【海洋观点】欧盟提出十大促进海洋能市场发展的新兴技术

近日，欧盟联合研究中心（JRC）发布《未来海洋能新兴技术：创新和改变规则者》报告，指出海洋能开发利用仍处于起步阶段，发展海洋能是众多沿海国家/地区能源脱碳和发展蓝色经济的关键手段。报告总结了30位海洋能专家的分析和建议，提出十大促进海洋能市场发展的新兴技术，并详述了每种技术的进展情况。

1、第一代潮流能转换器

; O* ?* M1 Q3 P

技术描述：第一代潮流能转换器具备两个特征，即：底部固定；采用水平轴的潮流能涡轮机或管道涡轮机。该技术代表了迄今为止开发的最先进海洋能技术。

技术进展：目前该技术的技术成熟度（TRL）达到了7～8级，欧洲总装机容量约为12兆瓦，开发速度中等，经10多年研发后技术已经成熟，进入预商用阶段。第一代潮流能技术的额定功率范围为1～2 兆瓦，可能增长至2～2.5兆瓦。功率为100～250千瓦的小型设备已投入使用并可能实现升级。

技术挑战：要加速第一代潮流能技术商业化需解决4个方面的问题，包括减轻组件重量，简化站台系统，简化机械和电气连接，易于安装、调试和维护。

2、潮流能涡轮机创新转子技术

技术描述：潮流能涡轮机创新转子技术包括：可变桨距偏航涡轮机，能够改变迎角以控制吸收和发电量；反向旋转涡轮机，通过在两个方向上设计具有高效率的转子来解决潮流的周期性反向；湿式涡轮机，在海水浸没条件下运行；直接驱动动力输出（PTO）系统，减少能量转换的损失。

技术进展：可变桨距和反向旋转涡轮机TRL达到了6～7级，湿式涡轮机和直接驱动PTO达到了5～6级。涡轮机额定功率在100千瓦～2兆瓦范围，开发速度中等偏慢。

* l2 K" i8 F% {# k

技术挑战：需解决转子相互作用相关水动力问题；需进行可靠性和试运行验证；可变桨距反向旋转涡轮机复杂度较高，控制技术不成熟；需确保密封件、轴承能达到船用螺旋桨的寿命（5年）。此外还面临与第一代潮流能涡轮机相同的挑战，如：现有材料将叶片尺寸限制在25米以内；对转子与波浪力相互作用的认识不足；浸没部件和精密部件维护要求较高。

* _" t  w! z; S1 x  _6 F7 L  w

3、漂浮式潮流能概念

技术描述：漂浮式潮流能装置被称为第二代潮流能技术，在浮在水面或水中的平台上安装潮流能涡轮机。目前研究的设施功率范围从100千瓦到2兆瓦，将转换器组件（PTO、变频器）配置在浮动平台中便于维护。

; \7 H: n& e- ]3 W

技术进展：一些漂浮式潮流能平台已经发展较为成熟，Scotrenewables公司开发的SR1-2000设备已经向电网输送超过2吉瓦时的电量。Sustainable Energy Marine公司开发的Plat-O和The Plat-I设备于2017年底部署在苏格兰，其TRL为5～8级，还需进一步对其半潜式结构进行研究，预计最大额定功率在2～2.5兆瓦。技术开发速度为中等/快速，尤其是使用先进涡轮机的情况。

技术挑战：海面环境较为极端和不可预测，浮动平台增加了设计难度和涡轮机负荷；浮动结构要求抵消倾覆力矩，降低了转换器效率；为了保证浮力，浮动结构尺寸过大，对固定锚负荷要求很高；要求更大/更重的系泊系统以克服增加组件的推力和升沉负荷；可能影响环境，且存在碰撞风险。

2 ], w7 M( U; k% l) u( ~

4、第三代潮流能转换器

$ \- d& N* m; B4 x. ^3 Z

技术描述：该类技术受到鱼类游泳的启发，通过翼、帆或风筝的摆动/拍打发电，有望在降低成本以及大规模阵列发电效率提升上实现突破，并可部署在潮流能资源较少的区域。

技术进展：一些概念的TRL已经达到5～7级，还有些则为3～4级，开发速度为中等/快，受到材料/辅助技术的影响。

8 d6 P" t. |3 t' p9 b

技术挑战：技术研发过程中对建模和物理测试的运用；潮流的波动性和压力增加了流体动力学研究和系泊系统设计难度，可能使发电效率高度波动；塑料/沉积物对原动机的冲击/点蚀造成的影响；风筝或帆的控制系统难度较大；设备维护难度大；需要系泊系统和动态电缆来应对疲劳和可靠性等问题；水柱堵塞问题，在确定潮流位置时还需考虑各物种迁徙路线；性能评估以及湍流与装置相互作用研究存在困难。

5、第一代波浪能概念的新方法

3 K  c$ z8 j) @6 K

技术描述：为了克服第一代波浪能技术的局限性，对波浪能转换器（WEC）的结构和设计进行创新，提高功率转换效率，减少间歇性并降低成本，尤其是在多设备新兴技术方面。

技术进展：该类技术的TRL在2～5级之间，进行了有限的全规模海上试验，开发速度中等偏慢，需优化单机组和多机组结构。

& g* \  ]$ c; o) y; k

技术挑战：缺乏合适控制策略和PTO组件，总体效率受到限制；需确定设计标准以改进系泊系统。

6、第二代波浪能转换器

- T% _3 G! C9 @

技术描述：利用材料的灵活性和水流轨道速度将波浪能转化为电能。

技术进展：该技术处于很低的TRL（1～3级），尚未在真实环境中进行测试，尚未确定设备最大额定功率，如果没有材料限制且PTO性能符合预期，开发速度可达到中等。

技术挑战：进一步优化材料；提升建模能力；可扩展性；集成更高TRL的PTO，并进行验证。

7、创新潮流能和波浪能动力输出技术

+ a. O! N6 o# U2 e5 B, E

创新潮流能和波浪能PTO技术类型包括：机械式、直接驱动式、介电弹性体、液压系统、气动式、水轮机、惯性系统。表1列出了7类技术的进展和挑战。

8、控制系统

技术描述：控制系统需定期监测设备受力，需改进当前预测短期波的方式，目前已经开发了许多类控制策略，包括：锁定控制，用于相位控制，需快速响应PTO；被动控制，根据海况调整阻尼；反应控制，控制系统动态调整弹簧刚度、惯性和阻尼等常数。

) j8 J( F- w0 k2 {9 F

技术进展：真实海洋测试的装置TRL在2～7级范围变化。

  t$ Z1 A9 C0 C. B  |) G

技术挑战：复杂程度过高；体验真实海洋环境以确定控制策略；验证海洋环境运行；提高应对高度可逆负载的能力。波浪能控制系统的技术挑战包括：开发测试平台；运行模拟以确定最佳WEC/PTO控制策略；提高WEC/PTO/系泊模型预测准确性；解决用于无功功率控制的弹簧尺寸大、成本高问题。

& P2 e0 S! g# f: x/ ^. U

9、系泊和站台系统

技术描述：石油和天然气、海上浮动式风电、潮流能和波浪能的系泊要求存在显著差异，海洋能转换装置需要对波浪动力做出强烈响应，松弛和绷紧式都可能缩短使用寿命或导致系泊失效。目前已提出的解决方案包括：采用定制橡胶或弹簧作为系泊线以提供特殊刚度，减轻或避免碰撞；采用可承受压缩载荷的系泊腿；通过浮力组件保持线路松弛；失去张力时用绞盘系统拉紧；更准确的仿真工具以预估短期负载。

4 k  m( j9 W  L8 ]3 A' @

技术进展：系泊系统在海洋能发电中的应用成熟度不高，TRL在2～7级，其规模可扩展至多兆瓦，开发速度很快。

技术挑战：设计/运营负荷比过高；缺乏海洋能发电设备系泊设计标准；传统石油和天然气系泊技术转移程度有限；系统连接处容易发生故障；必须具备高度顺应性；开发可靠的张紧和快速解脱/连接系统以应对暴风雨等极端天气；开发适用于近海海床的锚固系统，降低安装成本。

/ p$ |6 u9 b& e

10、材料和部件

( I- `$ F1 {' ?; K* S

海洋能的材料和部件必须在新的运行条件和高性能要求下在恶劣的海洋环境中使用，表2列出了用于海洋能发电的8类材料和部件相关技术的进展和挑战。

文章来源： [url=]战略与政策论坛[/url]

: D' [3 \5 r( L) e  h

作者：岳芳、郭楷模单位：中科院武汉文献情报中心。

6 T  Q8 P4 W& P