據(jù)國際能源署(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)合國教科文組織1981年出版的Harvesting Ocean Energy一書中的估計，全球海洋能理論可再生總儲量為766億千瓦，但技術上可開發(fā)利用的儲量僅為64億千瓦。目前，開發(fā)利用潮汐能、潮流能和波浪能的技術成熟度相對較高，在國際上已有多家單位研制了相應裝置并完成商業(yè)化嘗試。
我國現(xiàn)狀
在資源評估方面，國外在20世紀末就已建立潮汐能、潮流能資源評估的技術方法體系，并將發(fā)電水頭及切入/切出流速用于特征量估算。我國海洋能資源具有儲量大、分布廣、密度低的特點，因此更需要精準的資源評估技術和體系。此前，我國雖在海洋管理部門的組織下進行過多次海洋調(diào)查，但獲取的大量數(shù)據(jù)并未與海洋能技術屬性相結合，缺乏特征值和指向性，難以精準區(qū)分開發(fā)儲量、劃分重點海域。
在技術研發(fā)方面，潮汐能、潮流能和波浪能具有各自的技術研發(fā)路線和水平。
潮汐能利用屬于低水頭水力發(fā)電技術，技術相對成熟。國外多在大潮差(高于10米)處建設裝機容量較大的電站，如法國朗斯潮汐電站以及韓國始華湖潮汐電站，其一般采用燈泡貫流機組，具有復雜的內(nèi)流道結構，通過較高水頭來彌補效率較低的問題，裝機容量超過百兆瓦。江廈潮汐電站是我國第一座雙向潮汐電站，同樣采用燈泡貫流機組，但由于潮差較低(約6米)，裝機容量僅在兆瓦級，度電成本較高。目前，西安理工大學提出將雙向全貫流技術用于潮汐能發(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輪。
潮流能利用在國外收斂于水平軸技術，但進入示范或商業(yè)化運行的機組基本針對高流速海域，例如，挪威、英國等國使用的裝機容量在兆瓦級以上的機型均有流速高、慣量大、密封損耗大等特征，而且啟動流速需高于0.7米/秒。不同的是，低流速潮流廣泛分布于我國四大海域，資源儲量豐富，技術研發(fā)需求高。為此，中國海洋大學、浙江大學、東北師范大學等單位已先期對低流速下的百瓦級和千瓦級機組進行了探索性研究。目前，國內(nèi)裝置多為固定式，效率依賴于流向，雖可利用變槳距控制技術，但可靠性較低，具備自主對向功能的機組應用尚不成熟。
波浪能利用目前可主要歸納為振蕩水柱、越浪、振蕩浮子這三大類技術。國外的波浪能裝置大多依照窄譜波場設計，這種波場具有波浪能量多集中于某一特定波浪頻率的特點，并催生了諸如英國的“鴨式”(Duck)和“海蛇”(Pelamis)、芬蘭的“企鵝”(Penguin)、美國的“動力浮標”(PowerBuoy)等裝置，裝機容量接近兆瓦，整體效率接近20%。在國內(nèi)，中國科學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)，中國海洋大學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，效率尚有較大提升空間。
在試驗測試方面，英國的愛丁堡大學(建有海浪模擬水池“FloWave”)以及歐洲海洋能源中心(EMEC)擁有目前國外最先進的試驗測試條件。我國尚未形成專門的試驗測試體系，缺乏類似的測試場，而這在很大程度上制約著我國海洋能裝置研發(fā)創(chuàng)新與試驗實踐。當前，為提供高水平海洋能源研發(fā)及測試公共服務，瞄準EMEC等國際高水平海洋能測試場，建設國內(nèi)領先、國際一流的高水平海洋能測試平臺，中國海洋大學正同青島海洋科學與技術試點國家實驗室協(xié)力建設海洋能研發(fā)測試平臺。平臺現(xiàn)已建設完成海洋能海上綜合試驗場一期工程，并形成基本測試能力，將能滿足潮流能和波浪能裝置大比尺(原型)現(xiàn)場測試要求，為國內(nèi)外海洋能裝置研發(fā)提供支撐。
當前，依托國家重點研發(fā)計劃，中國海洋大學牽頭并聯(lián)合魯東大學、西安理工大學、大連理工大學、華南理工大學等12家單位組建項目團隊，立足于我國資源特性，聚焦潮汐能、潮流能和波浪能的高效利用，在資源評估、技術研發(fā)和試驗測試等方面開展了大量相關研究和技術創(chuàng)新研發(fā)，取得多項重要進展，例如，構建海洋能大數(shù)據(jù)庫平臺，精準評價我國海洋能重點區(qū)域資源特征;通過機理創(chuàng)新，以提高轉換效率為核心目標，研制適合于我國資源特征的低水頭雙向全貫流潮汐能原理樣機、懸浮輪輞轉子潮流能發(fā)電裝置樣機、多自由度波浪能裝置樣機等，整機轉換效率處于國內(nèi)領先、國際先進水平;研制海洋能裝置性能評估實驗室集成測試系統(tǒng);建立海洋能全生命周期實海況綜合測試技術等。
資源評估
為形成更為實用的資源評估體系，團隊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海洋能資源技術評估和開發(fā)的物理概念，理論認知程度國際領先。為解決我國重點開發(fā)海區(qū)海洋能長期時空分布數(shù)據(jù)尤其是波浪能儲蓄量數(shù)據(jù)嚴重缺乏的問題，團隊通過對合成孔徑雷達(SAR)影像、衛(wèi)星高度計等大量數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理和應用，研發(fā)了先進的時空分布數(shù)據(jù)提取方法，并成功提取了我國海域波浪能儲蓄量的時空分布數(shù)據(jù)。
對于潮汐能和潮流能資源評估，團隊基于前期工作積累及相關研究成果，通過收集采集和分析我國海域的相關數(shù)據(jù)和歷史資料，開展深入研究，確定資源重點海區(qū)，并在重點海區(qū)應用研發(fā)的高精度潮流-波浪耦合模型，以精確評估其蘊含量;對于波浪能資源評估，團隊基于長期波浪再分析數(shù)據(jù)，對我國海域波流能的時空分布規(guī)律進行定量描述，并在重點海區(qū)應用WW3和SWAN相互嵌套的波浪模式，對我國沿海波流能的時空變化進行高精度模擬。
為全面描述我國海洋能資源特征，精確評價重點區(qū)域儲量分布，團隊進一步構建了海洋能大數(shù)據(jù)平臺。具體而言，團隊基于研發(fā)的海洋能大數(shù)據(jù)智能處理技術，構建了動態(tài)模型，為預測未來分布態(tài)勢提供數(shù)據(jù)支撐;研發(fā)了多源海洋能大數(shù)據(jù)時空異構存儲模型體系，建立了跨模態(tài)海洋數(shù)據(jù)的普適存儲模型體系，建立了矩陣式、智能化、層次化的存儲訪問優(yōu)化策略，開發(fā)了面向分布式數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的高可靠同步調(diào)度方法，構建了高可用、彈性可擴展的存儲架構;探索突破了千萬核規(guī)模并行數(shù)據(jù)傳輸、高精度可視顯示、遠程可視化、原位并行可拓展繪制、自適應特征增強繪制等技術，并基于云地理信息系統(tǒng)(GIS)和空間大數(shù)據(jù)計算環(huán)境，研發(fā)了海洋能大數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)。
此外，團隊通過綜合考慮全球氣候變化及技術發(fā)展，合理分析我國海洋能長期走勢，繪制了2025年我國海洋能發(fā)展路線圖;研究了我國海洋能發(fā)展未來20～50年情景模擬分布，生成我國近海地區(qū)的海洋能開發(fā)量分布圖、海洋能開發(fā)技術發(fā)展趨勢圖、海洋能開發(fā)綜合趨勢圖等。
技術研發(fā)
潮汐能為克服常規(guī)水輪機轉輪設計方法無法均衡水輪機雙向運行時水力性能的問題，提高低水頭潮汐能雙向全貫流式水輪機的能量轉換效率，團隊提出了可均衡提升水輪機正、反向運行性能的雙向高效全貫流水輪機轉輪的全三維設計理論。同時，為克服傳統(tǒng)水輪機過流部件優(yōu)化設計方法冗余的問題，提升雙向全貫流式水輪機優(yōu)化設計的自動化和智能化水平，團隊建立了兼顧正、反向性能的貫流式水輪機智能優(yōu)化設計體系。這兩項創(chuàng)新成果是決定潮汐能大規(guī)模高效開發(fā)利用的關鍵技術，而其在國內(nèi)外卻普遍缺乏研究。
雙向全貫流機組內(nèi)部的水壓力脈動是誘發(fā)機組外在振動的主要原因之一，而其機理仍不清晰，多因素影響規(guī)律尚缺乏研究，致使機組的水力振動難以在水力設計階段得到有效控制。為此，團隊綜合理論分析及試驗測試方法辨識獲得雙向全貫流機組內(nèi)部水壓力脈動的產(chǎn)生根源，并探明水壓力脈動對機組外在振動烈度的影響規(guī)律，從而闡明機組水力激振的產(chǎn)生機理，這將為全貫流機組的穩(wěn)定運行提供可靠保障。
潮汐水頭的劇烈變化導致發(fā)電機輸出功率變幅大，即使采用變頻控制后電流波形仍存在大量諧波，這會顯著影響電網(wǎng)穩(wěn)定性。此外，雙向全貫流機組工況轉換頻繁，轉輪葉片和軸系經(jīng)常受到交變力矩的沖擊，這會影響機組的使用壽命。為提升雙向全貫流機組的電能輸出質(zhì)量，降低工況轉換對機組的沖擊，改善機組的使用壽命，團隊研發(fā)了可雙向運行的高效率永磁同步發(fā)電機，并首次提出采用四象限變頻器提高工況轉換過程中的機組偏工況效率和穩(wěn)定性的技術方法。
潮流能團隊創(chuàng)造性地提出了自動對向懸浮式載體的設計方案，其利用系泊懸浮方式實現(xiàn)水輪機在雙向潮流中的自動對向，并與涵道導流結構結合，實現(xiàn)對潮流流速的加速，提高潮流的利用效率，降低水輪機的外部啟動流速，以契合我國潮流能資源特點。團隊創(chuàng)新提出了輪輞轉子一體化技術，其充分利用輪輞結構發(fā)電，適合涵道內(nèi)的流速分布，利用葉片根部獲能，同時通過新型發(fā)電機拓撲結構，實現(xiàn)轉子和葉片的集成設計，取消了動密封裝置，大幅降低啟動轉矩，能夠顯著改善發(fā)電機的運行效率，提高發(fā)電機的可靠性。這兩項成果均為國內(nèi)首創(chuàng)，可實現(xiàn)低速啟動和高效獲能發(fā)電，具有推廣和應用示范的價值，團隊也據(jù)此研發(fā)了海試樣機。
波浪能團隊揭示了波浪能在獲能體多自由度運動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)的能量攝取機構(PTO)。團隊建立了裝置在受約束條件下的多自由度能量轉換數(shù)學模型，應用線性PTO分析并推導軸對稱振蕩體沿3個自由度的運動響應，得到各自由度的相互影響與相應的最優(yōu)阻尼系數(shù)，并研究了裝置形狀、吃水等參數(shù)對附加質(zhì)量、輻射阻尼系數(shù)和波浪擾動力的影響;考慮裝置非線性粘性阻尼系數(shù)，結合隨機波理論，建立了裝置運動時域計算數(shù)學模型，得到裝置的運動響應及輸出功率;驗證了裝置的最佳幾何參數(shù)與重量。
團隊提出了多向聯(lián)動復合PTO的設計方案，其將錐型齒輪與滾珠絲桿相結合，具有高效傳動、隨動避險等功能，且具有完全自主知識產(chǎn)權。該方案選用機械式PTO，可以消除液壓傳動系的泄漏風險和損耗，減少管線布設的復雜性，提高可靠度?；诙嘞蚵?lián)動復合PTO的設計原理，在匯集并攝取獲能體多自由度運動能量的同時，將PTO反力作為獲能體的反饋，用以修正波浪響應、更準確地預測捕獲-轉換效率;新增的主動控制單元，可根據(jù)所處海況實時調(diào)整PTO參數(shù)，實現(xiàn)瞬時波能轉換效率最大化。
Rolling裝置是團隊提出的全新概念，也是團隊研發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權的新裝置。團隊根據(jù)水動力響應，經(jīng)過數(shù)值模擬和模型試驗，設計裝置外形，以達到尺寸-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上，團隊通過理論分析、數(shù)值計算、水槽試驗等方式，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，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)，進行獲能體設計;采用成熟的數(shù)值模擬技術，分別建立捕獲、攝取、儲能、發(fā)電模塊，確定能量傳遞變量及其傳遞關系，以全程效率最大化為目標，通過反饋-耦合運算得到波浪能-電能的合理匹配，并據(jù)此設計工程樣機，預期效率可達20%。
試驗測試
團隊提出了“虛實結合”的驗證模式及全過程模擬測試技術，所選方法涵蓋從物理模型試驗到實海況測試的全部驗證過程，其中“虛”是指數(shù)值計算與模型試驗的結合，“實”是指環(huán)境輸入與電力輸出的比較。
團隊在原理上創(chuàng)新提出了協(xié)調(diào)各相似準則的新方法，突破模型試驗的離散性與間斷性，平滑聯(lián)接能源輸入端與電力輸出端，從而完成全過程模擬的準則一體化，并研發(fā)了國內(nèi)首套潮流能、波浪能室內(nèi)模型試驗的PTO加載系統(tǒng)，使其具備通用性與可調(diào)性;研制了國內(nèi)首套海洋能裝置性能評估實驗室集成測試系統(tǒng)，構建了海洋能裝置資源-電源全程匹配測試體系。此外，團隊給出了從資源到電源的全程測試方案，確定了實海況測試的電力質(zhì)量評價方法與導則，提出了海洋能全生命周期電力質(zhì)量綜合測試方案，測試水平達到國際先進、國內(nèi)領先，為今后我國相關規(guī)范制訂、裝置樣機研發(fā)等提供了重要的技術依據(jù)。
自項目啟動以來，團隊已取得多項進展，例如，完成海洋能評價方法分析;完成多源海洋能數(shù)據(jù)時空異構存儲模型體系建立;完成基于矩陣式、智能化、層次化存儲訪問優(yōu)化策略的海洋能大數(shù)據(jù)庫的結構設計、數(shù)值建模、實測數(shù)據(jù)收集;完成20千瓦潮汐能樣機方案及結構設計、水輪機總成設計及制作委托;完成50千瓦潮流能樣機1套，完成裝置優(yōu)化、設計及制作委托;完成10瓦波浪能裝置樣機1套，開展物理模型試驗，并依據(jù)其結果完成Rolling裝置優(yōu)化、設計及制作委托;完成模型試驗加載、控制及數(shù)據(jù)系統(tǒng)的模塊設計;完成實驗室集成測試系統(tǒng)的PTO加載;完成海洋能電能質(zhì)量的環(huán)境輸入-電力輸出測試方法等。下一步，團隊將按計劃完成潮流能裝置、波浪能裝置海試樣機的研制，開展海上測試試驗，繼續(xù)為我國海洋能高效利用的研究和發(fā)展貢獻力量。
