1 海洋能利用历史

    最早被人们认识并利用的是潮汐能，一千多年前的唐朝，我国沿海居民就利用潮力碾谷子，在山东地区就发现早期的潮汐磨。11世纪的欧洲西海岸的潮汐磨房使早期工业国家走上发财至富的道路，并把它带到美洲新大陆。1600年法国人在加拿大东海岸建起美洲第一个潮汐磨。在英国萨福尔克至今还保留着一个12世纪的潮汐磨，还在碾谷子供游客参观。20世纪50年代中期，在我国沿海出现潮汐能利用高潮，群众自力更生、土法上马兴建了40多座小型潮汐电站和一些水轮泵站。由于发电与灌溉、交通的矛盾，加上水库淤积、设备简陋等原因，保留下来的只有浙江省沙山40kW潮汐电站。 人们对波浪能感受最深，全世界利用波浪能的设想数以千计，见于有文字的波能装置专利可追述到1799年，仅英国，从1856年至1973年就有350项，是发明家的乐园。一位日本海军士官益田先生，于1965年率先将他发明的微型航标灯用波力发电装置商品化。

     利用海洋温差发电的概念，一百多年以前已被人们所知。1881年，法国物理学家阿松瓦尔在报纸上发表《太阳海洋能》的论文，提出海洋吸收并储存太阳能，利用表面温海水与下面冷海水的温差使热机做功。1930年，另一位法国科学家克劳德在古巴建了一座岸式开式循环发电装置，功率22kW，可是发出的电小于运行所消耗的电。尽管如此，这项尝试证明海洋温差有发电的可能。 在海上航行的水手们都懂得借助海流和潮流行船，现代人想的是利用海流和潮流发电。人们形象地把海流和潮流发电装置比喻成水下风车。我国舟山群岛的潮流速度一般为3~4节，最大可达7节（3.6 m/s），为世人瞩目。农民企业家何世钧先生，从小感受发生在自己家门口的潮流所蕴藏的能量，1987年他将自制的螺旋桨安装在小船上，在潮流推动下，通过液压传动装置带动发电机发电，最大输出功率达5.6 kW。

2 海洋能发电技术

2.1 潮汐能发电站

    在潮差较大的海湾或江河的入海口建拦海大坝，利用坝内外水位差推动水轮机发电，厂房和水轮发电机与水电站类似，属低水头电站。就水轮机的布置和结构有三种型式：立轴流式、灯泡式和全贯流式，如图1所示。立轴式结构简单，比较传统，早期小型潮汐电站都采用这种方式。灯泡式，或称半贯流式，发电机安装在灯泡状的机室内，水力损失少，比同直径的立式机组功率增大20%~35%，厂房造价也可低10%~15%，是目前低水头水电站的主要机型。全贯流式发电机的转子就安装在水轮机转轮的外缘上，结构紧凑，水力性能更好，还可以降低厂房造价，是比较理想的低水头水轮机发电组，但是转子密封的技术难度大，还没在特大型的水电站运用。

    世界上有不少港湾和河口的平均潮差在4.6 m以上，北美芬地湾最大潮差有18m，法国圣马洛港附近最大潮差有13.5m，我国钱塘江大潮时最大潮差有8.9m。第二次世界大战后，世界上许多国家计划建大型潮汐电站，联合国《开发论坛》曾估计，到2000年全世界潮汐发电可达300至600亿度电。但实际上动工兴建的并不多。目前世界上已建成的较大的潮汐电站如表1所示。它们代表当今世界的最高水平。中国是世界上建潮汐电站最多的国家，详见表2。

       世界各国计划兴建100MW级以上的潮汐电站有十余座，例如英国塞文河口大坝装机7200MW，加拿大芬地湾坎伯兰潮汐电站装机3800MW，韩国仁川湾潮汐电站装机400MW，印度卡奇湾潮汐电站装机7360MW，苏联图古尔潮汐电站装机10.3GW，等等。中国对潮汐能资源进行过多次勘察，拟建长江口北支潮汐电站装机700MW，浙江和福建沿海潮差最大，潮汐能最丰富，1984年福建省提出开发大官坂先期装机14MW，浙江省规划分别在乐清湾、象山港、健跳港建550MW、50MW、30MW的潮汐电站。 世界较大的潮汐电站至今运行正常，证明潮汐发电在技术上是可行的，可是从20世纪80年代至今，近20年来几乎没有建新的潮汐电站，100MW级的潮汐电站没有一个上马。分析没建新的潮汐电站的原因主要是考虑电站的经济性和潮汐大坝对环境的影响。 法国朗斯潮汐电站建成于1966年，总装机容量为240MW，单机功率为10MW，共24台水轮机，年发电5.4亿度，是世界上最大的海洋能发电工程。其技术创新是采用了与常规水电站不同的，具有正反向发电、泄水和抽水的灯泡式贯流水轮发电机组，不但提高了潮汐能的利用效率，同时降低了电站的造价。正当人们为这项成就欢呼的时候，法国就有人担心这个电站是“空前绝后的一个” 。

    因为它耗资太大，总的基建费用为5.7亿法郎（约1亿美元）, 若按1973年的实际发电量计算，每度电的成本大概是水力发电的2倍。由于潮汐发电是波动和间歇的，输出功率变化大，全年平均输出的电量仅为额定装机能力的25%，有待改进。 加拿大安纳波利斯潮汐试验电站建成于1984年，位于芬地湾的一个小河口处，见图2和图3，该电站研建的目的是为将来在芬地湾建大型潮汐电站做准备。该电站的创新点是采用全贯流水轮发电机组，单台机组，工作水头为1.4~7.1m，设计水头5.5m，额定功率17.8MW，最大出力20MW，转轮直径7.6m，是目前世界上单机最大的潮汐发电机组，也是技术上最先进的全贯流式水轮发电机组。电站运行为单库，单向发电，每个潮期工作6~6.5小时，全年发电约45GWh（据估计若采用双向发电的方案，发电成本增加20%，而发电只增加10%）。经过多年运行证明这种全贯流水轮机运行正常，效果很好。为什么没有继续在芬地湾建大型潮流发电站，除经济原因外，据预测，加拿大芬地湾潮汐电站项目会使几百公里内的沿海潮差受影响，由于共振原因，美国波士顿地区的水面将上升15cm，海岸线内退6~8m，这是美国反对建潮汐电站的原因之一。此外还有泥沙淤积问题以及对沿海各国动植物、鱼类和鸟类栖息地等特殊生态环境的影响问题。在沿海筑坝建大型潮汐电站所导致的环境与生态问题可能比在河川筑坝还要严重。

    原苏联基斯洛潮汐实验电站建成于1968年，安装了一台400kW双向贯流式水轮发电机组（原设计安装两台400kW机组），其创新点是把预制的厂房浮运，拖到站址安放，这种沉箱法大大降低了电站的建设费用。 中国江厦潮汐实验电站位于我国浙江省乐清湾北端的江厦港，该电站是1974年在原“七一”塘围垦工程的基础上建造的，集发电、围垦造田、海水养殖和发展旅游业等综合利用。该电站的特点是采用类似法国朗斯电站的双向发电的灯泡贯流式水轮发电机组。该站址最大潮差8.39m，平均潮5.1m，原设计为6台500kW机组，有6个机坑，实际安装了5台机组，第一台为500kW在1980年5月投入运行，第二台为600kW，其余3台为700kW，最后一台于1986年投入运行。目前总装机为3200kW，为世界第3大潮汐电站。坝址以上港湾面积约8000亩，由于库区原计划围垦造田5600亩，当地农民私自占地围垦或养殖，可供发电的水面积不足2000亩。1986年五台机组年发电量约600万度，低于1070万度的原设计年发电量，发电的的经济效益不高。多年来，电厂计划加高围堰，提高库区的水位，并在第六号机坑增加一台机组，增加发电量，提高发电的经济效益。可是，发电与当地农业生产和水产养殖的矛盾至今未能协调好。

    中国潮汐电站共有7座，见表2。它们是经过长时间考验保留下来的。最大的考验是自然环境，如站址的泥沙淤积是否严重、发电与当地经济发展（围垦和水产养殖）以及交通的矛盾关系。能生存的潮汐电站都有较好的经济效益，特别是综合的经济效益。例如，江厦电站在乐清湾，泥沙淤积不明显，不会危及到发电；白沙口电站的泥沙淤积虽然严重，但是它的经济效益较好，加强管理，通过排沙和改造发电机组，保证了电厂 继续发电；浏河电站厂房建在河口的水闸上，涨落潮双向发电，采用自动化操作，实现无人职守；果子山电站平均潮差只有2m，发电量不大，发电机坏了后，用水轮机粉碎饲料，成了潮汐动力站。 2.2 波浪能发电 波浪能发电是继潮汐发电之后，发展最快的一种海洋能源的利用。到目前为止，世界上已有日本、英国、爱尔兰、挪威、西班牙、葡萄牙、瑞典、丹麦、印度、美国和中国等国家和地区在海上研建了波浪能发电装置，漂浮在海面上或固定在海岸边。各种波浪能转换基本原理如图4所示。

2.2.1 漂浮式

    日本巨鲸号波浪发电船是继“海明号”之后开发的一种漂浮体，发电原理与“海明号”相似。长50 m，宽30 m，型深12 m，吃水8 m，排水量4380 t，空船排水量1290 t，安装了一台50kW和两台30kW的空气透平发电机组，锚泊于Gokasho海湾之外1.5 km处。1998年9月开始持续两年的实海况试验，从试验情况来看，装置的各部分工作正常，最大总发电效率为12%。估计造价在2000万元人民币以上。因日本是个岛国，缺乏能源、资源和土地。建造“巨鲸号”可以提供洁净的可再生能源，其背后可提供用于养殖的平静海面，并为进一步研究提供海上试验平台。 英国海蛇号（Pelamis）波力发电装置，由英国海洋动力传递公司（Ocean Power Delivery Ltd）研制。海蛇号是漂浮式的、由若干个圆柱形钢壳结构单元铰接而成、将波浪能转换成液压能进而转换成电能的波能装置。海蛇号具有蓄能环节，因而可以提供与火力发电相当稳定度的电力。

    英国海洋动力传递公司现已赢得建造一个750kW海蛇号波力发电装置的项目。装置的投放地点为苏格兰的Islay岛附近海域。该公司还和加拿大的BC Hydro公司签订了在加拿大Vancouver岛建2MW海蛇号波力发电装置的备忘录。 中国后弯管式波浪发电浮体和灯船，1990年在琼州海峡“中水道1号”灯船研制成功带后弯管的波浪发电装置，随后又在湛江水道、珠江口水道的两个灯船上安装了相同的波浪发电装置为航标灯（平均功率30W）和雷达应答器（平均功率20W提供电源，是世界上首次将波浪发电电源用于灯船。“中水道1号”灯船锚泊在琼州海峡，风大浪高，两年多发电效果很好，可是锚链两次被台风打断，第二次灯船也不知去向。安装在湛江和珠江口两个灯船上的波浪发电系统，由于锚泊处水流太急，波浪作用效果不很好，发电量小，两三年后被其它电源取代了。随后，又与日本合作研制后弯管的波浪发电浮体，安装了一台5kW空气透平发电机组，锚泊在珠江口，进行实海况发电实验。

    2-2、固定式 世界各国建成的波浪发电装置以固定振荡水柱式为最多，其中日本4个，中国3个，挪威2个，英国3个，印度1个，葡萄牙1个，这些都是示范性的，有的完成在实海况下发电实验后成为遗址了，有的还在进行海上实验。此外，日本和中国各有一个摆板式的，挪威有一个收缩水道水库式的波浪发电站。 日本酒田港防波堤波浪发电站建成于1989年，由日本港湾技术研究所研建，在防波堤中间一段20m长的堤上做实验，一台功率为60kW的空气透平发电机组，1990年冬天，在有效波高为2.05m时输出18.5kW的电力。发出的电通过海底电缆输到岸上，供游客参观。 挪威500kW多振荡水柱波浪发电站和350kW收缩水道水库式波浪发电站由挪威波能公司在卑尔根市附近的岛上建造，分别于1985年和1986年建成并向当地电网送电，展示了波浪发电实用化和商业化的前景。

    前者的特点是在气室前面增加了一个前港，利用港口效应，使得入射波与前港和气室内水柱产生共振起到聚波作用，具有较高的波能转换效率，可是在连续工作一年多后被巨浪打坏了。后者的特点是类似水力发电（与海平面落差为3-8m），输出的电较稳定，连续运行数年后，据说因收缩水道被石块堵塞，也停止了发电。 英国75kW和500kW岸式波浪发电站得到欧共体波能发展计划的资助，在苏格兰西部的Islay岛上从1986年开始建75kW岸式波浪发电站，1991年完工，见图6~7。取得经验后于2000年11月又在该岛建成一座500kW与前者类似的岸式波浪发电站（振荡水柱空气透平发电机组）。后者已经发电上网，为当地400户居民供电，并与苏格兰公共电力供应商签订了15年的供电合同。该电站的特点是位于大西洋的东海岸，是世界上波浪能最丰富的地区之一，英国发展波浪能的地理条件十分优越。研建该电站的目的就是将岸发电站标准模式化，将一个个单元组合起来，以此使波浪能产业化。

    中国的振荡水柱岸式波浪发电站，中国从1986年开始在珠江口 大万山岛研建3kW波浪电站，随后几年又在该电站上改造成20kW的电站，见图8。出于抗台风方面的考虑，该电站设计了一个带有破浪锥的过渡气室及气道，将机组提高到海面上约16m高之 处，大大减小了海浪对机组直接打击的可能性。发电装置采用变速恒频发电机与柴油发电机并联运行，发电比较平稳。1996年2月试发电，初步试验的结果表明，20 kW波力发电机组在H1/10＝1.2~1.5 m，平均周期T=5~6 s时的电力平均输出为3.5~5 kW，峰值功率可达14.5 kW，总能量平均俘获宽度比约在20%~40％的范围，优于日本、英国和挪威的同类电站。

    100 kW岸式波力电站是一座与当地电网并网运行的岸式波浪发电站，位于广东省汕尾市遮浪镇，见图9。2001年2月进入试发电，在入射波高H1/10=1~3m，平均周期T=5~7s时，平均发电功率N=5~40 kW，最大发电功率Nmax=100 kW。该电站设有过压自动卸载保护、过流自动调控、水位限制、断电保护、超速保护等功能。所有保护功能均在计算机控制下自动执行，大大地减小了人工干预，使波浪能发电技术接近实用化。

    日本和中国的摆式波浪发电站，日本室兰工业大学在北海道研建的80kW摆式电站和中国国家海洋局海洋技术研究所在山东大管岛研建的30kW摆式电站，与振荡水柱不同的是，利用波浪推动一个摆板，通过油压传动系统带动发电机发电。后者还与5kW的风力发电机进行波风互补，为岛上渔民提供电力。 2.3 海洋热能转换技术（OTEC） 美国50KW MINI—OTEC号海水温差发电船，由驳船改装，锚泊在夏威夷附近海面，采用闭式循环，工质是氨，冷水管长663m，冷水管外径约60cm，利用深层海水与表面海水约21~23℃的温差发电。1979年8月开始连续3个500小时发电，发电机发出50kW的电力，大部分用于水泵抽水，净出力为12~15kW。从深海里抽出的水营养丰富，在实验船周围引来很多鱼类，这是海洋热能利用的历史性的发展。 随后，美国在夏威夷的大岛建了一个自然能源实验室，为在该岛建40MW大型海水温差发电站做准备，在热交换器、电力传输、抽取冷水（深水管道）、防腐和防污方面取得重大进展。计划采用开式循环发电系统，在发电过程副产淡水。夏威夷大学积极参与这项计划，做了多年实验但至今未建电站，可能是工程浩大，成本太高的缘故（每kW投资约1万美元）。 瑙鲁海水温差发电站是日本“阳光计划”，1973年选定在太平洋赤道附近的瑙鲁共和国建25MW温差电站，1981年10月完成100kW实验电站，见图10~11。该电站建在岸上，将内径70cm，长940m的冷水管沿海床铺设到550m深海中。最大发电量为120kW，获得31.5kW的净出力。

    中国台湾红柴海水温差发电厂计划利用马鞍山核电站排出的36-38℃的废热水与300m深处的冷海水（约12℃）的温差发电。铺设的冷水管内径为3m，长约3200m，延伸到台湾海峡约300m深的海沟。预计电厂发电量为14.25MW，扣除泵水等动力消耗后可得净发电量约8.74MW。该海水温差发电系统由台湾电力公司委托设计，初步设计已在1982年完成。 2.4 潮流发电 中国舟山70kW潮流实验电站采用直叶片摆线式双转子潮流水轮机。研究工作从1982年开始，经过60W、100W、1kW三个样机研制以及10kW潮流能实验电站方案设计之后，终于在2000年建成70kW潮流实验电站，并在舟山群岛的岱山港水道进行海上发电试验。随后由于受台风袭击，锚泊系统及机械发生故障，试验一度被迫中断，直到2002年恢复发电试验。

    加拿大在1980年就提出用垂直叶片的水轮机来获取潮流能，并在河流中进行过试验[13]，随后英国IT公司和意大利那不勒斯大学及阿基米德公司设想的潮流发电机都采用类似的垂直叶片的水轮机，适应潮流正反向流的变化。 3 海洋能利用的探讨 综上回顾，开发海洋能源的意义已是众所周知的，特别是近20多年来各国政府的投入和科技工作者的努力，建成一个又一个的实海况下的装置。对于在技术上已经成熟的潮汐发电站，要考虑建潮汐大坝的环境问题和它的经济性，特别要考虑发电与围垦、养殖及交通的综合利用。对于技术上还不成熟的波浪电站、潮流电站和海水温差电站，还有些关键技术需要在实海况下的装置上摸索解决。对于在技术上还不能实现的海水盐差能电站，只能留在实验室里探索了。

    我国的潮差偏小，平均潮差都在5m以下，而法国的朗斯电站平均潮差达到8m。由于潮差偏小，中国的潮汐电站发电所获得的经济效益不大，潮汐能电站的设计必须着眼于大坝建造所带来的交通、围垦、滩涂等资源的综合利用效益上。 对于波浪发电，首先要确保装置在海上的生存能力，包括正确的结构设计和良好的保护措施；其次，是选择最好的波能转换方式，使能量转换的各个环节都有较高的效率，避免出现某一环节的效率低下导致系统效率低下的现象；第三是发电质量有待提高。由波浪运动特性所决定，在不加任何控制条件下的波能装置发电的峰值功率可达到其平均功率的10倍左右。收缩水道水库式波浪电站由于其蓄能环节容量大而使输出得以稳定。中国科学院广州能源研究所提出一种全新的蓄能稳压方法，使所有液压传动的波能装置均可实现稳定的输出。而振荡水柱式波浪发电系统的输出稳定性最难以解决，由于缺乏大容量的蓄能环节，振荡水柱式波能装置不能做到稳定输出，只能采用增加惯性或设计特殊的发电装置使输出稳定性得到改善，例如英国500kW振荡水柱式波力电站通过对大滑差的电机控制，改善了输出的稳定性，在平均功率100kW时将峰值功率控制在150kW内。由于世界各国对波浪发电站研建工作的兴趣有增无减，随着一个个技术难关的突破，不久将象风力发电一样，成为新的能源产业。

    对于海洋温差发电，日本已有小型实验电站，美国做了较全面的研究，现在建大型电站在技术上是可行的，关键是低温差20~27℃时系统的转换效率仅有6.8%~9%，加上发出电的大部分用于抽水，冷水管的直径又大又长，工程难度大，研究工作处于停顿状态。每kW投资成本约1万美元，近期不会有人投资建实用的电站。若能利用沿海电厂的高温废水，提高温差，或者将来与开发深海矿藏或天然气水合物结合，并在海上建化工厂等综合考虑还是可能的。