波器和转能器的双重作用。水库与外海间的水头落差可达3一8m，利用水轮 发电机组可以发电。聚波水库装置的优点是一级转换没有活动部件，可靠性好，维护费用低，系统出力稳定。 不足之处是电站建造对地形有要求，不易推广。 波浪能利用中的关键技术主要包括：波浪的聚集与相位控制技术；波能装置的波浪载荷及在海洋环境 中的生存技术；波能装置建造与施工中的海洋工程技术；不规则波浪中的波能装置的设计与运行优化；往复 流动中的透平研究等。 23海洋温羌能的转换原理与捡求 除了发电之外，海洋温差能利用装置还可以同时获得淡水、深层海水、进行空调并可以与深海采矿系统 中的扬矿系统相结合。因此，基于温差能装置可以建立海上独立生存空间并作为海上发电厂、海水淡化厂或 海洋采矿、海上城市或海洋牧场的支持系统。总之，温差能的开发应以综合利用为主。 海洋温差能转换主要有开式循环和闭式循环两种方式。 231开式循环发电系统 开式循环系统主要包括真空泵、温水泵、冷水泵、闪蒸器、冷凝器、透平一发电机组等部分。真空泵先将系 统内抽到一定的真空，接着起动温水泵把表层的温水抽入闪蒸器，由于系统内已保持有一定的真空度，所以 温海水就在闪蒸器内沸腾蒸发，变为蒸汽。蒸汽经管道由喷嘴喷出推动透平运转，带动发电机发电。从透平 排出的低压蒸汽进入冷凝器，被由冷水泵从深层海水中抽上的冷海水所冷却，重新凝结为水，并排入海中。在 此系统中，作为工作介质的海水，由泵吸入闪蒸器蒸发）推动透平作功一经冷凝器冷凝后直排人海中，故称 此工作方式的系统为开式循环系统。在开式循环系统中，用海水作工作流体和介质，闪蒸器和冷凝器之间的 压差非常小。因此，必须充分注意管道等的压力损耗、且使用的透平尺寸较大。开式循环的副产品是经冷凝 器排出的淡水，这是它的有利之处。 232闭式循环发电系统 闭式循环系统不以海水而采用一些低涕点的物质（如丙烷、氟利昂、氨等）作为工作介质，在闭合回路内 反复进行蒸发、膨胀、冷凝。因为系统使用低沸点的工作介质，蒸汽的工作压力得到提高。 闭式循环与开式循环的系统组件及工作方式均有所不同，开式系统中的闪蒸器改为蒸发器。当温水泵将 表层海水抽上送往蒸发器时，海水自身并不蒸发；而是通过蒸发器内的盘管把部分热量传递给低沸点的工作 流体，如氨水。温水的温度降低，氨水的温度升育并开始沸腾变为氨气。氨气经过透平的叶片通道，膨胀作功， 推动零平旋转。透平排出的氨气进入冷凝器、在冷凝器内由冷水泵抽上的深层冷海水冷却后重新变为液态 氨，再用氨泵（工质泵）把冷凝器中的液态氨重新压进蒸发器，以供循环使用。 闭式循环系统由于使用低沸点工质，可以大大减小装置，特别是透平机组的尺寸。但使用低沸点工质会 对环境产生污染。 温差能利用的最大困难是温差大小，能量密度太低。温差能转换的关键是强化传热传质技术。同时，温 差能系统的综合利用，还是一个多学科交叉的系统工程问题。 24海流能利用的原理与关键技术 海流能的利用方式主要是发电，其原理和风力发电相似，几乎任何一个风力发电装置都可以改造成为海 流发电装置。但由于海水的密度约为空气的1000倍，且装置必须放于水下。故海流发电存在一系列的关键 技术问题，包括安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能等。此外，海流发电装置和风力发电 装置的固定形式和透平设计也有很大的不同。海流装置可以安装固定于海底，也可以安装于浮体的底部，而 浮体通过锚链固定于海上。海流中的透平设计也是一项关键技术。 2. 5盐差能的转换原理与关键技术 盐差能的利用主要是发电。其基本方式是将不同盐浓度的海水之间的化学电位差能转换成水的势能，再 利用水轮机发电，具体主要有渗透压式、蒸汽压式和机协化学式等，其中渗透压式方案最受重视： 将一层半透膜放在不同盐度的两种海水之间，通过这个膜会产生一个压力梯度，迫使水从盐度低的一侧 通过膜向盐度高的一侧渗透，从而稀释高盐度的水，直到膜两侧水的盐度相等为止。此压力称为渗透压，它与 海水的盐浓度及温度有关。下面介绍两种渗透压式盐差能转换方法。 251水压塔渗透压系统 压塔渗透压系统主要由水压塔、半透膜、海水泵、水轮机一发电机组等组成。其中水压塔与淡水问由半 透膜隔开，而塔与海水之间通过水泵连通）系统的工作过程如下：先由海水泵向水压塔内充入海水。伺时，由 于渗透压的作用，淡水从半透膜向水压垮内渗透，使水压塔内水位上升。当塔内水位上升到一定高度后，便从 塔顶的水槽溢出，冲击水轮机旋转，带动发电机发电。为了使水压塔内的海水保持一定的盐度、必须用海水泵 不断向塔内打入海水，以实现系统连续工作，扣除海水泵等的动力消耗，系统的总效率约为20左右。 252强力渗压系统 强力系统的能量转换方法是在河水与海水之间建两座水坝分别称为前坝和后坝，并在两水坝之间挖一 低于海平面约200m的水库。前坝内安装水轮发电机组，使河水与低水库相连，而后坝底部则安装半透膜渗 流器，使低水库与海水相通。系统的工作过程为：当河水通过水轮机流入低水库时，冲击水轮机旋转并带动发 电机发电。同时，低水库的水通过半透膜流入海中，以保持低水库与河水之间的水位差。理论上这一水位差 可以达到240m。但实际上要在比此压差小很多时，才能使淡水顺利通过透水而不透盐的半透膜直接排人海 中。此外，薄膜必须用大量海水不断地冲洗才能将渗透过薄膜的淡水带走，以保持膜在海水侧的水的盐度，使发电过程可以连续。 渗透压式盐差能发电系统的关键技术是膜技术和膜与海水介面间的流体交换技术。 3 海洋能转换技术的研究进展和主要项目 海洋能利用的历史至少可以追溯到中世纪时期。11世纪在高尔、安达卢西亚和英国沿岸已有原始的潮 汐水车在运转。波浪能和温差能的利用设想也早在十九世纪末就已提出。但是，有规模的对海洋能进行开发 研究是本世纪50年代以后，首先是潮汐能，然后是波浪能、温差能等。以下分别就各种海洋能源的研究技术 进展和主要项目进行介绍。 31潮汐能发电技求进展及项目 潮汐发电的主要研究与开发国家包括法国、前苏联、加拿大、中国和英国等，它是海洋能中技术最成熟和 利用规模最大的一种。 311法国 位于法国圣马洛附近朗斯河口的朗斯潮汐电站工程是当今最著名的潮汐装置。该电站最早的建议干 1737年提出，1953年由法政府决定兴建，实际建设工作开始于1961年：月，第一台设备于1966年投入运 行，发电站包括24台每台装机容量10Mw的可逆型机组，总计电站容量240MW。其水轮机可用来在水流 流入或流出时发电、泵水和起闸门的作用。这种运行的灵活性使电站在1.5m的低水头下也能在退潮和涨潮 时发电。由于增加了泵水能力，电站输出逐步增加，现在年总发电能力约力为6X108kWh。平均潮差约为 85m，但最高大潮达135m。水库面积90000m2。 灯泡式装置的性能非常好，其平均利用率稳定地增加到实际最大值的95，每年因事故而停止运转的 时间平均少于5天，灯泡式装置注水门和船闸的阴极保护系统在抵抗盐水腐蚀方面很有效。这个系统使用的 是白金阳极，耗电仅为10kW。 这个工程对环境的影响总体是好的。在拦河坝体上修筑的车道公路使圣马洛和狄纳尔德之间的路线缩 短，在夏天每月的最大通车量达50万辆，这个工程本身对旅游者有巨大的吸引力，每年去那里游览的人达 20万人。拦河坝有效地把这个河口变成人工控制的湖泊，大大改善了驾驶游艇、防汛和防浪的条件。 312苏联 苏联于1968年在乌拉湾中的基斯拉雅湾建成了一座潮汐实验电站。这个钢筋混凝土的站房在摩尔曼斯 克附近的一个干船坞中建好，里面装了一台400扛w的灯泡式水轮机。然后整个站房用拖船拖到站址，下沉到 预先准备好的砂石基础上。用一些浮简来减少站房结构的吃水，并使其在拖运时保持稳定性。 313加拿大 加拿大于1984年在安纳波利斯建成一座装机容量为2MW的单库单向落潮发电站。该电站的主要目的 是验证大型贯流式水轮发电机组的实用性，为计划建造的芬地湾大型潮汐电站提供技术依据。安纳波利斯电 站的单机容量为20Mw，是世界上最大的机组。采用了全贯流技术，可以比灯泡机组成本低15。水轮机的 人口直径为76m，额定水头55m，额定效率89.1，多年运行的结果表明，机组完好率达97以上。 3.14中国 中国是世界上建造潮汐电站最多的国家，在50年代至7O年代先后建造了近50座潮汐电站，但据80年 代初的统计，只有8个电站仍正常运行发电。江厦电站是中国最大的潮汐电站，目前已正常运行近20年，但 未能达到原设计的发电水平。 厦电站研建是国家“六五干重点科技攻关项目，总投资为1130万人民币，1974年开始研建，1980年首 台500kW机组开始发电，至1985年完成6电站共安装500kW机组一台，600kW机组一台和700kW机组3 台，总容量32MW。电站为单库双作用式，水库面积为158X106m2，设计年发电量为107X106kWh。 1996年全年的净发电为502X106kWh，约为设计值的。半。其原因主要是机组运行的设计状态与实际状态有 差别。同时，机组的保证率、运行控制方式等也都需要提高。但江厦电站总体说是成功的，为中国潮汐电站的建 造提供了较全面的技术，同时，也为潮汐电站的运行、管理和多种经营等积累了丰富的经验。 315技术进展 潮汐发电的关键技术包括潮汐发电机组、水工建筑、电站运行和海洋环境等。中国60年代和70年代初 建的潮汐电站技术水平相对较低。法国的朗斯电站，加拿大安纳波利斯电站和中国的江厦电站属技术上较成 熟的电站。 潮汐电站中，水轮发电机组约占电站总造价的50，且机组的制造与安装又是电站建设工期的主要控 制因素。朗斯电站采用的灯泡贯流式机组属潮汐发电中的第一代机型，单机容量为10MW，加拿大安纳波利 斯电站采用的全贯流式机组为第二代机型，单机容量20Mw。中国的江厦电站机组参照法国朗斯电站并结 合江厦的具体条件设计，单机容量05一07MW，总体技术水平和朗斯电站相当。“八五”期间，在原国家科 委重点攻关项目计划的支持下，中国也研究开发了全贯流机组，单机容量0.14MW，并在广东梅县禅兴寺低 水头电站试运行。全贯流机组比灯泡贯流机组的造价可降低15一20。总的来说，潮汐发电机组的技术已 成熟，朗斯电站机组正常运行已超过30年，江厦电站也已工作近20年。但这些机组的制造是基于60一70年 代的技术。利用先进制造技术、材料技术和控制技术以及流体动力技术设计，对潮汐发电机组仍有很大的改 进潜力，主要是在降低成本和提高效率方面。 水工建筑在潮汐电站中约占造价的45，也是降低造价的重要方面。传统的建造方法多采用重力结构 的当地材料坝或钢筋混凝土，工程量大，造价贵。前苏联的基斯拉雅电站采用了预制浮运钢筋混凝土沉箱的 结构，减少了工程量和造价。中国的一些潮汐电站也采用了这项技术，建造部分电站设施，如水闸等，起到同 样效果。 潮汐电站的运行是一项高智力的技术丙妙地利用外海水位和水库水位的相位差，可以有效提高电站出 力。朗斯电站首先采用了一种称作泵卿的技术，使电站年净发电量约增加10。泵卿技术就是在单库双作用 电站中，增加双向泵水功能，它可以通过使发电机组具有发电或抽水双重功能来实现，也可以通过增加双向 水泵来实现。其工作过程是在退潮发电刚刚结束之后，用泵把库面水位抽低1m左右，从而增加涨潮发电的 水头。因为泵卿是在非常低的水头下进行的，而其后的发电是在高的水头下进行，所以提高水头增加的发电 量远大于抽水的耗电，而产生很大的净能量收益。 潮汐电站的海洋环境问题是一个很复杂的课题，主要包括两个方面。一是建造电站对环境产生的影响， 如对水温、水流、盐度分层以及水浸到的海滨产生的影响等。这些变化又会影响到浮游生物及其他有机物的 生长以及这一地区的鱼类生活等。对这些复杂的生态和自然关系的研究还有待深入。二是海洋环境对电站 的影响，主要是泥沙冲淤问题。泥沙冲淤除了与当地水中的含沙量有关外，还与当地的地形及潮汐和波流等 相关，作用关系复杂。例如，浙江的江厦、沙山、海山三个电站均在乐清湾内，尤其是江厦和沙山电站，仅飓尺 之隔，湾中含沙量相同，但江厦不淤，而沙山电站前阶段有淤积问题。又如山东的白沙口电站库内淤积不大， 而电站进出口渠道上出现淤积问题。其原因是与进、出口水道的位置安排不当直接有关。总之，潮汐电站的 环境问题复杂，且需对具体电站进行具体分析。 32波浪能利用的研究进展与主要项目 波浪能是全世界被研究得最为广泛的一种海洋能源。见于文字的波能装置专利，可上溯到1799年法国 人吉拉德父子所提出的。在本世纪60年代以前，付诸实施的装置报道至少在10个以上，遍及美国、加拿大、 澳大利亚、意大利、西班牙、法国、日本等。本世纪60年代初，日本的益田善雄研制成功航标灯用波浪发电装 置，开创了波能利用商品化的先例。但对波浪能进行有计划的研究开发，则是70年代石油危机之后。以英、 美、挪、日为代表，对众多的波能转换原理进行了较全面的实验室研究。 80年代以来，波浪能利用进入了以实 用化、商品化为目标的应用示范阶段并基本建立了波能装置的设计理论和建造方法。全世界近20年建造的 波能示范和实用装置在30个以上，表2列出了各主要装置的情况。 321挪威 挪威于80年代中在卑尔根市附近的岛上建造了一座500kw的多共振振荡水柱岸式电站和一座 35Qkw的聚波水库电站。其中500kw电站于1985年开始运行，总投资120万美元。站址选择在面向北海的 断崖上，气室宽度和深度均为7m，前部为一约6m长的港口。机组采用直径为2m的对称翼透平，变速恒频机 构保证电机输出的电压和频率稳定。电站在进行了一年气室试验之后，又正常工作了二年多。但电站的总体 设计基本上是失败的，三年的运行结果表明，电站的年平均输出仅为5kW左右，远远低于设计水平。更为不 幸的是，在1988年12月的一次强风暴袭击下，钢结构的气室顶部被打断，透平发电机组掉到海中。据称当时 的最大波高在20m以上。 350kw的聚波水库电站于1986年建成，一直正常运行到1991年。电站的关键技术是它的开口宽约 60m的喇叭形聚波器和长约30m的逐渐变窄的楔形导槽。当波浪进入导槽宽阔的一端向里传播时，波高不 断被放大，直至波峰溢过边墙，将波浪能转换成势能。与导槽相通的是面积约8500m2，与海平面落差约3-8m的水库。发电机采用常规水轮机组。建造者称其转换效率在65-75之间，几乎不受波高和周期的影 响。电站的年平均输出功率约为75kw，是比较成功的一座波浪电站。 322日本 日本是近年来研建波浪电站最多的国家。先后建造了漂浮式振荡水柱装置、固定式振荡水柱装置和摆式 装置十多座。日本建造的装置的特点是可靠性较高，但效率较低。 1978年，日本海洋科学中心与美国、英国、挪威、瑞典、加拿大等国合作，在一条由船舶改造的，长80m、 宽12m，被称作“海明，号的漂浮式装置上进行联合试验研究。装置共有13个振荡水柱气室。第一期试验于 1978一1979年进行，共对日本、英国和美国的三种不同类型的装置同时进行了对比试验，1985一1986年又进 行了第二期试验，以改进发电效率、减少机组体积和重量以及海底输电及锚泊系统。“海明”的发电效率令人 失望，约为65。但作为一个大型的国际合作项目，“海明”的贡献不仅在于获得了技术成果，还在世界范围 推动了波能研究。 1983年，日本海洋科学中心联合三井造船和富士电力又在日本西北海岸鹤冈市的三濑建造了一座 40kw的岸式振荡水柱试验电站，并进行了一个冬季的发电试验，总投资约8千万日元。站址选择在内凹形 的岩岸上。在完成了水下地基之后，吊装钢结构气室框架，然后浇注混凝土。气室宽度为8.1m，深度为5Tn， 40kw的卧式机组两端各装一直径13m的对称翼透平。当波高达4m时，电站输出功率为40kw，平均输出 为113kw，总效率约为11。试验完成后，鉴于管理上的困难，透平机组被拆除，但气室结构仍然完好。 同时，日本室兰工业大学也于1983年在北海道室兰附近的内浦建造了一座装机容量为5kW的摇摆式 波力电站。电站通过一个能在水槽中前后摇摆的摆门吸取波浪能。它的阻尼是液压装置。利用两声单向作 用的液压泵驱动发电机便可吸取全周期的波浪能。试验电站的摆宽为2m，最大摆角为士30度。波高1； 5m， 周期4，时的正常输出约为5kw，总效率约为40，是日本电站中效率最高的一座。另外，在烧夙岛的西浦港 已建造了一座同样的装置，用来向渔民公寓提供热水。 1988年，日本株式会社竹中工务店在东京以东99里海岸设计建造了一座振荡水柱阵列电站。电站的气 室由10个直径为1 5m的钢管阵列组成，安装在防波堤前几米处。当气室内水柱上升时，将空气通过排气管 压缩到一直径为7m的定压储气罐中。当气室水位下降时，外部空气通过吸气阀注入气室，如此反复。与储气 罐相联的是一个30kw的常规冲动式透平发电机组，出力比较稳定。平均输出约为6kW，供给附近的一个养 殖场。电站计划进行7年的发电试验，目前已正常运行达10年。 日本港湾技术研究所于1989年在酒田市的酒田港建成一防波堤式的振荡水柱电站。防波堤的沉箱是一 个中空的箱式气室，其前部为开口的防护隔板，可引入波浪。沉箱迎波宽度20m，厚245m ，高27m，发电机容 量60kw，串联两个直径为1 3m的对称翼透平。电力用于示范性的电开水器、温水养鱼和灯塔等。电站的气 室效率约为50，透平效率约为30一40,总效率在10一30之间。在电站的100多处布置了大量的测 量传感器，以获得有关波浪、负载、压力以及运动和电力数据。总投资超过7亿日元，透平发电机组费用约6 千万日元。 后弯管式波能装置是日本的一项有创新性的工作，由日本著名波能装置发明家益田善雄提出。它是一个 向后伸展的漂浮式振荡水柱系统。气室的开口在浮体的后方，背向波浪。这种大胆的设计可充分利用浮体来 自振荡和摇摆两方面的能量，且向后伸展的气室可以方便地调整长度以适应不同的波浪。这对小波浪和浅水 区域显得特别重要。日本绿星社于1987年进行了装置的海上试验。随后，益田善雄又与中国科学院广州能 源研究所合作开发这种装置。 日本海洋科学中心于90年代初开始研建一个称作“巨鲸”的波能装置，它是一种发展的后弯管漂浮式装 置。其外形类似一条巨大的鲸鱼。装置的气室设计在结构的前部）长长的身体除了利于吸收波能外，还可作 为综合利用的空间，是一个包括波浪发电、海上养殖和旅游的综合系统。装置于1998年由石川岛播磨重工业 公司完成制造，投放于三重县外海。装置宽30m，长50m，安装了：台10kW，台50kw和2台30kW的发电 机组。 323英国 英国是世界上重要的波能研究国家，曾投入数千万英镑用于波能开发的实验研究，其中包括著名的苏尔特鸭式装置等。但英国开始建造波能示范装置比较晚，数量也不多。 英国女王大学在能源部支持下于1991年在苏格兰西部内赫里底群岛的艾莱岛建成一座装机容量 70kW的岸式振荡水柱波浪电站。电站的结构和日本三獭的40kw岸式电站相似。气室宽4m，纵深10m，高 9m。直径12m的双转子对称翼透平发电机组安装在气室背部并采用了飞轮储能，输出的电力并入大电网。 电站从1986年开始施工，建造周期和投资都大大超出预计。电站出力也不够理想，气室效率在70一20 间变化，远低于设计值。电站的平均发电功率约为7 5kW，基于核电站的工作，女王大学在能源部和欧共体 的支持下，又在电站附近研建一座IMW的同类型电站，目前正在施工之中。 苏格兰英维尼斯市应用研究技术公司于1995年研建了一座称作“鱼鹰”的波浪能一风能联合发电装置。 它是一个振荡水柱离岸固定式装置。装置主体高20m，为钢结构，在造船厂加工完毕后，拖运到在顿里尔的核 电厂外海沉放，吃水深约14m。装置计划安装2台IMW的波浪发电装置和：台0 5MW的风力发电装置。 项目部分得到欧共体“焦尔”计划的资助，总费用约350万英镑，使用了850吨钢材。然而，由于装置结构设计 上的失误，在沉放就位过程中沉没，项目失败，目前正计划由保险公司赔偿重建。 324葡萄牙 葡萄牙也是近年来在波能研究中较为重要的国家。里斯本大学和葡萄牙工业技术研究院等合作，在欧共 体“焦尔”计划和葡国政府资助下，正在建造一座0 5MW的岸式振荡水柱波浪电站。电站位于阿左内斯群岛 的比克岛，1998年已完成主体结构，计划1999年发电。电站气室宽12m，纵深12m，电站顶部高约20m，前墙 吃水2 5m。对称翼透平的直径2 3m，前后均有活动导叶，透平可在750一1500rmin范围工作，发电机额定 功率400kw，是世界上目前最大的波浪电站。电站运行计划应用相位控制技术，以提高在不规则海浪中的出力。 325中国 中国也是世界上主要的波能研究开发国家之一。从80年代初开始主要对固定式和漂浮式振荡水柱波能 装置以及摆式波能装置等进行研究。 1985年中科院广州能源研究所开发成功利用对称翼透平的航标灯用波 浪发电装置。经过十多年的发展，已有60W至45W的多种型号产品并多次改进，目前已累计生产600多台 在中国沿海使用，并出口到日本等国家。“七五”期间，在原国家科委海洋专业组的资助下，由中科院广州能源 所牵头，在珠海市大万山岛研建中国第一座波浪电站并于1990年试发电成功。电站装机容量3kW，对称翼 透平直径0 8m。“八五”期间，在原国家科委的支持下，由中科院广州能源研究所和国家海洋局天津海洋技术 所分别研建了20kW岸式电站、5kw后弯管漂浮式波力发电装置和8kW摆式波浪电站，均试发电成功。 20kW岸式波浪电站是在原大万山岛3kW电站基础上改建的。由于3kW电站研建时受投资的限制，气 室顶偏低，影响机组安全，同时机组容量大小。故在原电站4m宽、3m纵深和5m高（水上部分）的气室基础 上，利用原发电机房修建了过渡气室并在过渡气室上建造了高约7 4m的导气管，使透平机组的位置在标高 15m之上，大大增加了电站安全性和可靠性。电站采用20kW的与柴油发电机联合运行的变速恒频机组，可 在1000-2000rmin转速范围内变速恒频工作。对称翼透平直径为lm。电站总效率为50一20，高于国 外同类电站的水平。测量到的最大输出功率为18kW。由于大万山岛没有统一电网，而用户又难以维持柴油 机组24小时运行，故电站在经历了3个月的试验运行之后关闭。 “九五”期间，在科技部科技攻关计划支持下，广州能源研究所正在广东汕尾市遮浪研建100kW的岸式 振荡水柱电站。电站气室为一底部直径64m，顶部直径25m，水上高度10m，吃水4m的圆柱体，喇叭形引 浪墙与外海相通。前墙吃水2m，开口宽度约6m。电站将安装100kW的异步发电机：台与电网井网运行，计 划2000年建成发电。 326技术进展 过去20年中，波能转换技术得到快速发展，建造技术趋于成熟，能量转换效率成倍增加，特别是多共振 振荡水柱，对称翼透平和相位控制技术的发展以及后弯管装置和聚波水库等技术的应用起到关键作用。 多共振振荡水柱首先在挪威的500kW波浪电站得到应用。其方法是在波能装置的气室前部增加一引浪 港口，前港与气室内水柱以及来波之间在不同频率下产生谐振，使得波能在装置的周围被放大，增加装置吸 收波能的宽度范围和对波浪频率变化的适应范围。通过利用前港，可以使一个窄的波能装置吸收到其迎波宽 度之外的能量，从而提高效率，降低成本。一个设计良好的多共振振荡水柱装置的一级能量捕获宽度比在谐 振频率附近可以达200以上。 相位控制也是挪威科学家提出的一种提高波能装置效率的有效手段。其方法是通过控制一级能量转换 机构的运动相位，使其运动速度的相位（浮体、水柱或摆板等）与入射波浪作用力的相位相适应，从而使波浪 在装置周围被放大，以便有效地吸收波浪能。一般说来，参数设计只能使装置适应某个频率，而相位控制则可 以使装置适应大范围的频率。通过简单地对装置的运动进行锁定和释放，可以减小装置的响应频率，也就可 以使一个小的波能装置适应大周期的波浪，从而达到节约成本提高效率的效果。但如果要增加装置的响应频 率，则需要能量对装置进行加速，一般不予采用。理论和实验结果均表明，相位控制技术可以减少装置尺寸， 提高效率。但由于在不规则波中的相位控制方法以及实施设备还有一些问题尚未解决，目前还未得到实际应 用。但相位控制是波能实用化的希望之一。 对称翼透平是70年代中由英国女王大学教授A，A。Wells发明的，又称Wells透平。它由若干个安装角 为零，均布于轮毅的对称翼型叶片组成。对称翼透平的最大优势是它的自整流特性，即它可以在往复交变的 双向气流中高速单向旋转做功。由于波浪运动的周期性变化，气动式波能装置若采用单向作用透平则需要整 流阀门，而采用对称翼透平则无需整流阀门，从而可以大为简化装置的结构。目前大多数气动式波能装置均 采用对称翼透平。当然，对称翼透平也存在起动性差和效率较低等弱点。因此，高效双向作用透平仍是波能 研究的关键之一。 后弯管装置，聚波水库装置以及摆式装置的发明也对波能技术的进步起到重要作用。有关优点已在相应 的装置介绍中论述过，不再重复。 33海洋温差能利用技术的进展与主要项目 美国、日本和法国是海洋温差能研究开发的牵头国家。1881年法国科学家J01 Arsonval最早提出海洋 温差能利用的设想，他的学生6，Claude干1926年首次进行了海洋温差能利用的实验室原理试验。1929年6 月，6， Claude在古巴的马但萨斯海湾的陆地上，建成了一座输出功率22kW的温差能开式循环发电装置，引 起了人们对温差能的浓厚兴趣。但由于温差能利用在技术上，特别是经济性能上存在很多问题和困难，开发 工作一直受到冷遇。直至1973年石油危机之后，才复苏起来。 1979年8月美国在夏威夷建成第一座闭式循 环海洋温差发电装置是温差能利用的一个里程碑。这座50kw级的电站不仅系统地验证了温差能利用的技 术可行性，而且为大型化的发展取得了丰富的设计、建造和运行经验。 31美国 Mini一OTEC 500kW电站由夏威夷州政府和几家私营公司集资300万美元设计，建造于一艘向美国海 军租借的驳船上。项目从1978年开始实施，从设计到发电共用了15个月的时间。然后，又进行了4个月的 试验。电站采用闭式循环系统。工质为氨，热水口平均温度26 1C，冷水口平均温度为5 6C，冷水管长度为 645m，直径0。 61m，热交换器总面积407 8m2。在温差为2时，热力循环系统效率超过了25。电站输出 电力为53-47kw，平均出力为48 7kW，扣除系统自身用电（其中冷水泵119-136kW，热水泵94-107kW，氨泵1kW，其它装置10-192kW后，向电网的电力输出为173-55kW，平均15kW。 Mini一OTEC的成功，引起了美国能源部的重视，于1980年支持参与Mini一OTEC的两家主要公司，在夏 威夷建造了另一座被称为OTECI的IMW的实验装置。该装置也是闭式系统，工质为氨，主要进行热力系 统研究，重点是管壳式热交热器和冷水管的性能，没有安装透平发电机组。 从1990年洋高技术研究国际中心（PICHTR）开始一项开式循环温差能利用计划，进行了蒸 发器喷嘴、温海水除气、湿份分离、冷凝能力等试验研究。在这些试验的基础上，于1991年11月开始在夏威 夷进行开式循环净功生产试验并于1993年4月建成，发电功率为210kW，扣除系统自身用电后的净出力为 40一50kW，并可产生淡水。PICHTR还开发了多功能的温差能利用系统，不仅发电，还同时产生淡水，进行 空调和制冷以及强化的海水养殖等，在太平洋热带岛屿有良好的市场前景。 332日本 日本一共建成3座岸式海洋温差电站。1980年6月，日本东京电力等公司和日本政府各出资50，共 11亿日元，在瑙鲁共和国开始建造一座100kW闭式循环温差电站，并于1981年10月开始发电试验，运行 了一年。电站采用R22为工质，冷水口温度78C，热水口温度298”C，冷水管直径07m，长度950m。电站 平均发电功率100 5kW，扣除系统运行动力的消耗，平均净输出149kW，并入当地电网。 1981年8月，九洲电力公司等又在鹿儿岛县的德之岛开始研建50kw的试验电站，并于1982年9月开 始发电试验并运行到1994年8月为止。工程投资10亿日元，由企业和日本政府各占50。这是一座混合型 电站，工质为氨，采用板式热交换器。电站的热源不是直接取海洋表层的温海水，而是利用岛上的柴油发电机 的发动机余热将表层海水再加热后作为热源，热源温度可达40 5C。冷水口温度为12C，故温度差可达 28 5C。电站冷水管直径0 6m，长度2300m，平均净出力可达32kW。此外，九洲大学还于1985年建造了一 座75kw的实验室装置，井得到35kw的净出力。 333中国 1980年台湾电力公司便计划将第3和第4号核电厂余热和海洋温差发电并用。经过3年的调查研究， 认为台湾东岸及南部沿海有开发海洋热能的自然条件，并初步选择在花莲县的和平溪口、石梯坪及台东县的 樟原等三地做厂址，并与美国进行联合研究。 1985年中国科学院广州能源研究所开始对温差利用中的：种“雾滴提升循环”方法进行研究。这种方法 于1977年由美国的Ridgway等人提出，其原理是利用表层和深层海水之间的温差所产生的焓降来提高海 水的位能。据计算，温度从20”C降到7“C时，海水所释放的热能可将海水提升到125m的高度，然后再利用水 轮机发电。该方法可以大大减小系统的尺寸，并提高温差能量密度。19年，广州能源研究所在实验室实现 了将雾滴提升到21m高度的记录。同时，该所还对开式循环过程进行了实验室研究，建造了两座容量分别为 10W和60W的试验台。 334技术进展 海洋温差发电在循环过程、热交换器、工质以及海洋工程技术等方面均取得很大进展。从技术上讲已没 有不可克服的困难，且大部分技术已接近成熟。存在的问题主要是经济性和长期运行的可靠性。热交换器是 温差发电系统的关键部件，约占总生产成本的50一20，直接影响了装置的结构和经济性。提高热交换器 的性能，关键在于交换器的形式和材料。研究结果表明，钛是较优材料，其传热及防腐性能均好。板式热交换 器因体积小，传热效率高，造价低，在闭式循环中适合采用。 工质也是闭式循环中的重要课题。从性能的角度，氨和R22被证明是理想的工质。但从环保的角度，还 需寻求新的工质。 在海洋工程技术方面，对冷水管、系留、输电等技术均进行了研究，特别是冷水管的铺设技术，对多种连 接形式进行了试验，已有较成熟的成果。 34海流能与盐差能的研究进展 相对说来，海流能和盐差能的研究不如其它几种海洋能源充分。但海流能的研究近年来有上升的趋势， 特别是在欧共体得到重视。 341海流能 世界上从事海流能开发的主要有美国、英国、加拿大、日本、意大利和中国等。70年代来，中国舟山的何 世钩自发地进行海流能开发，仅用几千元钱建造了一个试验装置并得到了6 3kW的电力输出。80年代初， 哈尔滨工程大学开始研究一种直叶片的新型海流透平，获得较高的效率并于1984年完成60W模型的实验 室研究，之后开发出千瓦级装置在河流中进行试验。美国也于1985年在佛罗里达的墨西哥湾流中试验小型 海流透平。2kW的装置被悬吊在研究船下50m处。加拿大也进