海洋可再生能源的前景

一、引言能源是19世紀(jì)工業(yè)革命的動(dòng)力，也是21世紀(jì)信息技術(shù)革命的動(dòng)力?，F(xiàn)今，世界總?cè)丝诔^70億。經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)指出發(fā)達(dá)國家的人均能源使用量很高，每年人均使用的油當(dāng)量為4.4t，發(fā)展中國家的人均能源使用量也逐年升高。現(xiàn)在最主要的能源是化石燃料，如煤炭、石油和天然氣。最近石油價(jià)格的波動(dòng)對(duì)整個(gè)能源行業(yè)都產(chǎn)生了巨大的影響。從2014年中期到2015年初，每桶石油的價(jià)格從100美元下降到低于50美元，使天然氣和煤炭的市場(chǎng)價(jià)格也被調(diào)低。世界的能源需求量將會(huì)不斷上升，但從長(zhǎng)期來看化石燃料的存儲(chǔ)確實(shí)是有限的。數(shù)據(jù)顯示，過去27年能源領(lǐng)域的全球碳排放量和此前多年的總量相當(dāng)，化石燃料使用量占一次能源結(jié)構(gòu)的80%以上。過去30年的溫室氣體排放量增長(zhǎng)了約50%，碳排放量占當(dāng)今全球溫室氣體排放量的60%。2014年，煤炭、天然氣和石油燃燒產(chǎn)生的碳排放量分別占總排放量的44%、20%和35%，同時(shí)排放出大量其他溫室氣體如甲烷和二氧化氮?；剂先紵a(chǎn)生的碳排放量正加速氣候變化。根據(jù)美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的報(bào)道，“2015年前7個(gè)月世界大陸和海洋的氣溫是有歷史記錄以來最高的，比20世紀(jì)的平均氣溫高0.85℃。”這個(gè)數(shù)據(jù)說明危機(jī)正在來臨。很多政府部門正制訂使用可再生新能源的方案以緩解人為導(dǎo)致的氣候變化，解決未來可能面臨的化石燃料枯竭問題，保障國家能源安全。能源工程師是解決問題的關(guān)鍵。提高能源利用率對(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境來說都是有益的。例如，改善發(fā)動(dòng)機(jī)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率高達(dá)60%，比現(xiàn)在的40%的峰值還高。然而，預(yù)測(cè)模型和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)還必須加以改進(jìn)，以制造出燃燒效率更高、碳排放量更低的發(fā)動(dòng)機(jī)。未來發(fā)動(dòng)機(jī)還需具有使用可替代燃料的能力。碳捕獲與封存(CCS)就是一種接近零排放的技術(shù)，它能夠分離出發(fā)電廠和化學(xué)工廠產(chǎn)生的二氧化碳，然后把它封存起來，從而避免了二氧化碳向大氣中的排放。雖然CCS技術(shù)很昂貴，但它能對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電站進(jìn)行脫碳，從而減少二氧化碳向大氣中的排放量。其他限制碳排放并能同時(shí)縮小能源缺口的方式就是投資核能和可再生能源技術(shù)。雖然核能可以源源不斷地供應(yīng)電能，但是使用核能還存在放射性廢棄物處理、可能的事故(如2011年3月日本福島核電站三個(gè)反應(yīng)堆的核泄漏事故)或?qū)Νh(huán)境的破壞，以及核武器的擴(kuò)張等問題。根據(jù)國際能源署的報(bào)道，“可再生能源來源于自然，并具有持續(xù)不斷的屬性，它有很多種形式，比如直接來自太陽或地球內(nèi)部產(chǎn)生的熱能。根據(jù)剛才的定義，可再生能源還包括來自太陽、風(fēng)、海洋、水力資源、生物、地?zé)岙a(chǎn)生的電力和熱能，還有來自可再生資源的生物燃料和氫氣?！倍?、海洋可再生能源海洋可再生能源(MRE)包括海上風(fēng)電、潮流、洋流、潮差、波浪能、海洋熱能、鹽度梯度和生物能等。Krewitt等預(yù)計(jì)到2050年可開采的海上風(fēng)電能源可達(dá)16000(TW?h)?a–1。最近，計(jì)算得出全球海上風(fēng)電能源約有340000(TW?h)?a–1。雖然全球海洋總能源(不包括風(fēng)能)預(yù)計(jì)超過2×106(TW?h)?a–1，但是可以被利用的能源僅為2000~92000(TW?h)?a–1。估計(jì)理論上的潮汐能(包括潮流和潮差)潛力大概是26000(TW?h)?a–1，其中8800(TW?h)?a–1來自淺海盆地；不過，預(yù)測(cè)的技術(shù)潛力更低。波浪能總量大概為32000(TW?h)?a–1，其中可開采的能源大約為5600(TW?h)?a–1。海洋熱能轉(zhuǎn)換(OTEC)潛力巨大，理論上存在的能源為44000(TW?h)?a–1。鹽度梯度可用能源大約為1650(TW?h)?a–1。我們面臨的挑戰(zhàn)就是如何用最少的費(fèi)用開發(fā)和存儲(chǔ)這些能源。這涉及技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施、成本節(jié)約、投資、環(huán)境影響、海洋管理、政府政策和立法等方面的問題。政府對(duì)MRE領(lǐng)域的管制比較強(qiáng)。為了能更好地開展工作，我們還需收集海床粗糙度、波面高度、潮流、渦流和湍流等數(shù)據(jù)信息。圖1中生長(zhǎng)在蘇格蘭海床的極北海帶(Laminariahyberborea)向我們展示了海床的環(huán)境是多么復(fù)雜。為了清除MRE系統(tǒng)中的障礙，人們已制訂出各種多學(xué)科MRE技術(shù)發(fā)展方案路線圖，包括設(shè)備測(cè)試、并網(wǎng)費(fèi)用和MRE技術(shù)的測(cè)試(尚無國際測(cè)試標(biāo)準(zhǔn))。小規(guī)模的試點(diǎn)項(xiàng)目對(duì)設(shè)備的初期測(cè)試和優(yōu)化非常重要(如在西班牙坎塔布里亞環(huán)境水力學(xué)研究院(IHCantabria)進(jìn)行的項(xiàng)目)。而海洋測(cè)試站點(diǎn)則可提供試點(diǎn)規(guī)模放大和完整的原型條件。例如，蘇格蘭奧克尼郡的歐洲海洋能源中心(建于2003年，連接14個(gè)泊位，在25~50m處測(cè)試波浪和潮汐相關(guān)設(shè)備)；波浪中心(WaveHub)(連接4個(gè)泊位，水深60~100m，位于英格蘭康沃爾海岸)；愛爾蘭的高威海灣四分之一規(guī)模測(cè)試點(diǎn)和貝爾馬利特全規(guī)模測(cè)試點(diǎn)；美國能源部贊助的三個(gè)國家MRE中心——西北國家海洋可再生能源中心(NNMREC)，測(cè)試點(diǎn)位于俄勒岡海岸、普吉特海灣和華盛頓湖；西南國家海洋可再生能源中心(SNMREC)，在佛羅里達(dá)海峽測(cè)試相關(guān)設(shè)備；夏威夷國家海洋可再生能源中心(HINMREC)，主要測(cè)試波浪能轉(zhuǎn)換器和熱能轉(zhuǎn)換器設(shè)備。加拿大海洋可再生能源中心(MarineRenewablesCanada)對(duì)上述測(cè)試中心的信息進(jìn)行了對(duì)比整理。

圖1極北海帶(Laminariahyberborea)生長(zhǎng)在蘇格蘭彭特蘭灣水深達(dá)30m的地方。彭特蘭灣是蘇格蘭大陸和奧克尼群島之間的一片海峽，是世界上利用潮汐能的最佳位置，潮流速度可以超過5m?s–1下面分別介紹開采海洋能源的不同技術(shù)。更詳細(xì)的內(nèi)容可以參考Day等關(guān)于MRE設(shè)備的文章、Khan等關(guān)于海洋渦輪機(jī)的文章、Drew等關(guān)于波浪能轉(zhuǎn)換器的文章，以及Adcock等關(guān)于潮汐能測(cè)試模型的文章。（一）海上風(fēng)電能源海上風(fēng)力渦輪機(jī)技術(shù)來源于由發(fā)電風(fēng)車改進(jìn)而來的陸上風(fēng)力渦輪機(jī)(圖2(a)所示為由美國克利夫蘭的CharlesF.Brush建立的12kW風(fēng)力渦輪機(jī))。海上風(fēng)力渦輪機(jī)一般由三個(gè)葉片組成，和陸上風(fēng)力渦輪機(jī)相似，如圖2(b)所示。海上和陸上的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)一直在快速發(fā)展，目前最大的風(fēng)力渦輪機(jī)是美國超導(dǎo)公司(AMSC)建造的SeatitanTM10MW風(fēng)力渦輪機(jī)。其輪軸高125m，轉(zhuǎn)子直徑為190m，轉(zhuǎn)速為10r?min–1，葉尖速度接近100m?s–1，額定功率為10MW。該風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑未來可能進(jìn)一步升級(jí)至250m，額定功率可達(dá)20MW。以這么快的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，噪聲和葉片腐蝕是有待解決的問題。科學(xué)家正對(duì)海上漂浮式風(fēng)力渦輪機(jī)的深水組裝進(jìn)行更深入的研究。例如，PrinciplePower在位于葡萄牙海域的一個(gè)漂浮式平臺(tái)上安裝了一臺(tái)2MW的海上風(fēng)力渦輪機(jī)，預(yù)計(jì)將來最大功率容量會(huì)達(dá)到150MW。

圖2風(fēng)力渦輪機(jī)技術(shù)的進(jìn)化。(a)CharlesF.Brush的發(fā)電風(fēng)車，建于1887—1888年(圖片由維基百科提供)；(b)位于比利時(shí)北海桑頓淺灘的現(xiàn)代海上風(fēng)電場(chǎng)，由瑞普爾(Repower)生產(chǎn)的5MW軸流式渦輪機(jī)組成(圖片由HansHiller提供，來自維基百科)雖然海上風(fēng)電技術(shù)正在快速發(fā)展，但還是存在一些工程問題。例如，在海洋環(huán)境中海洋基礎(chǔ)設(shè)施和懸浮支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建設(shè)；基于3D計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的渦輪機(jī)設(shè)計(jì)問題；轉(zhuǎn)子葉片先進(jìn)材料的使用；更復(fù)雜和強(qiáng)大的控制系統(tǒng)，降低葉片損耗的方法，以及船舶操縱的安全控制；海上基礎(chǔ)設(shè)施的共享(如發(fā)電、儲(chǔ)存和海水養(yǎng)殖)。圖3所示為根據(jù)CFD模擬出的當(dāng)風(fēng)穿過瑞典南海岸Lillgrund海上風(fēng)電廠的一排渦輪機(jī)后產(chǎn)生的效果以及渦輪機(jī)后部的3D旋流效果圖。

圖3Lillgrund海上風(fēng)電場(chǎng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)大渦模擬3D圖。(圖片由愛丁堡大學(xué)的AngusCreech博士提供)（二）潮汐和洋流能源潮汐能是由潮流經(jīng)過海岸線地區(qū)時(shí)產(chǎn)生的水頭差所形成的。潮汐是海水在天體(主要是月球和太陽)引潮力作用下產(chǎn)生的周期性運(yùn)動(dòng)。天體的運(yùn)動(dòng)、地球旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科里奧利加速度、大陸板塊的存在和海床地形等的影響使研究潮汐更加困難。潮汐變化是可預(yù)測(cè)的，這是潮汐能的一大優(yōu)勢(shì)。洋流是在海洋運(yùn)動(dòng)和風(fēng)力的共同作用下形成的。潮流和洋流的速度通常大于1m?s–1，因此它們有潛力作為海洋能源被開發(fā)。潮汐能的開發(fā)常集中在特定地區(qū)，如海峽(如加拿大的約翰斯頓海峽、蘇格蘭的彭特蘭灣和新西蘭的庫克海峽)，海角(如威爾士的安格爾西巖礁)，海灣(加拿大的芬迪灣和英國的塞文河)，以及島嶼和陸地之間(愛爾蘭的拉斯林島)，這些沿海地形的幾何形狀有助于潮流的產(chǎn)生。最強(qiáng)的洋流包括北向的佛羅里達(dá)海流(從加勒比海到北大西洋方向最終并入墨西哥灣暖流)和南向的阿加勒斯海流(沿南非東海岸)。它們的速度都可以達(dá)到2m?s–1。海洋能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電的設(shè)備環(huán)境有很大不同：洋流的流向比風(fēng)向更容易被預(yù)測(cè)；和大氣不同，海洋表面的洋流活動(dòng)可以增加阻力；海水密度比空氣大800倍，因此能源設(shè)備的負(fù)荷更大；海洋環(huán)境比大氣更嚴(yán)酷。最重要的是，潮汐渦輪機(jī)可以改變流場(chǎng)，流場(chǎng)反過來可以提高能源可用率。海上渦輪機(jī)對(duì)局部洋流的影響可以延續(xù)很長(zhǎng)的距離。雖然關(guān)于潮汐和洋流開采設(shè)備的設(shè)計(jì)方案有很多，但是極少方案能投入制造和測(cè)試(圖4)。這些設(shè)備可以歸為以下幾類：軸流式渦輪機(jī)、雙擊式水輪機(jī)、振蕩水翼渦輪機(jī)、潮汐帆船和潮汐風(fēng)箏等。

圖4潮汐和洋流設(shè)備舉例(a)AtlantisAK1000軸流式渦輪機(jī)(1MW)；(b)AtlantisSolon-K導(dǎo)管式渦輪機(jī)(1MW)；(c)OpenHydro中央開放式渦輪機(jī)(250kW)；(d)Kepler橫向水平軸水輪機(jī)(THAWT)，是一種雙擊式水輪機(jī)(4MW)；(e)Edinburgh縱軸雙擊式水輪機(jī)的概念(100MW)；(f)在美國科布斯庫克灣部署前采用的Gorlov螺旋式渦輪機(jī)；(g)bioSTREAM(150kW)振蕩水翼渦輪機(jī)(圖片由BioPower提供)；(h)Minesto深海潮汐風(fēng)箏；(i)FlumillArchimedes螺旋式渦輪機(jī)

就像風(fēng)力渦輪機(jī)從流動(dòng)的空氣中汲取能量一樣，軸流式渦輪機(jī)從流動(dòng)的水中汲取能量。這種渦輪機(jī)根據(jù)安裝方式不同有水平式和垂直式兩種。風(fēng)力渦輪機(jī)可以由裸露的葉片組成，如圖4(a)所示的Atlantis軸流式渦輪機(jī)；可以是導(dǎo)管式的，如圖4(b)所示為應(yīng)用了文丘里效應(yīng)的渦輪機(jī)，其中的風(fēng)道可以使風(fēng)力加速穿過渦輪機(jī)；也可以是中央開放式的，圖4(c)所示的風(fēng)力渦輪機(jī)由多個(gè)葉片圍繞著一個(gè)中心孔洞組成，當(dāng)風(fēng)力從中心孔洞穿過時(shí)，基準(zhǔn)壓力下降，從而質(zhì)量流量上升。懸臂結(jié)構(gòu)的葉片會(huì)承受非常高的負(fù)載，這意味著葉片材料的強(qiáng)度和疲勞特性是非常重要的。轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它們轉(zhuǎn)過的圓面積可用于估算阻塞效應(yīng)，這個(gè)因素會(huì)影響推力，并進(jìn)而影響有效功率。渦輪葉片后面的流場(chǎng)具有非常強(qiáng)的渦流成分。雙擊式水輪機(jī)的概念為我們提供了激動(dòng)人心的前景。這些設(shè)備的配置可以實(shí)現(xiàn)高流量阻塞效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)功率提取最大化。在這種情況下，葉片具有方向性，流體橫穿整個(gè)葉片，更像聯(lián)合收割機(jī)的逆過程。轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直于流動(dòng)方向，要么水平，要么豎直。Kepler橫向水平軸水輪機(jī)(THAWT)設(shè)備就基于該原則，如圖4(d)所示。Edinburgh縱軸雙擊式水輪機(jī)如圖4(e)所示，葉片垂直排列，兩個(gè)末端基本上都受到大型自行車輪的支持，它具有可變螺距及邊緣動(dòng)力輸出裝置，反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的直徑為200m，掃掠面積為10000m2，每個(gè)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的功率超過100MW。如圖4(f)所示，Gorlov螺旋式渦輪機(jī)(GHT)本質(zhì)上是一種改進(jìn)的Darrieus雙擊式水輪機(jī)，配有對(duì)稱的螺旋葉片。GHT在反向流動(dòng)中工作效果良好。振蕩水翼渦輪機(jī)通過將升力作用于水翼，引起懸臂移動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)中的流體，然后將之轉(zhuǎn)換成電能。典型的振蕩水翼設(shè)備包括Stingray(150kW)、模仿魚類推進(jìn)原理的bioSTREAM(150kW)(如圖4(g)所示)和由PulseTidal發(fā)展的Pulse-System(1.2MW)的概念。如圖4(h)所示，潮汐風(fēng)箏渦輪機(jī)被拴在吊掛式掃雷臂上于水下“飛行”，并將當(dāng)前的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。遵循8字形軌跡，潮汐風(fēng)箏就能具有潛在的有效性，可在水深60~120m處、洋流速度為1.2m?s–1的環(huán)境下操縱。Minesto在北愛爾蘭斯特蘭福德灣測(cè)試了翼展為3m的潮汐風(fēng)箏，接下來會(huì)設(shè)計(jì)翼展為14m的潮汐風(fēng)箏，該風(fēng)箏在洋流速度為1.7m?s–1時(shí)功率為850kW。Minesto計(jì)劃在2017年研發(fā)一種規(guī)模為1.5MW的DeepGreen渦輪機(jī)組，并計(jì)劃在未來開發(fā)功率達(dá)10MW的機(jī)組。其他種類的潮汐和洋流風(fēng)力渦輪機(jī)還在研究當(dāng)中。例如，圖4(i)中的Archimedes螺旋式渦輪機(jī)通過潮流驅(qū)動(dòng)螺旋式葉片旋轉(zhuǎn)來發(fā)電。其他的例子有AtlantisFanbeltAquanator400和潮汐帆船概念渦輪機(jī)等。還有一些有趣的研究主要集中在不確定性、湍流、渦流、波流相互作用、模型放大和環(huán)境影響(如對(duì)哺乳動(dòng)物和生物多樣性的影響)上。例如，暴風(fēng)雨誘導(dǎo)的波浪可以產(chǎn)生比潮汐流還大的水質(zhì)點(diǎn)速度。此外，波浪周期與渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的周期是同階的。湍流和大規(guī)模渦流可以對(duì)來流的一致性產(chǎn)生影響。這些都可以通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來完成預(yù)測(cè)。研究人員最近通過CFD解決了設(shè)備實(shí)際規(guī)模下潮汐和洋流渦輪機(jī)的湍流問題。在近期模擬(圖5)中，轉(zhuǎn)子葉片背后重現(xiàn)湍流旋流流動(dòng)，形成與下游渦輪機(jī)和局部環(huán)境相互作用的尾跡。高性能、大數(shù)據(jù)計(jì)算能夠使這樣的3D計(jì)算模型在未來作為常規(guī)工具得到推廣。

圖5潮汐渦輪機(jī)設(shè)備規(guī)模的CFD模型(圖片由愛丁堡大學(xué)的AngusCreech博士提供)實(shí)驗(yàn)室模型和中試規(guī)模的實(shí)地測(cè)試對(duì)這類分析進(jìn)行了補(bǔ)充，并為深入了解潮汐渦輪機(jī)的原位行為提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)。圖6(a)顯示了單向?qū)嶒?yàn)室水槽測(cè)試下OxfordTHAWT渦輪機(jī)的成比例模型。圖6(b)顯示了在位于蘇格蘭奧克尼群島北部的歐洲海洋能源中心進(jìn)行測(cè)試的中試規(guī)模潮汐渦輪機(jī)。

圖6潮汐設(shè)備測(cè)試。(a)THAWT設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室模型(http://www.keplerenergy.co.uk/)；(b)歐洲海洋能源中心的1MW潮汐設(shè)備的中式規(guī)模模型(圖片AtlantisResourcesCorporation提供)（三）潮差潮差是在一個(gè)潮汐周期內(nèi)，相鄰高潮位與低潮位之間的差值。潮汐磨坊起源于公元早期的幾個(gè)世紀(jì)，考古學(xué)家指出，潮汐磨坊早在羅馬人建立倫敦時(shí)和公元6世紀(jì)的愛爾蘭就已出現(xiàn)。現(xiàn)代版潮汐磨坊就是潮堰和潮汐潟湖。潮堰是低水頭水利發(fā)電系統(tǒng)，它橫跨在河口處而形成潟湖。潮差形成的水頭差通過軸流式渦輪機(jī)產(chǎn)生電能。表1列舉了世界上不同的潮堰類型。

表1

不同潮堰的地點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)潮堰發(fā)電取決于瞬時(shí)水頭，其類型可以分為以下幾種：退潮發(fā)電(水從水槽里流出)、漲潮發(fā)電(水流進(jìn)水槽里)、雙向發(fā)電和水泵發(fā)電。雖然潮堰可以提供充足能源，但投資和建設(shè)的成本非常高，冗長(zhǎng)的建設(shè)周期抑制了投資的積極性。堰壩開發(fā)商必須考慮航行和航運(yùn)水位的要求。堰壩可能引起的環(huán)境問題包括潟湖潮汐運(yùn)動(dòng)的變化、停滯，水質(zhì)損失，沉積物運(yùn)移、鹽度、生物多樣性的變化，以及通過影響潮間期對(duì)涉禽產(chǎn)生影響。公共和政治因素也一直影響著潮堰的發(fā)展速度。最近，Waters和Aggidis在一篇綜述中報(bào)道了目前最先進(jìn)的潮差發(fā)電技術(shù)，這種技術(shù)利用潮汐潟湖、礁石和圍欄發(fā)電，成本相對(duì)較低且對(duì)環(huán)境的影響也較小，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)使潮差發(fā)電在未來變得更可行。在英國，科學(xué)家一直想利用塞文河口的潮差進(jìn)行發(fā)電。他們之前提出了一個(gè)建設(shè)一條長(zhǎng)為16km的攔河壩的方案，這條攔河壩從威爾士加迪夫的LavernockPoint到濱海韋斯頓的BreanDown，使用216臺(tái)額定功率為40MW的燈泡式水輪機(jī)，總發(fā)電量可達(dá)8640MW(即17(TW?h)?a–1)。他們最近提出了斯旺西海灣潟湖的方案。該方案利用16臺(tái)雙向燈泡式水輪機(jī)，可產(chǎn)生電力320MW(即0.63(TW?h)?a–1)。該方案已吸引大量的投資者。降低成本和環(huán)境問題依然是該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵障礙。（四）波浪能科學(xué)家提出了很多波浪能轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案(圖7)。根據(jù)參考文獻(xiàn)，科學(xué)家設(shè)計(jì)了50多種轉(zhuǎn)換器設(shè)備，包括振蕩浮子式、懸浮鴨式、海蛇式、襟翼式和密閉式等。工程技術(shù)人員必須想辦法挖掘發(fā)電潛能，提高發(fā)電效率，降低環(huán)境影響，提高材料硬度和持久度，節(jié)約成本，保證可持續(xù)性。波浪能轉(zhuǎn)換器發(fā)電量的理論預(yù)測(cè)正在通過實(shí)驗(yàn)室物理模型研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室設(shè)施包括愛丁堡的圓形造波池(FloWave)和上海、普利茅斯、科克、特隆赫姆、根特等地的矩形造波池。波浪能轉(zhuǎn)換器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要在英國的波浪中心和歐洲海洋能源中心進(jìn)行。

圖7波浪能轉(zhuǎn)換器實(shí)例(a)Salter的鴨式波浪能轉(zhuǎn)換器；(b)海蛇式波浪能轉(zhuǎn)換器；(c)振蕩水柱式波浪能轉(zhuǎn)換器；(d)Manchester浮子式波浪能轉(zhuǎn)換器；(e)Archimedes波浪搖擺機(jī)；(f)WaveDragon波浪能轉(zhuǎn)換器；(g)額定輸出功率峰值為150kW的PB150PowerBuoy波浪能轉(zhuǎn)換器圖7(a)是Salter設(shè)計(jì)的一款波浪能轉(zhuǎn)換器，它在波浪中產(chǎn)生類似點(diǎn)頭的動(dòng)作，利用該動(dòng)作抽取液壓機(jī)液體或壓縮空氣，然后通過內(nèi)部的渦輪機(jī)把能量轉(zhuǎn)化為電量?，F(xiàn)場(chǎng)規(guī)模方面，Salter的鴨式波浪能轉(zhuǎn)換器能以預(yù)配置模式布放在海中，以利用當(dāng)?shù)氐牟ɡ藯l件。圖7(b)為海蛇式波浪能轉(zhuǎn)換器，波浪通過儀器使部件伸縮和彎曲從而發(fā)電。2004年，由蘇格蘭公司海蛇波浪發(fā)電有限公司(PelamisWavePower)(原名為英國海洋動(dòng)力傳遞公司(OceanPowerDelivery))發(fā)明的海蛇式波浪能轉(zhuǎn)換器是世界上第一個(gè)用于供電的海上波浪能轉(zhuǎn)換器。圖7(c)是振蕩水柱式波浪能轉(zhuǎn)換器。它以流動(dòng)的水作為圓筒內(nèi)的活塞，當(dāng)波浪上升時(shí)空氣被擠壓出來；當(dāng)波浪下降時(shí)，外部的空氣就會(huì)被吸進(jìn)去。流動(dòng)的空氣就會(huì)通過圓筒頂部的渦輪機(jī)發(fā)電。圖7(d)為Manchester浮子式波浪能轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器由許多像鉆頭一樣的裝置組成，這些裝置和半潛的浮子連在一起隨著波浪上下浮動(dòng)，帶動(dòng)皮帶輪控制飛輪旋轉(zhuǎn)，該飛輪與發(fā)電機(jī)連接在一起。投入使用后，這種浮子式波浪能轉(zhuǎn)換器平均可以發(fā)電5MW，在波濤洶涌的海域使用時(shí)可產(chǎn)生更多的電能。Manchester浮子式波浪能轉(zhuǎn)換器的造型簡(jiǎn)單可靠也容易維護(hù)——它所有的元部件都在海面上，僅浮子和海面接觸，因此它具有很大的吸引力。在極端海況下，海浪對(duì)鉆機(jī)的損害可通過加水以抑制浮子運(yùn)動(dòng)的辦法來避免。它可在海面自由漂浮，發(fā)電能力與波浪的流動(dòng)方向無關(guān)。圖7(e)為Archimedes波浪搖擺機(jī)，它基于一個(gè)拴在海床上的巨大圓柱浮筒建造而成，并在海面至少6m以下工作。上部氣缸提供浮力，還包含一個(gè)基底氣缸，通過與海浪同步的上下反復(fù)運(yùn)動(dòng)發(fā)電。2007年，AWS海洋能源公司在奧克尼海岸首次安裝了這種設(shè)備，并花費(fèi)2.5億英鎊安裝了100臺(tái)AWS設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備的直徑為13m，高度為35m，質(zhì)量為800t，在直線發(fā)電機(jī)的幫助下可以產(chǎn)生1MW的電力。圖7(f)為WaveDragon波浪能轉(zhuǎn)換器，它在高于平均水位的蓄水池中存儲(chǔ)海水，然后通過釋放海水產(chǎn)生電能。WaveDragon是一種漂浮式波浪能轉(zhuǎn)換器，它利用系纜索固定位置。圖7(g)是PowerBuoy波浪能轉(zhuǎn)換器，我們可以把它看成點(diǎn)吸收式波浪能轉(zhuǎn)換器，通過上下的擺動(dòng)產(chǎn)生電能，所產(chǎn)生的電能可以借助于水下電纜傳輸?shù)疥懮希?dāng)離岸較遠(yuǎn)時(shí)也可以直接利用。PowerBuoy由新澤西彭寧頓的美國海洋能源技術(shù)公司(OceanPowerTechnologies,OPT)制造。這種設(shè)備占地面積小，在波濤洶涌的海域也能工作，并且適用于OPT的海上風(fēng)電場(chǎng)。安裝在PowerBuoy上的傳感器可以監(jiān)控當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境狀況，并在極端天氣情況下自動(dòng)鎖定設(shè)備。PowerBuoy已經(jīng)安裝或計(jì)劃安裝在全球范圍內(nèi)的9個(gè)位置，以澳大利亞和美國的海岸為主。最新的模擬方法涉及波浪能轉(zhuǎn)換器陣列的波浪–電纜模型，該模型整合了波浪流體力學(xué)、設(shè)備反應(yīng)、動(dòng)力輸出裝置、實(shí)時(shí)控制和電能生產(chǎn)等。這種模擬能預(yù)測(cè)波動(dòng)的時(shí)間序列、設(shè)備反應(yīng)、活塞動(dòng)力、累計(jì)氣壓、電源陣列和輸出電壓大小。（五）海洋熱能轉(zhuǎn)換和鹽度梯度能海洋是存儲(chǔ)熱能的巨大倉庫，約吸收太陽輻射熱量的15%。海洋熱能轉(zhuǎn)換(OTEC)概念利用了海洋表層和深層至少20℃的溫度差。該能量轉(zhuǎn)換方法也適用于熱帶地區(qū)水深達(dá)1km的海域。熱能轉(zhuǎn)換裝置最重要的部件是熱交換器，包括蒸發(fā)器和冷凝器；其運(yùn)行技術(shù)方案有閉式循環(huán)、開式循環(huán)和混合式循環(huán)。盡管小規(guī)模閉式循環(huán)和開式循環(huán)發(fā)電站已經(jīng)在美國(包括夏威夷)、瑙魯、印度和日本等國家進(jìn)行測(cè)試，但目前熱能轉(zhuǎn)換現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的費(fèi)用仍過于昂貴。洛克希德?馬丁空間系統(tǒng)公司(LockheedMartin)估計(jì)一座100MW的OTEC發(fā)電站的商業(yè)成本約為每千瓦10000美元。另一種海洋能源來源于海水和淡水融合時(shí)由鹽度梯度形成的化學(xué)勢(shì)(如河口的鹽水楔)。利用鹽度梯度發(fā)電的技術(shù)包括壓力延遲滲透(PRO)和反向電滲析(RED)。2009年，科研人員在挪威托夫特建立了一個(gè)利用PRO法產(chǎn)生滲透壓的5kW試驗(yàn)工廠，但是后來由于膜污染而停止運(yùn)行。2014年，利用了RED技術(shù)的中試規(guī)模的發(fā)電站在荷蘭阿夫魯戴克攔海大壩投入運(yùn)營。在完全實(shí)現(xiàn)RED技術(shù)的應(yīng)用之前還需要解決以下技術(shù)問題：水中天然雜質(zhì)對(duì)膜的破壞、粒子的過濾、生物污損、多價(jià)離子對(duì)系統(tǒng)性能的影響、大量抽水過程對(duì)海洋生物的影響和內(nèi)阻最小化。（六）海洋生物能海藻類植物(如海藻)是MRE的潛在來源。這類海洋生物可以通過發(fā)酵產(chǎn)生甲烷和氫氣。循環(huán)經(jīng)濟(jì)概念主要是指：使用MRE維持近海的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)；在養(yǎng)魚場(chǎng)周圍種植海藻以控制富營養(yǎng)化；夏季結(jié)束時(shí)能夠收獲海藻；經(jīng)青貯預(yù)處理的海藻可以全年為沼氣池提供原料；剩余的MRE可與沼氣一起制備氫氣，并通過進(jìn)一步反應(yīng)實(shí)現(xiàn)從沼氣到生物甲烷的升級(jí)(4H2+CO2=CH4+2H2O)，使甲烷產(chǎn)量翻倍；可作為綠色能源氣并入天然氣供應(yīng)網(wǎng)。從本質(zhì)上講，綠色能源氣是MRE和海藻中生物能分布的能源載體?？稍偕鸁崮堋⑻烊粴馄囍械目稍偕煌茉春驼就饪稍偕娏Χ伎赡艹蔀楝F(xiàn)成的能源載體。海藻類植物的使用為利用陸地生物體可持續(xù)地生產(chǎn)生物柴油和生物乙醇的爭(zhēng)論提供了一種解決方法，避免了生產(chǎn)食物、燃料和其他土地利用方式之間矛盾。海藻的生長(zhǎng)速度非常快，可以作為能源儲(chǔ)備庫，也可以固碳。因此，為了建立藻類生物燃料的工業(yè)化生產(chǎn)，進(jìn)一步研究和開發(fā)是必要的。三、存儲(chǔ)、先進(jìn)材料、機(jī)器人和信息技術(shù)海洋能源輸出很不穩(wěn)定。由于產(chǎn)生于天氣系統(tǒng)，風(fēng)和海浪本質(zhì)上具有隨機(jī)性、季節(jié)性，而且服從一定的年際變化特征。潮汐具有周期性循環(huán)往復(fù)的特點(diǎn)，并受到多個(gè)振蕩因素的影響，包括半日、全日和大小潮，這都是由地球與太陽和月亮的相對(duì)位置引起的。時(shí)間尺度從幾個(gè)小時(shí)到幾年不等。因此，能量存儲(chǔ)至關(guān)重要，它可以調(diào)整海洋能量的輸出。目前正在研究的大容量存儲(chǔ)技術(shù)包括抽水蓄能裝置、電解儲(chǔ)氫裝置、壓縮空氣儲(chǔ)能裝置和代用天然氣。例如，電力轉(zhuǎn)氣體(power-to-gas)的技術(shù)通過電解制氫，然后轉(zhuǎn)化為甲烷再并入天然氣供應(yīng)網(wǎng)中。這種規(guī)劃遠(yuǎn)景為材料科學(xué)、技術(shù)和制造業(yè)提供了復(fù)雜的可以融合的機(jī)會(huì)。海洋氣候惡劣多變，海水具有腐蝕性，因此科研人員設(shè)計(jì)了許多不同的海洋設(shè)備。例如，在軸流式渦輪機(jī)中，懸臂轉(zhuǎn)子的葉片必須具有極強(qiáng)的抗海水腐蝕性，從而催生出強(qiáng)度更高、抗疲勞性更好和防腐性能更強(qiáng)的新材料。先進(jìn)的復(fù)合材料，如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，成為低成本和高耐久性的理想替代材料。圖8(a)顯示了250kW渦輪機(jī)上長(zhǎng)為13m的單片式風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，該部件由éireComposites使用玻璃/碳纖維和環(huán)氧樹脂粉末通過電熱陶瓷復(fù)合材料加工制成，如圖8(b)所示。

圖8渦輪機(jī)葉片先進(jìn)材料(a)長(zhǎng)為13m的單片式風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，適用于功率為250kW的渦輪機(jī)；(b)使用玻璃/碳纖維和環(huán)氧樹脂粉末通過電熱陶瓷復(fù)合材料加工制成的葉片使用MRE設(shè)施是昂貴的和危險(xiǎn)的，面臨的問題包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、利用機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)行支援和預(yù)測(cè)性維護(hù)過程中的實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)。所有問題都是必須要解決的，這樣才能確保設(shè)備能夠在極端海況中安全使用。此外，MRE信息系統(tǒng)無疑是改善信息管理、監(jiān)控和決策的關(guān)鍵。其中，大數(shù)據(jù)和高性能計(jì)算也是重要且密切相關(guān)的。四、海洋可再生能源的前景為了MRE的可持續(xù)發(fā)展，我們必須解決經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)的制約問題。在我們使用MRE設(shè)備之前就應(yīng)先了解它可能產(chǎn)生的不利影響并制訂出應(yīng)對(duì)的措施。經(jīng)濟(jì)制約問題主要是指利用海洋能源發(fā)電和利用其他能源發(fā)電的相對(duì)成本問題，這就需要考慮到資金和經(jīng)營性成本、碳減排義務(wù)、政府補(bǔ)貼和市場(chǎng)需求的波動(dòng)。環(huán)境制約主要是指海洋能源設(shè)備的使用可能會(huì)改變海流方向、制造噪聲和影響海洋多樣性等。社會(huì)制約涉及就業(yè)前景、審美價(jià)值、利益相關(guān)者的參與度和人民福利等。Bonar等綜述了使用海洋能源設(shè)備可能造成的社會(huì)和生態(tài)影響。（一）倫理和法律問題開采MRE要考慮倫理和法律方面的問題，如海洋能源的開采是否合法，是否符合當(dāng)?shù)氐奈幕?，甚至是宗教觀念。另一個(gè)問題是，誰應(yīng)該擁有這些資源呢？如果一個(gè)國家開采資源的領(lǐng)域?qū)τ诹硪粋€(gè)國家來說也是可用的，那么這種開采行為合法嗎？為了解決這些問題，我們需要有一個(gè)倫理或道德方面的標(biāo)準(zhǔn)。糾紛也應(yīng)通過法律程序來解決。其中一個(gè)例子就是印度和孟加拉國自1974年起持續(xù)了近40年的孟加拉灣領(lǐng)海爭(zhēng)端。印度采用的是等距離原則而孟加拉國采用的是公平原則，兩個(gè)原則的不同導(dǎo)致了海洋邊界劃分的重疊和爭(zhēng)議。該領(lǐng)海爭(zhēng)端直到2014年才通過聯(lián)合國仲裁法庭得以解決。

（二）環(huán)境監(jiān)管、治理和政府政策國際海洋管理機(jī)構(gòu)管理著全世界60%的海域，這是各個(gè)國家邊界以外的海域，因此屬于共享資源。各國在國際海洋管理上并沒有統(tǒng)一的定義和標(biāo)準(zhǔn)，因此在處理事務(wù)時(shí)只能參照《聯(lián)合國海洋法公約》(UNCLOS)，該公約包括各種司法管轄權(quán)、制度和框架。目前，歐洲聯(lián)盟(以下簡(jiǎn)稱“歐盟”)正試圖制定出更好的國際海洋管理法規(guī)，歐盟委員會(huì)正在進(jìn)行關(guān)于海洋管理的通信和“藍(lán)色經(jīng)濟(jì)”的準(zhǔn)備。歐盟指令2014/89/EU明確指出綜合海洋政策制定的目標(biāo)是“保持海洋資源開發(fā)的可持續(xù)性，保證決策的協(xié)調(diào)、統(tǒng)一和透明……同時(shí)保持良好的環(huán)境狀態(tài)使其符合歐盟指令2008/56/EC的要求”。歐盟的定位是保證海洋的可持續(xù)發(fā)展，主要關(guān)注的主題是：基于法律規(guī)則的國際管理，保護(hù)海洋生物多樣性、氣候變化、海洋安全、海上安全和航行自由，提高海事部門的工作效率，以及加深對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)等。為了完成這些目標(biāo)，歐盟已經(jīng)實(shí)施了維護(hù)海洋資源可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境法規(guī)，同時(shí)制定了一系列推動(dòng)可持續(xù)性藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的政策。所有海洋位置的開發(fā)都需要得到許可。但因?yàn)榇嬖诖罅坎煌脑S可方式和許可流程，所以具體的許可事項(xiàng)取決于項(xiàng)目的規(guī)模和涉及的國家。大規(guī)模項(xiàng)目的部署更容易得到許可，但測(cè)試中心就不太一樣了(其中一些需要簽署提前同意協(xié)議)。開發(fā)商抱怨監(jiān)管機(jī)構(gòu)和復(fù)雜的許可流程(包括環(huán)境影響評(píng)估)會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目延遲，并成為開發(fā)MRE的障礙。所有獲得許可的方式中，一站式模式似乎是最有效的。在蘇格蘭，開發(fā)商可以通過向蘇格蘭海洋許可運(yùn)營團(tuán)隊(duì)(MS-LOT)提交申請(qǐng)來獲得海洋能源開采的同意書/許可證。MS-LOT遵循可持續(xù)海洋規(guī)劃原則提供一站式的申請(qǐng)流程。博弈論可以改善許可流程，參與者包括開發(fā)商、能源公司、政府和當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)團(tuán)體。

（三）經(jīng)濟(jì)制約度電成本(LCOE)可定義為壽命期內(nèi)的總成本與總發(fā)電量的比值，它表示了給定電力來源在壽命期內(nèi)的單位電力成本的凈現(xiàn)值。表2列出了英國在2010年確定的一系列能源的LCOE。同時(shí)，Allan等在2011年估計(jì)了陸地風(fēng)能發(fā)電、海上風(fēng)能發(fā)電、潮汐能發(fā)電和波浪能發(fā)電的LCOE分別為每兆瓦時(shí)54.4英鎊、每兆瓦時(shí)81.6英鎊、每兆瓦時(shí)81.3英鎊和每兆瓦時(shí)189.7英鎊，而聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)電、壓水反應(yīng)堆發(fā)電、粉狀燃料發(fā)電和帶碳捕集與封存技術(shù)的燃煤發(fā)電的LCOE分別為每兆瓦時(shí)34.7英鎊、每兆瓦時(shí)40.2英鎊、每兆瓦時(shí)26.2英鎊和每兆瓦時(shí)44.8英鎊。不同的評(píng)估結(jié)果表明，要成功開發(fā)MRE，降低成本至關(guān)重要。政府和私營企業(yè)對(duì)MRE行業(yè)的支持很重要，但未來政府補(bǔ)貼的不確定性和私營部門投資的匱乏將會(huì)阻礙MRE的開發(fā)。潮汐能設(shè)備研發(fā)需求導(dǎo)致供應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)部門都在致力于降低成本和提高可靠性，其中包括先進(jìn)材料、制造、安裝、動(dòng)力輸出裝置和能量?jī)?chǔ)存等方面。

表2

2010年英國一系列能源的度電成本(LCOE)預(yù)測(cè)

（四）環(huán)境制約MRE的發(fā)展受限于可供參考的精確的環(huán)境數(shù)據(jù)的缺乏和