潮流能發(fā)電及潮流能發(fā)電裝置

1、潮流能發(fā)電及潮流能發(fā)電裝置戴慶忠摘要潮流能發(fā)電是利用潮汐動(dòng)能的一種發(fā)電方式。由于潮流能發(fā)電不需要筑壩攔水，具有對(duì)環(huán)境影響小等許多優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來(lái)潮流能發(fā)電引起許多國(guó)家重視，潮流能發(fā)電技術(shù)發(fā)展很快。本文從分析潮流能的特點(diǎn)入手，介紹了國(guó)內(nèi)外潮流能發(fā)電的近況，重點(diǎn)介紹目前出現(xiàn)的各種潮流能發(fā)電裝置，包括水平軸潮流能水輪機(jī)、豎井潮流能水輪機(jī)、振蕩水翼式潮流能裝置等。關(guān)鍵詞潮汐潮流能潮流能水輪機(jī)潮流能發(fā)電1 前言1.1 潮流能的特點(diǎn)潮流主要是指伴隨潮汐現(xiàn)象而產(chǎn)生的有規(guī)律的海水流，潮流每天兩次改變其大小和方向。而潮流能發(fā)電則是直接利用漲落潮水的水流沖擊葉輪等機(jī)械裝置進(jìn)行發(fā)電。眾所周知，潮汐是海水在月球、太

2、陽(yáng)等引力作用下形成的周期性海水漲落現(xiàn)象。潮汐現(xiàn)象伴隨兩種運(yùn)動(dòng)形態(tài)：一是漲潮和落潮引起的海水垂直升降，即通常所指的潮汐；二是海水的水平運(yùn)動(dòng)，即潮流。前者(海水垂直升降)所攜帶的能量(潮汐能)為勢(shì)能；而后者所攜帶的能量(潮流能)為動(dòng)能?？梢哉f(shuō)，兩者是與潮汐漲落相伴共生的孿生兄弟。對(duì)前者，可以采用類(lèi)似河川水力發(fā)電的方式，筑壩蓄水發(fā)電；而對(duì)本文所介紹的潮流能，可以采用類(lèi)似于海流發(fā)電方式，利用潮流的動(dòng)能發(fā)電。與常規(guī)能源比較，潮流能有以下特點(diǎn)：(1) 潮流能是一種可再生的清潔能源。(2) 潮流能的能量密度較低(但遠(yuǎn)大于風(fēng)能和太陽(yáng)能)，但總儲(chǔ)量較大。(3) 與海流能不同，潮流能是一種隨時(shí)間、空間而變化的能源

3、，但其變化有規(guī)律可循，并可提前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。(4) 潮流能發(fā)電不攔海建壩，且發(fā)電機(jī)組通常浸沒(méi)在海中，對(duì)海洋生物影響較小，也不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生三廢污染，不存在常規(guī)水電建設(shè)中頭疼的占用農(nóng)田、移民安置等諸多問(wèn)題。(5) 與陸地電力建設(shè)相比，潮流能開(kāi)發(fā)環(huán)境惡劣，一次性投資大，設(shè)備費(fèi)用高，安裝維護(hù)和電力輸送等都存在一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。1.2 潮流能水輪機(jī)輸出功率的計(jì)算潮流能機(jī)組輸出功率的計(jì)算公式為：P= 式中P功率，W 海水密度，1025kg/m3 A潮流水輪機(jī)轉(zhuǎn)子掃掠面積，m2 V潮流速度，m/s 效率從上述可以看出，潮流能機(jī)組的輸出功率很大程度決定于潮流速度。一般來(lái)說(shuō)，潮流速度大于1m/s的海域即有開(kāi)發(fā)價(jià)值

4、。1.3 世界潮流能儲(chǔ)量及分布潮流能主要集中在近海淺水海域，特別是海峽、水道和灣口處。根據(jù)聯(lián)合國(guó)科教文組織估計(jì)，世界可開(kāi)發(fā)利用的潮流能總量約為億kW。世界上潮流能儲(chǔ)量豐富的地區(qū)包括中國(guó)、英國(guó)、日本、韓國(guó)、新西蘭和加拿大等地區(qū)。1.3.1 國(guó)外潮流能豐富的地區(qū)英國(guó)威爾士的Pembrokeshire海域英國(guó)威爾士與英格蘭間的賽文河(Severn)新西蘭的Cook海峽新西蘭的Kaipara港口加拿大的芬地(Fundy)灣美國(guó)的東河(East River)美國(guó)舊金山的金門(mén)海峽美國(guó)新罕布夏州的Piscataqua河英國(guó)Channel 島的Aldemey水道和Swinge水道英國(guó)蘇格蘭Islay與Jura

5、 之間的艾拉(Islay)海峽英國(guó)蘇格蘭Caihness島與Orkney島之間的Penlland峽灣美國(guó)加州的Humboldt縣美國(guó)-墨西哥間的墨西哥灣韓國(guó)全羅南道海域日本瀨戶內(nèi)海，特別是來(lái)島海峽日本北海島與本島之間的津輕海峽1.3.2 中國(guó)潮流能儲(chǔ)量及其分布中國(guó)潮流能十分豐富。根據(jù)對(duì)130個(gè)水道統(tǒng)計(jì)，理論平均功率為13948.2MW。按海區(qū)分，以東海沿岸最多，有95個(gè)水道，理論平均功率為10958.15MW，占全國(guó)總量的78.6%，其次是黃海沿岸(12個(gè)水道，2308.38MW)。南海沿岸較少(23個(gè)水道，681.99MW)。按省區(qū)分，以浙江省沿岸最多(37個(gè)水道，7090.28MW)，占全

6、國(guó)一半以上，其次是臺(tái)灣、福建、山東和遼寧。中國(guó)沿海潮流能密度較高的水道有：杭州灣北部(28.99kW/m2)、舟山金塘水道(25.93 kW/m2)、舟山龜山航道(23.89 kW/m2)、舟山西侯門(mén)水道(19.08 kW/m2)、渤海海峽老鐵山北側(cè)(17.41 kW/m2)、福建三都沃三都角西北部(15.1 kW/m2)、山東北隍城北側(cè)(13.69 kW/m2)、長(zhǎng)江口北港(10.30 kW/m2)，以及臺(tái)灣澎湖列島漁翁島西南(13.69 kW/m2)。特別是舟山群島，許多地方潮流速度達(dá)到4m/s以上，世界罕見(jiàn)，開(kāi)發(fā)環(huán)境和條件很好，適宜建設(shè)大型潮流電站。2 國(guó)內(nèi)外潮流能發(fā)電現(xiàn)狀2.1 國(guó)外潮

7、流能發(fā)電的研究及開(kāi)發(fā)人類(lèi)對(duì)潮流現(xiàn)象的觀察、認(rèn)識(shí)由來(lái)已久。但是，基于各種原因，直到1970年代，人類(lèi)才開(kāi)始研究潮流能的利用問(wèn)題，近年來(lái)才開(kāi)始重視潮流能發(fā)電的開(kāi)發(fā)及規(guī)劃建設(shè)問(wèn)題。美國(guó)是世界上最早開(kāi)展海流發(fā)電研究的國(guó)家之一。1973年美國(guó)首先提出在佛羅里達(dá)海域采用“科里奧利斯”巨型海流發(fā)電裝置發(fā)電的案，該方案為一種管道形水輪發(fā)電機(jī)，機(jī)組長(zhǎng)110m，管道口徑170m，裝置布置在水平面以下30m處，當(dāng)海流速度為2.3m/s時(shí)，可以發(fā)電83MW；1985年，美國(guó)在佛羅里達(dá)的墨西哥灣進(jìn)行了2kW海流水輪機(jī)試驗(yàn)。同年美國(guó)UEK公司設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)20kW的發(fā)電裝置，在紐約市東河吊橋上進(jìn)行了潮流能發(fā)電試驗(yàn)。200

8、2年，美國(guó)綠色能源(Verdant Power)公司啟動(dòng)了RITE(Roosevelt Island Tidal Energy)工程，工程在紐約東河中進(jìn)行。該項(xiàng)目分三個(gè)階段：2002年2006年為模型測(cè)試階段；20062008年為示范驗(yàn)證階段；20092012年，在東河中安裝30臺(tái)水下潮流發(fā)電機(jī)組，向電網(wǎng)輸送10MW電力。該項(xiàng)目示范驗(yàn)證階段已經(jīng)完成。目前，Verdant Power公司又啟動(dòng)了CORE(Cornwall Ontario River Energy)項(xiàng)目，該項(xiàng)目位于美國(guó)-加拿大的安大略湖，計(jì)劃裝機(jī)15MW。2009年4月，愛(ài)爾蘭Open Hydro公司與美國(guó)華盛頓州簽署潮流能試點(diǎn)項(xiàng)

9、目合同，將安裝3臺(tái)Open Hydro公司的空心貫流式潮流能機(jī)組，預(yù)計(jì)工程在2011年建成發(fā)電。挪威從2003年開(kāi)始在Kvlsund建設(shè)潮流電站，2009年完成模型機(jī)組測(cè)試，投入運(yùn)行。2010年將安裝投運(yùn)單機(jī)1MW的潮流機(jī)組。法國(guó)2008年完成了Hydrohelix公司3m直徑潮流能水輪機(jī)的測(cè)試。法國(guó)計(jì)劃建設(shè)36座潮流能發(fā)電站。新加坡對(duì)潮流能發(fā)電很重視。新加坡Atlantis Resources公司是世界上著名的潮流能裝置開(kāi)發(fā)商之一。公司開(kāi)發(fā)了兩種型號(hào)的潮流能機(jī)型。Nereus機(jī)型用于淺海海域(小于25m)，目前150kW和400kW機(jī)組已完成測(cè)試，正為挪威開(kāi)發(fā)1MW機(jī)組；Solon機(jī)型用于深

10、海海域(大于25m),500kW機(jī)組2008年8月完成測(cè)試，正開(kāi)發(fā)2MW機(jī)組。加拿大大不列顛哥倫比亞潮汐能能源(BC Tidal Energy)公司與英國(guó)MCT公司合作，計(jì)劃在溫哥華Campbell河建設(shè)至少裝機(jī)3臺(tái)SeaGen型1.2MW機(jī)組的潮流能發(fā)電場(chǎng)；2009年4月，加拿大新斯科帝亞動(dòng)力(Nova Scotis Power)公司與英國(guó)Open Hydro公司簽訂合同，在芬地灣(Fundy)建設(shè)一個(gè)1MW的潮流能發(fā)電站。韓國(guó)是一個(gè)化石能源貧乏的國(guó)家。近年來(lái)對(duì)潮汐能源的開(kāi)發(fā)不遺余力。除攔壩蓄水建設(shè)大型潮汐電站外，對(duì)潮流能發(fā)電也情有獨(dú)鐘。2005年，韓國(guó)就開(kāi)始在全羅南道珍島郡(Jindo)的

11、Uldolmok海峽建設(shè)第一座潮流能發(fā)電站，2009年5月，首臺(tái)1MW的Gorlov型潮流能機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行，按照規(guī)劃，2013年底前，總共將安裝90臺(tái)1MW的Gorlov型潮流能機(jī)組，使Uldolmok潮流能發(fā)電場(chǎng)的總裝機(jī)容量達(dá)到90MW；另外，2008年3月，韓國(guó)Midland動(dòng)力公司與英國(guó)月能(Lunar Energy)公司合作，在全羅南道莞島郡(Wando)的Hoenggan建設(shè)一座巨型潮流能發(fā)電場(chǎng)，計(jì)劃安裝300臺(tái)1MW的潮流能發(fā)電裝置。2009年，1MW的樣機(jī)已經(jīng)通過(guò)測(cè)試，整個(gè)工程計(jì)劃于2015年完工。英國(guó)是目前世界上潮流能發(fā)電技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家，也是世界上潮流能開(kāi)發(fā)利用較早、較多的

12、國(guó)家。2003年，英國(guó)在德文郡的Lynmouth外海投運(yùn)首臺(tái)300kW的SeaFlow型潮流能發(fā)電機(jī)組；2008年4月，1.2MW的SeaGen型潮流能發(fā)電機(jī)組在北愛(ài)爾蘭Strangford湖投入運(yùn)行，2008年12月,機(jī)組滿發(fā)、超發(fā)。該潮流能發(fā)電站將共安裝12臺(tái)1.2MW機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)到12MW。目前，英國(guó)正在蘇格蘭和北威爾士建設(shè)大型潮流能發(fā)電場(chǎng)，將安裝1.2MW及1.5MW的SeaGen型機(jī)組及其他型式的潮流能發(fā)電機(jī)組。2.2 中國(guó)潮流能發(fā)電研究中國(guó)是世界上最早開(kāi)展潮流能發(fā)電試驗(yàn)的國(guó)家之一。1958年在大躍進(jìn)的熱潮中，廣東順德縣水電局在桂畔海水閘進(jìn)行了潮流能發(fā)電試驗(yàn)。試驗(yàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子直徑

13、0.6m，長(zhǎng)4.5m，兩臺(tái)裝置均可在流速1m/s及以上的潮流下發(fā)電，但發(fā)電功率較低，僅700W左右。同年冬天，山東水利科學(xué)研究所在山東榮城縣斜口灣進(jìn)行了潮流能發(fā)電試驗(yàn)，在兩臺(tái)相連的船上安裝兩臺(tái)水輪機(jī)(直徑0.8m，長(zhǎng)2.78m)，帶動(dòng)一臺(tái)5kW的發(fā)電機(jī)發(fā)電，但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，在最大流速0.8-0.9m/s時(shí)，輸出電壓也不足200V，只能帶動(dòng)一臺(tái)石磨用于糧食加工。1969年，江蘇有關(guān)單位在南京長(zhǎng)江大橋下進(jìn)行了水流發(fā)電試驗(yàn)，試驗(yàn)采用3臺(tái)5m的螺旋槳式水輪機(jī)，當(dāng)水流速度1.3m/s時(shí)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速為15r/min，水輪機(jī)水力效率可達(dá)50%左右，水輪發(fā)電機(jī)輸出功率可達(dá)7kW。圖1 潮流發(fā)電船浙江舟山市

14、的農(nóng)民企業(yè)家何世鈞是我國(guó)自費(fèi)開(kāi)展潮流能發(fā)電研究的第一人。面對(duì)舟山豐富的潮流能資源，何世鈞潛心研究潮流能發(fā)電，1978年，他將兩臺(tái)臥式螺旋槳水輪機(jī)裝在一只船的船尾，通過(guò)油壓傳動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)潮流速度3m/s時(shí)，機(jī)組輸出功率達(dá)5.7kW。1980年代，哈爾濱、青島一些單位進(jìn)行過(guò)千瓦級(jí)潮流能發(fā)電船(圖1)的試驗(yàn)。潮流發(fā)電船利用潮流沖擊安裝在錨定船舶兩側(cè)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。1980年代初，哈爾濱工程大學(xué)等采用漂浮系泊式立軸自調(diào)直葉片擺線式雙轉(zhuǎn)子水輪機(jī)方案，開(kāi)始潮流能發(fā)電研究。1980年代中期完成1kW樣機(jī)裝置。接著完成了10kW潮流能實(shí)驗(yàn)電站的設(shè)計(jì)研究，最后于2000年建成70kW潮流能實(shí)驗(yàn)電站。2

15、002年4月，中國(guó)第一座70kW潮流能實(shí)驗(yàn)電站在浙江舟山市岱山縣龜山水道建成發(fā)電。“十五”(20012005)期間，哈爾濱工程大學(xué)在國(guó)家“863工程”支持下，研制了40kW海底固定式垂直軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)，2006年在岱山縣高亭港內(nèi)試運(yùn)行。此外，東北師范大學(xué)2008年研制成功1kW水下漂浮式水平軸潮流能發(fā)電裝置；中國(guó)海洋大學(xué)和機(jī)械科學(xué)研究總院2008年研制成功5kW柔性葉片水輪機(jī)潮流能發(fā)電裝置；浙江大學(xué)2009年研制成功25kW固定式水平軸潮流能發(fā)電裝置。此外，從1997年起，意大利阿基米德橋公司聯(lián)合英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)和意大利那不勒斯大學(xué)，與中國(guó)國(guó)家海洋局第二海洋研究所、哈工大和浙江省情報(bào)所等單位合

16、作，開(kāi)展“舟山潮流能開(kāi)發(fā)技術(shù)可行性研究”。合作雙方完成了舟山海域的金塘、西侯門(mén)和龜山三個(gè)強(qiáng)潮流能水道的潮流資源調(diào)查，并推薦龜山水道為最佳試驗(yàn)水道；對(duì)歐方提出的“KOBOLD”豎軸可調(diào)葉片水輪機(jī)進(jìn)行了適應(yīng)舟山潮流能特性的選型研究。目前我國(guó)潮流能發(fā)電研究已進(jìn)入實(shí)海況的應(yīng)用示范研究階段?！?50kW潮流能電站關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”作為我國(guó)六大海洋能開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)項(xiàng)目之一，已納入國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(20062020)，正組織實(shí)施中3 潮流能利用技術(shù)潮流能發(fā)電技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展迅速的新技術(shù)。潮流能發(fā)電裝置的關(guān)鍵技術(shù)是潮流能獲取裝置。近一、二十年來(lái)，人們提出了五花八門(mén)的潮流能獲取系統(tǒng)，但大部分為旋轉(zhuǎn)

17、類(lèi)水輪機(jī)。又由于潮流能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電都是利用流體的動(dòng)能發(fā)電，故許多潮流能獲取裝置的靈感都來(lái)源于各種風(fēng)力機(jī)，采用了許多類(lèi)似風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)。目前，潮流能獲取裝置的種類(lèi)繁多，可以按圖2大致歸類(lèi)。風(fēng)車(chē)式水平軸潮流能水輪機(jī)空心貫流式導(dǎo)流罩式直葉片式豎軸潮流能水輪機(jī) 螺旋葉片式潮流能獲取裝置導(dǎo)流罩式升力-阻力型潮流能裝置 Savonius式水輪機(jī)柔性葉片式水輪機(jī)振蕩式水翼潮流能裝置其他形式潮流能裝置圖2 潮流能獲取裝置的分類(lèi)在圖2所示的各型潮流能獲取裝置中，以水平軸潮流能水輪機(jī)應(yīng)用最多，豎軸潮流能水輪機(jī)次之。因此，下面重點(diǎn)介紹水平軸和豎軸式潮流能水輪機(jī)。3.1 水平軸潮流能水輪機(jī)水平軸潮流能水輪機(jī)又稱軸流葉

18、輪水輪機(jī)，這種水輪機(jī)類(lèi)似于常見(jiàn)大型風(fēng)力機(jī)，其水流方向與旋轉(zhuǎn)軸平行，利用水流推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)槳葉發(fā)電。水平軸潮流能水輪機(jī)又可按結(jié)構(gòu)分為風(fēng)車(chē)式、空心貫流式和導(dǎo)流罩式。3.1.1 風(fēng)車(chē)式潮流能水輪機(jī)(水下風(fēng)車(chē))風(fēng)車(chē)式潮流能水輪機(jī)是目前技術(shù)比較成熟、發(fā)展最快的機(jī)型。風(fēng)車(chē)式潮流能水輪機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)都與現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)類(lèi)似，其水輪機(jī)翼型葉片可以是固定的，也可以是可調(diào)的。風(fēng)車(chē)式潮流能水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較好，獲能系數(shù)較高。目前，風(fēng)車(chē)式潮流能水輪機(jī)已為許多公司所推崇采用，其主要代表有英國(guó)洋流水輪機(jī)公司(Marine Current Turbines,Ltd.,MCT)、英國(guó)SMD公司和美國(guó)綠色能源公司(Verda

19、nt Power Co.)公司等。英國(guó)MCT公司是當(dāng)代潮流能發(fā)電技術(shù)的領(lǐng)航者。該公司于2000年由英國(guó)IT動(dòng)力(IT Power)公司、Seacore公司、Bendalls公司和Corus英國(guó)公司共同出資組建而成。而IT動(dòng)力公司是一家著名英國(guó)咨詢公司，該公司從1990年代中期開(kāi)始研究潮流能發(fā)電。MCT公司成立后，規(guī)劃分三階段開(kāi)發(fā)風(fēng)車(chē)式潮流能水輪機(jī)。第一階段代號(hào)為“SeaFlow”，在英國(guó)德文郡的Lynmouth研制一臺(tái)300kW潮流能發(fā)電裝置(圖3)，該裝置水輪機(jī)轉(zhuǎn)子直徑11m，于2003年5月建成發(fā)電；第二階段的代號(hào)為“SeaGen”，研制了一臺(tái)1.2MW潮流能發(fā)電裝置(圖4、圖5)。200

20、8年5月，世界上首臺(tái)商用潮流能發(fā)電裝置1.2MW“SeaGen”在北愛(ài)爾蘭Strangford湖并網(wǎng)投入運(yùn)行；第三階段從2009年開(kāi)始，實(shí)現(xiàn)1.2MW“SeaGen”水輪機(jī)的小批量生產(chǎn)。目前,MCT公司正為北威爾士和加拿大批量生產(chǎn)1.2MW SeaGen的潮流能發(fā)電機(jī)；為威爾士Anglesey島潮流電場(chǎng)制造7臺(tái)15MW風(fēng)車(chē)式潮流發(fā)電機(jī)組，首臺(tái)機(jī)組預(yù)計(jì)2011年投運(yùn)發(fā)電。 圖3 SeaFlow型300kW潮流能發(fā)電裝置 圖4 SeaGen型1.2MW潮流能發(fā)電裝置(水輪機(jī)浸沒(méi)于海水中)1.2MW“SeaGen”機(jī)組是目前世界上投入商業(yè)運(yùn)行的最大潮流能發(fā)電機(jī)組。該機(jī)組額定功率1.2MW(現(xiàn)已超發(fā))

21、。水輪機(jī)轉(zhuǎn)子直徑16m，額定流速2.25m/s，最低工作流速為0.7m/s，設(shè)計(jì)獲能系數(shù)0.45，裝置傳動(dòng)比為69.9，水輪機(jī)轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速為14.3r/min。潮流發(fā)電裝置的樁柱高40.7m，直徑3.025m，橫梁長(zhǎng)29m。整個(gè)裝置包括2臺(tái)可調(diào)雙葉片式水輪機(jī)，分別固定在橫梁的兩端?！癝eaGen”水輪機(jī)的葉片可180º變距，因此機(jī)組在退潮和漲潮時(shí)均可發(fā)電。英國(guó)潮流(Tidal Stream)公司開(kāi)發(fā)了一種稱為“Triton”的潮流能發(fā)電裝置?！癟riton”機(jī)組與“SeaGen”機(jī)組異曲同工。英國(guó)潮流能公司已在法國(guó)沿海對(duì)3m高的原型裝置進(jìn)行了測(cè)試(圖6),預(yù)計(jì)全尺寸60m高的“Tri

22、ton”機(jī)組可以發(fā)電10MW。圖5SeaGen型1.2MW潮流能發(fā)電裝置(水輪機(jī)提升到海面以上) 圖6 正在海下進(jìn)行測(cè)試的“Triton”型潮流能發(fā)電裝置德國(guó)Voith公司研制的1MW水平軸潮流發(fā)電機(jī)組見(jiàn)圖7。此前，該公司曾為韓國(guó)研制同型號(hào)的300kW機(jī)組。圖7 德國(guó)Voith公司研制的300kW水平軸潮流能發(fā)電裝置英國(guó)SMD Hydrovision設(shè)計(jì)的“TidEL”風(fēng)車(chē)式潮流能水輪機(jī)見(jiàn)圖8。單個(gè)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)直徑為18.5m，在流速2.3m/s下可以發(fā)電1MW。英國(guó)洋流能源公司(Ocean Flow Energy, OFE)在北愛(ài)爾蘭Strangford測(cè)試了一種稱為Evopod的半潛式潮流能

23、發(fā)電裝置樣機(jī)(圖9)。圖8 英國(guó)SMD公司的TidEL型1MW水平軸潮流能水輪機(jī) 圖9 英國(guó)OFE公司的Evopod型潮流能發(fā)電裝置美國(guó)綠色能源(Verdant Power)公司在Roosevelt島潮汐工程(RITE)中采用固定式傾角式三葉式風(fēng)車(chē)式水輪機(jī)(圖10)。水輪機(jī)轉(zhuǎn)子直徑5m，額定流速2.2m/s，額定功率35.9kW。機(jī)組于2007年投入運(yùn)行。但因設(shè)計(jì)不當(dāng)，運(yùn)行中葉片斷裂，后采取加強(qiáng)措施，于2008年9月重新投入運(yùn)行。圖10 美國(guó)綠色能源公司的三葉片水平軸潮汐能水輪機(jī)挪威Hammerfest Storm公司研制了底座式三葉片水平軸潮汐能水輪機(jī)(圖11)。模型機(jī)于2003年在挪威Kv

24、alsund安裝，經(jīng)四年運(yùn)行測(cè)試，已正式并網(wǎng)發(fā)電?，F(xiàn)正在研制1MW全尺寸樣機(jī)HS1000。圖11 挪威Hammerfest Storm公司的水平軸潮流能發(fā)電機(jī) 法國(guó)Hydrohelix公司于2008年完成了轉(zhuǎn)子直徑3m的水平軸水輪機(jī)的測(cè)試(圖12)。圖12 法國(guó)Hydrohelix公司的水平軸潮流能水輪機(jī)3.1.2 空心貫流式潮流能水輪機(jī)空心貫流式潮流能水輪機(jī)的代表是愛(ài)爾蘭Open Hydro公司和加拿大Cleaner Current公司。愛(ài)爾蘭Open Hydro公司開(kāi)發(fā)的空心貫流式(該公司命名為Open-Centre)水輪機(jī)如圖13所示。該潮流發(fā)電裝置無(wú)軸，由固定的外部環(huán)和內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)盤(pán)組成

25、，兩部分上分別布置線圈和永磁鐵，組成一臺(tái)永磁發(fā)電機(jī)。Open Hydro公司研制的250kW示范樣機(jī)已在Orkney島成功并網(wǎng)發(fā)電，目前該公司正研制1520kW雙轉(zhuǎn)子空心貫流式潮流能水輪機(jī)，其轉(zhuǎn)子直徑達(dá)15m，額定流速2.57m/s。 圖13 愛(ài)爾蘭Open Hydro公司250kW“Open Centre”型空心貫流式潮流能水輪機(jī)加拿大Cleaner Current Power(CCP)公司研制了一臺(tái)雙向帶聚流罩的空心貫流式水輪機(jī)，如圖14所示。與“Open Centre”類(lèi)似，該水輪機(jī)本身構(gòu)成一臺(tái)永磁發(fā)電機(jī)。水輪機(jī)轉(zhuǎn)子直徑3.5m，額定功率65kW。另外，該公司還設(shè)計(jì)了一臺(tái)1MW空心貫流式

26、水輪饑，其轉(zhuǎn)子直徑17m，額定流速為2.65m/s。圖14 加拿大CCP公司的空心貫流式潮流能水輪機(jī)3.1.3 導(dǎo)流罩式水平軸潮流能水輪機(jī)這種水輪機(jī)是在水平軸水輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪外面增加一個(gè)導(dǎo)流罩。導(dǎo)流罩具有導(dǎo)流、聚能的作用，可以使通過(guò)水輪機(jī)的水流能量更加集中，獲能效果更高。目前采用導(dǎo)流罩式潮流能水輪機(jī)技術(shù)的主要公司有：英國(guó)月能(Lunar Energy)公司、美國(guó)水下風(fēng)箏(Underwater Electric Kite,UEK)公司和新加坡Atlantis Resources公司等。英國(guó)Lunar Energy公司潮流能發(fā)電裝置技術(shù)來(lái)源于英國(guó)Rotch公司的RTT(Rotech Tidal Tu

27、rbine)技術(shù)。該公司設(shè)計(jì)的1MW導(dǎo)流罩式潮流能水輪機(jī)2007年完成了全尺寸裝置試驗(yàn)，該裝置如圖15、16所示。導(dǎo)流罩的直徑為15m，長(zhǎng)度為19.2m；水輪機(jī)轉(zhuǎn)子直徑11.5m。另外，該公司與EON合作，計(jì)劃在2010年建設(shè)一座8MW的潮流能商業(yè)電站。另外，公司正在開(kāi)發(fā)2MW導(dǎo)流罩式水輪機(jī)，其導(dǎo)流罩的直徑為25m，水輪機(jī)轉(zhuǎn)子直徑為19.5m。2008年，Lunar Energy公司與韓國(guó)Midland動(dòng)力公司簽訂協(xié)議，將為韓國(guó)全羅南道莞島郡 Hoenggan水道潮流能電場(chǎng)提供300臺(tái)1MW(水輪機(jī)直徑11.5m)潮流能發(fā)電裝置，工程預(yù)計(jì)在2015年完工。圖15英國(guó)月能公司的導(dǎo)流罩式水平軸潮流

28、能水輪機(jī) 圖16 英國(guó)月能公司的1MW導(dǎo)流罩式水平軸潮流能水輪機(jī)美國(guó)UEK公司開(kāi)發(fā)的導(dǎo)流罩式水輪機(jī)，采用葉片固定的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該公司研制了一臺(tái)400kW導(dǎo)流罩式水平軸水輪機(jī)，其導(dǎo)流罩最大直徑5.18m，水輪機(jī)轉(zhuǎn)子直徑4m（見(jiàn)圖17）。圖17 美國(guó)UEK公司的400kW導(dǎo)流罩式水平軸潮流能水輪機(jī)新加坡Atlantis Resources公司開(kāi)發(fā)了一種深海海域的Solon型潮流能機(jī)組(圖18)。它是一種帶導(dǎo)流罩的臥式水平軸潮流能發(fā)電機(jī)組，500kW Solon型機(jī)已于2008年通過(guò)運(yùn)行測(cè)試，現(xiàn)在開(kāi)發(fā)2MW機(jī)組。圖18 新加坡Atlantis Resources公司的Solon型導(dǎo)流罩式潮汐能水輪機(jī)

29、3.2 豎軸潮流能水輪機(jī)豎軸潮流能水輪機(jī)又稱橫流葉片式水輪機(jī)，其工作原理與達(dá)里厄(Darreius)式豎軸風(fēng)力機(jī)相似，水流方向與葉輪旋轉(zhuǎn)軸垂直(橫流)，槳葉有直葉片(與旋轉(zhuǎn)軸平行)和螺旋形葉片兩種。直葉片豎軸潮流能水輪機(jī)技術(shù)的代表是加拿大藍(lán)能(Blue Energy)公司。圖19為藍(lán)能公司的豎軸潮流能發(fā)電裝置的示意圖。從圖中可以看出，位于下部的水輪機(jī)的葉片呈圓周分布，與轉(zhuǎn)軸平行，水輪機(jī)通過(guò)齒輪增速箱與上部發(fā)電機(jī)相連。水輪機(jī)轉(zhuǎn)子置于一導(dǎo)流罩中。目前，藍(lán)能公司豎軸潮流能水輪機(jī)的最大單機(jī)功率為250kW(圖20)。圖19加拿大藍(lán)能公司直葉片豎軸潮流能水輪機(jī)示意圖 圖20加拿大藍(lán)能公司2×2

30、50kW豎軸潮流能水輪機(jī)螺旋形葉片豎軸潮流能水輪機(jī)的另一個(gè)典型機(jī)型是美國(guó)Gorlov螺旋水輪機(jī)(Gorlov Helical Turbine)設(shè)計(jì)的螺旋葉片潮流能水輪機(jī)(圖21)。Gorlov式透平機(jī)是美國(guó)波士頓西北大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種機(jī)型，它是達(dá)里厄(Darreius)式的一種變型。2009年5月，1MW Gorlov式潮流能發(fā)電裝置在韓國(guó)全羅南道珍島郡的Uldolmoke潮流能發(fā)電場(chǎng)(圖22) 投入運(yùn)行。這是世界上投入商業(yè)運(yùn)行的首臺(tái)豎軸潮流能水電機(jī)組。按照規(guī)劃，該潮流能發(fā)電場(chǎng)將在2013年前共投產(chǎn)90臺(tái)機(jī)組，使電站總裝機(jī)容量達(dá)到90MW。圖21美國(guó)GHT公司的Gorlov型螺旋葉片式豎軸潮流能水

31、輪機(jī) 圖22韓國(guó)全羅南島珍島郡 Uldolmok潮流能發(fā)電站場(chǎng)將裝90臺(tái)1MW豎軸式水輪機(jī))英國(guó)海王星再生能源(Neptune Resources)公司也是一家著名豎軸潮流能水輪機(jī)開(kāi)發(fā)公司。圖23和圖24為該公司的Proteus型豎軸潮流能水輪機(jī)。該裝置主要由轉(zhuǎn)子和導(dǎo)流罩組成。導(dǎo)流罩帶有導(dǎo)葉，可以改變流向，減小反向力矩，提高獲能效率。圖23 英國(guó)海王星再生能源公司的Proteus型潮流能裝置 圖24英國(guó)海王星再生能源公司Proteus型潮流能裝置的示意圖同水平軸潮流能水輪機(jī)一樣，為了提高聚流能力，有的豎軸潮流能水輪機(jī)也裝有導(dǎo)流罩，如圖19,23,24,25所示。圖25 裝有導(dǎo)流罩的豎軸式潮流能

32、水輪機(jī)意大利阿基米德橋(Ponte di Archimed, PDA)公司從1996年起開(kāi)展墨西哥海峽潮流能發(fā)電研究，設(shè)計(jì)的KOBOLT也是一種直葉式豎軸潮流能水輪機(jī)(圖26,27)。2003年P(guān)DA公司在墨西哥灣投運(yùn)了世界上首臺(tái)120kW的KOBOLT型豎軸式潮流能水輪機(jī)，其水輪機(jī)直徑6m，高5m。意大利與中國(guó)合作開(kāi)發(fā)的舟山潮流能發(fā)電機(jī)組也推薦采用KOBOLT機(jī)型。圖26 意大利PDA公司KOBOLT型潮流能水輪機(jī)示意圖 圖 27 意大利PDA公司KOBOLT型豎軸潮流能水輪機(jī)3.3 其他型式潮流能獲取裝置除上述目前應(yīng)用較多的水平軸潮流能水輪機(jī)和豎軸潮流能水輪機(jī)外，國(guó)內(nèi)外還提出了許多其他型式

33、的潮流能獲取裝置，下面擇其部分簡(jiǎn)介如下。3.3.1 振蕩式水翼潮流能裝置圖28為英國(guó)工程事務(wù)公司(Engineering Business, EB)設(shè)計(jì)的一種振蕩式水翼潮流能裝置“Stingray”。翼型水翼通過(guò)擺臂連接，當(dāng)水流流過(guò)時(shí)，升力和阻力使水翼上升，使擺臂上下擺動(dòng)，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)發(fā)電。2003年,一臺(tái)150kW振蕩式水翼潮流發(fā)電裝置在蘇格蘭海域進(jìn)行了測(cè)試。圖28 英國(guó)EB公司的振蕩式水翼潮流能裝置 圖29為英國(guó)脈動(dòng)發(fā)電(Pulse Generation)公司設(shè)計(jì)的振蕩式水翼潮流能裝置。100kW裝置已完成了測(cè)試，目前正開(kāi)發(fā)1MW商用裝置，預(yù)計(jì)2012年投產(chǎn)發(fā)電。圖30為澳大利亞生物動(dòng)力(Bio Power)公司的振蕩式水翼潮流能裝置。圖29 英國(guó)脈動(dòng)發(fā)電公司的振蕩式水翼潮流能裝置 圖30澳大利亞生物動(dòng)力公司的振蕩式水翼潮流能裝置3.3.2 Savonius型潮流能裝置瑞典海力(Seapower)公司在Savonius風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種阻力型潮流能水輪機(jī)“EXIM”(圖31)。圖32為Savonius葉片形狀