海洋可再生能源发电现状与发展趋势Word文件下载.docx
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可再生能源；
低碳减排；
海上风电；
海洋能发电
0引言
海洋能是指依附在海洋中的可再生能源，也称为海洋可再生资源，通常包括潮汐能、潮流能、波浪能、海洋温差能、盐度差能和海上风能等形式⑴。
利用海洋可再生能源发电（海洋能发电）可以有效减少温室气体排放，是全球能源互联网的关键发展方向，完全符合人类社会可持续发展的要求。
随着海洋发电技术的不断进步和开发规模的逐渐增大，其更加具有竞争力，受到广泛关注。
2014年9月，亚太经合组织（APEC）能源部长会议《北京宣言》明确提出，到2030年，21个成
基金项目：
国家科技支撑计划资助项目（2015BAA07B01）o
ProjectSupportedbyNationalKeyTechnologiesR&
DProgram（2015BAA07B01）.
员国可再生能源发电量比重较2010年翻一番。
2014年11月，《中美气候变化联合声明》宣示，到2025年，美国将在2005年基础上，全经济范围减排26%~28%o2030年左右，中国二氧化碳排放达到峰值，非化石能源占一次能源消费比重提高到20%。
作为可再生清洁能源的海洋能，有着广阔的发展前景。
文献［2］针对英国海洋能发电发展历程、高校合作项目研究进展、以及国家相关政策和规划作了综述，并对欧洲海洋能中心以及潮流及波浪能试验中心作了全方位介绍，最后分析了英国海洋能发展前景。
文献［3］以图文并茂的形式，介绍波浪能发电、潮流能发电、潮汐能及温差能发电技术的原理和特点，并对一些典型的海洋能发电装置作了细致说明。
本文分别介绍了海上风电、潮汐能发电、潮流能发电、波浪能发电、海上温差发电以及盐度差能发电，简要归纳了它们各自的特点和发展历程，密切跟踪了国内外最新发展现状，并重点分析了未来海洋能发电的发展趋势，最后说明了海洋能发电发展的意义和前景。
相关工作适应于能源互联的新能源技术研究。
1海上风电
近年来风电产业发展迅猛，据世界风能理事会统计，在2009—2014年期间，全球风电市场规模扩大了约250GW,海上风电也获得了快速发展⑷。
海洋环境下建立风电场有别于陆上，海上风场通常有更高的风速，风场更为广阔，且海上风切变较低，风机振动程度较小。
相比于陆上风机，海上风机设计时，运行噪声无需过度关注，可以选择更高的叶尖速比，在相同质量下，产生更大功率。
另一方面,由于海上风机的建设、维护和检修成本相对较高，海上风机设计将更加注重可靠性〔Hl。
1.1海上风电发展现状
欧洲是世界上最早大规模开发海上风电，且发展最为迅速的地区。
其中，1991年建成的丹麦Vindeby风电场，是全球第一个商业化的海上风电场［71o2014年欧洲新建17座海上风电场，并网容量达1483.3MWo英国占新增并网容量的54.8%,德国占35.7%o另外，50.7%的新增并网机组位于大西洋海域，其余49.3%位于北海海域。
截止到2014年底，欧洲共有74座海上风电场，2488台风机并网发电，总容量达8045.2MW,年发电量29.6TW∙ht81o我国海岸线漫长，潮间带及近海范围风能资源十分丰富。
2010年11月，我国第一座海上风电场示范工程一上海东海大桥100MW海上风电场项目投入运营。
2014年底，国家能源局对外公布《全国海上风电开发建设方案（2014—2016）》，总容量10.53GW的44个海上风电项目被列入其中。
“十二五”可再生能源规划中，2015年海上风电机组装机容量将达5GW,2020年将达30GW。
1.2海上风电的发展趋势
尽管海上风电有着诸多优点，但其发展也面临着不少严峻挑战。
由于风机基础建在海底，需要针对海洋环境做出专门的设计和建造，这使得海上风电的发电成本高达陆地风电的2~3倍⑼。
为降低发电成本，提高竞争力，海上风电发展呈现以下趋势。
1）风机功率大型化。
由于海上风况优于陆上风况，近岸风力也较高，采用更大功率的风机进行发电将显著提高风能的利用率。
陆上风机功率一般在1~3MW,而海上风机功率可达5~10MW,甚至更大tl0^lllo
欧洲风能协会公布的数据显示，2014年欧洲新建并网海上风电机组平均单机容量已近4MW»
我国的海上风电机组单组容量也不断提升，2014年11月，明阳风电6.5MW海上风电机组在江苏如东潮间带试验风电场顺利完成吊装。
2）超导及新材料的应用。
随着风机半径R的增长，其功率呈正倍增大,然而风机重量也会成丑28倍增加，这对基础是个很大的挑战。
此外，风机工作产生的噪声会成丑5倍放大〔⑵。
因此，在提高风机功率的同时，应当注重控制风机的整体重量及转换效率。
采用超导风机时，超导电线可以承载更大的电流密度，磁通密度⑦可以显著增加，从而提高发电及传输功率，使整体风机转换效率增加，且能显著减轻其质量。
海上风机单机功率较大，一般要求叶片尺寸更大，这就对叶片制造强度和刚度等性能提出新的要求。
采用轻质新材料制造叶片，成为当前风机发展的一个趋势，其中较为引人关注的是碳纤维叶片'
"
I。
3）海上风场离岸化发展。
国家发展改革委能源研究所等机构的研究显示，我国近海10m水深的海域内，风能资源约100GW；
近海20m水深，风能资源约300GW；
近海30m水深，风能资源约490GW。
风电场离岸化发展能够利用更多的风能。
2014年欧洲新增海上风场平均离岸距离和海域深度分别为32.9km及22.4m,相比于2013年的30km距离和20m的海域深度，都有相应增加。
海岸旁边建设风场，有可能影响到当地的风景及环境。
由国家能源局和国家海洋局联合制定的《海上风电开发建设管理暂行办法实施细则》于2011年8月出台，要求海上风电场建设要向深水离岸布局。
可见，海上风电场将向更深的海域扩展。
4）多种输电技术和并网方式共存。
当前海上风电场输电方式主要有高压交流（HVAC）,高压直流（HVDC）,以及分频输电（FFTS）等。
其中，HVAC输电系统结构简单，建设成本较低，由于海缆的充电电流限制，其只适合近海小规模的风电场；
柔性直流输电（VSC-HVDC）容量较小、功耗较大，适用于中小规模风电场；
电网换相换流器高压直流输电（LCC-HVDC）和分频风力发电系统容量大、损耗小，适用于较大规模的海上风电场好也
其他输电方式也各有相应的优缺点，不同类型风电场需要有针对性的输电和并网方案选择。
2潮汐能发电
太阳、月亮与地球之间的万有引力与地球自转运动使得海洋水位形成有规律的高低变化，形成潮汐。
现代潮汐能的利用，主要是潮汐能发电。
2.1潮汐能发电现状
从1912年德国胡苏姆兴建了世界第一座潮汐电站至今，全球范围内已陆续建成许多大型潮汐电站。
欧洲拥有丰富的潮汐能资源，也是潮汐发电技术的起源地。
其中，英国与法国潮汐能资源在欧洲所占的比例分别为47.7%和42.1%o2014年2月，英国TidalLagoonPower公司向政府提交了装机容量320MW的斯旺西湾潮汐能电站项目申请，有望于2015年6月获得批复。
2015年3月，该公司又公布了建设另外5个泻湖潮汐能电站的计划。
所有6个项目建成后，预计将能提供英国8%的电力供应网。
亚洲潮汐电站建设也有很大发展。
韩国虽然进入潮汐能发电领域较晚，但发展势头较快，技术水平已与欧洲发达国家接近。
2011年，在始华湖建成当前世界最大的潮汐电站。
电站装机总容量达254MW,能够为韩国每年减少86.2万桶原油进口以及32万吨温室气体排放。
目前，韩国政府还在泰安郡、江华岛、平泽以及永宗岛北端等地区，积极推进潮力发电站建设。
我国潮汐能蕴藏量约为110GW,可开发总装机容量约21.8GW,年发电量62.4TW∙h,主要集中在福建、浙江两省和上海市沿海区域ll7^18lo已在1986年建成当时世界第三大潮汐电站，即江厦电站，装机容量3.2MW„根据《可再生能源发展“十二五”规划》，我国将建设1~2个10MW级潮汐能电站和若干潮流能并网示范电站。
目前，处于前期研究中的潮汐电站有4处，分别是浙江三门湾潮汐电站、厦门马銮湾潮汐电站、福建八尺门潮汐电站以及温州瓯飞潮汐电站。
其中，温州瓯飞潮汐能电站规划装机容量为400MW,总投资335亿元，规模世界第一。
2.2潮汐发电的趋势
1）潮汐能电站的大型化。
潮汐能发电的发展主要受高成本因素制约。
选择良好的开发地址，建立大型潮汐电站将可以有效地降低单位发电成本。
当前，潮汐能开发的趋势是大型化，如以上提到的英国泻湖潮汐能电站，中国温州瓯飞电站等。
2） 单向与双向潮汐能电站并存。
双库型电站受到选址因素限制，以及建设和维护成本较大等因素制约，并没有被广泛使用。
当前潮汐电站基本为单库型，包括单库单向型以及单库双向型电站。
单库单向型电站结构简单，造价较低,但其水头变化小，平均工作水头较高，潮汐能利用率较低。
单库双向型电站结构复杂，建设成本较高,但其发电时间较长，能更高效地利用潮汐能。
这些特点决定了在未来的发展中，单向和双向潮汐电站将共存。
3） 注重电站的综合使用。
潮汐能电站建设一般位于海湾处，围垦面积较大，建设周期较长，成本较高。
但潮汐电站除了发电，还能带来一定建设效益，比如围垦、水产养殖和交通旅游等。
例如，江厦电站建成后为当地围垦农田3.73×
106m2,可耕地3.13×
106m2o在潮汐能电站设计、建设及运营时，综合考虑多方面效益，将有助于投资成本的快速回收，推动产业化发展。
3潮流能发电
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。
潮流能发电于20世纪70年代被提出。
潮流水轮机是一种无压降或低水头的水轮机，将流体动能转换为机械能，结构和工作原理与风机类似'
02%3.1潮流能发电的发展现状
潮流能作为海洋能的重要组成部分，受到各国关注。
近几年，潮流能研究得到了快速发展。
英国、美国、加拿大、韩国等国家已有较大规模的项目在实施中，未来几年将会有数个十兆瓦级电站建成。
据对130个水道沿岸潮流能资源蕴藏量统计，我国可利用的潮流能理论平均功率约14GW0按海区分，以东海沿岸最多，有95个水道，理论平均功率约为11GW,占全国总量的78.6%o特别是舟山群岛，许多地方潮流速度达到4π√s,适宜建设大型潮流发电场。
2013年8月，由中国海洋大学和哈尔滨工程大学联合研发的国内首台100kW海洋潮流发电装置在青岛下水发电。
同月，由哈尔滨工程大学研发，采用双机组十字叉型水轮机专利技术和漂浮式双体船载体设计的“海能III”号，在浙江岱山县龟山水道投入运行，装机总容量为2×
300kW,成为世界最大的立轴潮流能发电站。
3.2潮流能发电的发展趋势
1）潮流能水轮机容量的大型化。
潮流能的能量密度远大于风能、太阳能等清洁能源，能够使水轮机以较小的尺寸获得更大的功率输出。
潮流能水轮机的研发已取得了显著进展，其容量也在不断提升。
2008年12月，MCT（MarineCurrentTurbineLtd）公司研制出1.2MW潮流能水轮机，且现已并网发电，成为世界上第一个商业化电站。
潮流能水轮机容量的大型化将是其发展的必然趋势。
2）水平轴潮流能水轮机成为主流。
潮流能水轮机按运行结构一般分为水平轴、竖轴等多类。
其中水平轴水轮机正对水流方向时发电功率较大，在大型水轮机中被广泛应用⑵八大型水平轴风力机的快速发展也在一定程度上推动了潮流水平轴水轮机的工程应用，已具备工业制造生产的能力，是最具商业发展前景的潮流水轮机结构〔2%
4波浪发电
波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，具有能量密度高和分布面广等优点，是一种取之不竭的可再生清洁能源。
世界海洋中的波浪能高达70TW,是各种海洋能中能量最多的。
文献［1］中全球波浪分布图显示，欧洲、美国西海岸以及我国东部沿海地区波浪能资源都十分丰富。
4.1波浪发电的现状
2008年世界上第一个商业化的海浪发电厂在葡萄牙北部海岸投入运转，该电厂采用“海蛇式”发电机，为一个150m长的钢饺接结构，通过弯曲移动带动水轮发电机发电，设计发电容量为2.25MW<
>
2013年5月，英国批准AquamarinePower公司在苏格兰西部群岛建立总装机容量为40MW的世界最大波浪发电厂。
美国也在加紧研制波浪发电技术。
2011年11月，新泽西州海洋电力技术公司进行了波浪发电和海底输电实验，并成功并入陆上电网，解决了海洋波浪发电的并网问题。
近来，加州大学伯克利分校研发了更加高效的海底地毯式波浪能发电装置，力求将对附近海洋环境的影响降低到最小［23'
25］o
我国沿岸波浪能资源理论平均功率约1285万kW,具有良好的开发应用价值，建立波浪能发电系统发展潜力巨大。
我国首座波浪独立发电系统，汕尾100kW岸式波浪电站于1996年12月开工，2005年第一次实海况试验获得成功。
2014年1月，中国海洋大学主持研制的'
'
10kW级组合型振荡浮子波能发电装置”在青岛斋堂岛海域投入使用。
根据规划，到2020年我国将在山东、海南和广东各建一座1MW级岸式波浪发电站。
4.2波浪发电的趋势
1）直线发电机的普遍应用。
在波浪环境下，复杂的发电装置系统能量损失率较高，稳定性和使用寿命也难以保证。
直驱式波浪发电装置所需的离岸维护最少，被认为是现有波浪能发电系统中最具可行性的发电方式之一R6］。
直驱式系统一般采用直线发电机直接将波浪的机械能转换为电能。
通过建模和模拟表明，直线发电机可最大限度地从波浪中提取能量］2刀。
近几年，在直接驱动系统中，直线电机的应用越来越广泛。
在波浪能开发利用方面，提出了多种类型的线性发电机，如管状永磁同步机耶-29］和直线横向磁通永磁电机。
2）最大功率点跟踪技术的应用。
最大功率点跟踪技术（maximumpowerpointtracking,MPPT）应用于太阳能光伏系统中，可使系统以最大功率输出电能。
海洋可再生能源应用中，潮汐涡轮研究中也出现了对使用MPPT的一些研究。
文献［30］提出一种新的MPPT应用策略，旨在最大限度地在真实环境中实现波浪能量的转换，从而证实MPPT技术在波浪发电中应用的可行性。
MPPT的应用将在一定程度上改善波浪发电效率低的问题。
5海洋温差能发电
海洋温差能发电（oceanthermalenergyconversion,OTEC）是利用热带及亚热带海洋表层和深层海水间存在的温差进行发电。
根据卡诺定理可知，海洋温差发电技术的效率较低，理论最大转换效率约为7%tl01o海洋温差能受太阳能直接影响，多集中分布于赤道附近。
5.1海洋温差能发电发展现状
1881年法国人达松伐耳提出海洋温差发电的设想，1930年法国人G∙克劳德在古巴建成陆基开式发电装置，1979年8月世界上第一个有净功率（15kW）输出的海洋温差发电装置——“MINI-OTec”漂浮式海洋温差电站，在美国夏威夷建成。
2013年国家海洋局第一海洋研究所15kW温差能发电装置投入运行。
2013年4月洛克希德马丁公司与香港华彬集团签署协议，计划在我国南海建造一座发电容量10MW的海洋温差电站。
5.2海洋温差能发电的趋势
1）机组功率大型化。
由于当前OTEC技术尚不成熟，已建立的OTEC电站功率普遍较小，实际应用性价比较低，不适宜商业化发展。
文献［31］研究指出，温差能电站容量越大，单位功率发电成本越低。
装机容量超过25MW,发电成本更加经济。
机组容量的大型化将是未来发展的必然趋势，也是OTEC实现推广的基础。
2）热交换器新材料的研制。
热交换器是OTEC的核心，并直接影响整体海洋热能转换效率。
海洋温差发电设备组件置于海水之中，一直受到海水的腐蚀，良好的防腐蚀性是其材料所必备的特性。
钛金属有很好的抗腐蚀能力，常被用来制造海洋环境下的设备，但因钛金属较难获取，成本较高，并不适用于海洋温差发电设备的推广。
低成本铝合金热交换器是相对可行的替代方案，但要实现缓解海水腐蚀，还需要进一步深入研究。
此外，热交换器表面容易附着生物，使表面换热系数降低，并加快设备的腐蚀，对整个系统的经济性影响很大。
3）闭式循环将继续成为主流。
根据所用工质及流程不同，可将海洋温差能电站分为开式循环、闭式循环和混合式循环电站。
开式循环系统以海水做工作流体和介质，蒸发器与冷凝器之间的压力非常小，因此必须注意管道等的压力损耗，同时为获得预期的输出功率，需使用极大的透平；
此外，开式循环系统的低压汽轮机效率太低，这些缺点妨碍了其商业化发展。
而闭式循环系统下，海水不用脱气，免除了这部分动力需求；
可采用小型涡轮机，整套装置实现小型化，便于推广。
混合系统是在闭式循环的基础上结合开式循环改造而成，既可发电又能产生淡水；
但系统结构复杂,造价较高，研究及应用相对滞后。
闭式循环已经比较成熟，现有技术已经可以建造小于10MW的离岸式闭循环海洋温差能发电装置Bl0未来闭式循环将仍将是OTEC电站的主流形式。
6盐度差能发电
盐度差能是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。
淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。
lm3的淡水流入海水中，释放出的能量约0.61kW∙h［33］o文献［34］指出,通过对全球5472条河流的研究，估计出全球范围内理论上约有1.72TW的盐度差能，其中约983GW可被开发开发利用；
亚洲范围内理论约含有374GW的盐差能，其中约55%可被开发。
另据文献［35］指出，中国盐差能容量约为125GWo当前海水盐差发电尚处于研究阶段，尚不成熟，但已引起一定的关注。
6.1海水盐差能发电发展现状
1939年海水盐差能发电的概念被首次提出，由于盐差发电技术最为关键的组件——渗析膜的发展滞后，盐度差能发电技术进展较为缓慢。
经过几十年的发展，渗透压能法每平方米膜面积的发电功率已从0.1W提高到3Wo
2003年挪威斯塔特克拉弗特公司建成世界上第一个专门研究盐差能的实验室，并于2009年11月建成世界上建设一座4kW的盐差能发电站。
2011年5月美国斯坦福大学研发出盐差能新型电池。
2014年11月荷兰第一座盐差能试验电厂也投入发电，电厂装有400n?
半渗透膜，每平方米半渗透膜的发电功率为1.3W,每小时可处理22万升海水和22万升淡水。
我国在1980年前后开始盐差能发电研究，1985年在西安采用半透膜，研制成功干涸盐湖浓差能发电实验室装置，半透膜面积为14∏Λ试验中淡水向溶液浓盐水渗透，溶液水柱升高10m,推动水轮发电机组发电功率为0.9~1.2Wt361o6.2海水盐差能发电的发展趋势
1）压力延滞渗透系统将成为主流。
盐差能发电方法多种多样，包括压力延滞渗透法（PRO）、反电渗析法（RED）、蒸汽压法、电容混合法以及渗透压法等。
其中PRO和RED已经投入试点，是最有发展前景的盐差发电方法。
文献［37］对PRO和RED作了进一步系统比较，通过分析指出PRO理论能量转换效率可达54%~56%,能量密度为2.4~38W∕m2,而RED对应的能量转换效率和能量密度，仅分别为18%~38%和0.77~1.2W∕r∏2,低于5W∕m2的商业化推广条件要求'
御。
2）廉价高效渗透膜的开发。
最有发展前景的海水盐差发电方式PRO和RED的关键部件就是渗透膜。
渗透膜的性能直接影响功率输出和能量转换效率，其价格是决定盐差发电发展的关键因素。
当前渗透膜性能较低，成本较
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