【文章推荐】海洋可再生能源装备技术发展研究（上） - 潮汐能技术

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海洋可再生能源具有绿色清洁、可再生等优势，在助力海洋领域“碳减排”方面扮演重要角色。海洋可再生能源装备技术是支撑海洋可再生能源高效开发利用的重要抓手。本文梳理了国内外海洋可再生能源装备技术的发展现状，分析了国际海洋可再生能源装备技术发展趋势，总结了我国海洋可再生能源装备技术发展存在的问题，分析认为我国各类海洋可再生能源装备技术发展水平参差不齐，多能互补的综合利用探索不足，在装备技术的可靠性、运行维护等方面与国际先进水平仍有差距，建议通过建立支撑海洋可再生能源装备技术可持续创新发展的中长期规划，加快突破海洋可再生能源装备核心技术，加快探索海洋可再生能源装备技术多能互补综合开发的应用场景，多措并举吸引更多资本、加快产业化发展等措施，实现提高海洋可再生能源装备技术可靠性、降低商业发电成本、安全环保等发展目标。

一、前言

     开发利用海洋可再生能源（MRE），需要装备先行。随着国际社会对海洋可再生能源开发利用重视程度的不断提升，相关科技投入不断加大，推动了海洋可再生能源向深远海、综合化的开发利用，对相应的装备技术提出了适应极端恶劣海况环境、提升能量捕获效率、全生命周期的智能化运维保障等需求。海洋可再生能源装备的技术成熟度、安全可靠性极大地影响着海洋可再生能源的发电效率和成本，很大程度决定着海洋可再生能源与其他绿色能源竞争的市场地位。受海域分布、资源储量等因素的影响，目前不同能源种类的海洋可再生能源装备技术发展程度不一。如何充分发挥不同种类海洋可再生能源的资源优势，统筹推进相关装备技术在多能互补、综合应用场景下的协同创新效益，是国际社会关注的重要问题。国内外行业单位、机构和学者都在积极推动海洋可再生能源装备技术领域的发展实践及创新研究。

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   在海洋可再生能源的概念分类方面，学界尚未形成统一的权威界定，主要争议是海上风能、海上光伏以及海洋生物质能是否应被归为海洋可再生能源，目前主要有两种观点：狭义的观点将“海洋可再生能源”等同于“海洋能”，认为其是以海水为基本载体、依附于海水的潮汐能、潮流能、波浪能、温差能和盐差能等。广义的观点则把海上风能、海上光伏等也纳入到“海洋可再生能源”的概念范畴，认为“海洋可再生能源”是指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，除了潮汐能、波浪能、潮流能、温差能、盐差能之外，还包括海洋上空的风能、光伏以及海洋生物质能等。本文认为海洋可再生能源的概念范畴要大于海洋能，因此将围绕海上风电、波浪能、潮流能、潮汐能、温差能、盐差能、海上光伏七种能源的装备技术问题进行研究。

   目前，学界关于海洋可再生能源装备技术发展的研究，主要从单一能源种类及其装备技术的视角来分析，对广义范畴的海洋可再生能源装备技术的全面剖析与发展研究较少。为此，本文在项目研究、文献调研与专家研讨的基础上，以七种海洋可再生能源装备技术为切入点，探讨国内外海洋可再生能源装备技术的发展实践、技术成熟度、发电成本等问题，针对我国海洋可再生能源装备技术发展中存在的突出问题提出相关发展建议，以期为我国海洋可再生能源装备技术发展提供借鉴。

; Z" R3 h3 I: {: Z; ^6 J' j* ] 二、国际海洋可再生能源装备技术发展现况与趋势（一）国际海洋可再生能源装备技术发展现况 ) N" p0 Q6 x! D" Z! T" i

   结合国际发展实践来看，发电是海洋可再生能源开发利用的主要方式，实践中已有不少利用海洋可再生能源装备技术为沿海国家提供电力供给的项目，在不具备岸电的情况下，可实现孤网直供电。目前以单一能源种类的海洋可再生能源发电装置为主，且多数停留在项目示范阶段，未能达到产业化发展的程度。缺乏资金、高昂的发电成本、供电的间歇性和安全性问题是单一能源种类的海洋可再生能源发电装置难以推向市场的主要阻碍。

     1. 海上风电装备技术 2 J! o* i/ o3 _5 W* g2 D

      海上风电装备技术是目前海洋可再生能源开发利用中最成熟、应用最广泛的领域，主要包括固定式海上风机和漂浮式海上风机，其中固定式海上风电已进入大规模商业化开发阶段。目前漂浮式海上风电项目开发受到越来越多的政府和企业关注，处于以示范项目为主的预商业化阶段。截至2021年年底，欧洲作为最大的海上风电区域市场，累计装机容量占全球总量的50.4%，北海（大西洋东北部的边缘海）和波罗的海周边国家建立了成熟的海上风电供应链体系。英国2009—2020年的海上风电累计装机容量一直位居全球第一，2022 年8 月在英国海域全面投入运营的Hornsea2号，是目前世界上最大的在运营海上风电场，总装机容量超过2.85GW，能够帮助超过140万户家庭实现清洁和可再生能源供电。海上风电技术发展已不存在从无到有的突破问题，主要是通过技术优化实现单机单位功率产出最大化的目标，风机的可靠稳定性和便于维护始终是海上风电技术设计的核心准则，重点需要解决大型轴承、齿轮箱、叶片等配套设备的瓶颈，风机叶片的可循环降解使用等问题。

      2. 波浪能装备技术

     据不完全统计，全球已有的波浪能技术研发概念多达200多种，主流的技术类型包括：点吸式（point absorbers）、衰减式（attenuator）、振荡水柱

式（oscillating water column）、越浪式（overtopping）等，其中点吸式、振荡水柱式的技术成熟度较高，已进入预商业化阶段。目前多国已建成能够在海洋环境中持续运行的波浪能装置，如美国的点吸收波浪能装置（PowerBuoy）、英国的筏式波浪能装置（Pelamis）等。2022年6月，瑞典CorPower 公司正式推出首个商业化的波浪能转换器C4以及新的“CorPack”概念，目前已安装到葡萄牙阿古萨多拉（Aguçadoura）海岸，成为世界上第一个并网的波浪能发电场。但受各海域波浪能资源、开发侧重不同等因素的影响，各定制化的波浪能装置在特定海域的发电成本高低不同，使行业内对各种波浪能技术的看法并不统一，也很难统一。波浪能技术未来优化的主要方向是帮助提高装置在极端海况下的生存能力，降低全生命周期内的发电成本。

      3. 潮流能装备技术 $ t6 Z/ ~$ ?9 x/ q5 V# d

      潮流能发电目前是海洋可再生能源开发利用的重点领域，其装备技术已接近成熟，很多预商业化项目正在进行。主流的潮流能转换装置包括：水平轴式潮流能水轮机、垂直轴式潮流能水轮机、导流罩式潮流能水轮机；常见的潮流能发电系统载体结构包括：固定式载体和漂浮式载体。欧洲拥有全球41%的潮流能开发商，主要位于荷兰、法国，其他对潮流能装备技术参与度较高的国家主要有美国、英国和挪威[12]。英国亚特兰蒂斯公司的Meygen项目是目前世界上规模最大的潮流能项目，也是唯一已开始建设的商用多涡轮机阵列。截至2022年10月，MeyGen一期项目已交付超过47GW·h的发电量。2022年10月，瑞典海洋可再生能源开发商Minesto在法罗群岛建立全球首个总装机容量为30 MW的潮流能阵列，预计年发电量可达84GW·h，相当于2021年法罗群岛能源消耗总量的20%，目前已完成环境影响、内场电缆布线和电网连接工程的评估工作。随着潮流能发电装备的大型化发展，对装置的可靠性和经济性提出更高要求，如转子的直径设计、基础结构设计、设备的布设和回收技术、运行和维护方式、材料的耐腐蚀性、环境影响等方面都需不断优化提升。

      4. 潮汐能装备技术 3 S% I) N* n) p s

      潮汐能装备运行所使用的水电技术已基本成熟，数十年前已实现商业化运行。潮汐能发电主要有两种技术路径：单水库式（单向运行、双向运行）、双水库式（单向运行、双向运行、抽水增能发电）。截至2021年年底，潮汐能发电占海洋能总装机容量的90%以上。典型的是法国1966年建设的240MW朗斯潮汐电站和韩国2011年建成的254MW始华湖潮汐电站。此外，英国、加拿大、美国等国也都有相关的政策规划及实践项目。英国被认为拥有世界上最好的潮汐资源，在潮汐能装备技术方面已处于全球领先水平。英国Mersey 潮汐能发电项目于2022年3月启动招标，在建设和运营中能够创造数千个就业岗位，建成后可为约100万户家庭供电。在技术提升方面，可通过继续优化多级蓄水技术不断降低潮汐变率的影响，采用双向流动发电技术提升水轮机效率、降低成本，加强对潮汐电站所在海域的生态环境影响监测。

      5. 温差能装备技术

      温差能装备技术进展较慢，目前温差能发电主要有三种转换方式：开式循环发电、闭式循环发电、混合式循环发电，其中开式循环发电系统较为成熟。截至2021年，全球共投产、在建以及规划的温差能项目超过20个，额定功率从15kW到20MW不等，总装机容量超过150MW。美国、日本、韩国、法国、中国等国家对温差能装备技术进行了大量的研究，并建设了多个示范性温差能发电站，如日本冲绳县久米岛的50kW的示范项目、美国夏威夷的100kW的并网电站。迄今为止，仅有两座1MW的浮式温差能电站投入运行，即韩国K-OTEC 1000驳船和夏威夷近海的OTEC-1试验设施。2021年，英国Global OTEC公司计划在非洲开发温差能，为圣多美和普林西比民主共和国这一离网岛屿提供绿色能源。温差能装备技术研究的关键是强化传热传质技术，重点是如何通过提高热交换系统性能不断增强热转换效率，减少电量损耗的同时提高经济可行性。

      6. 盐差能装备技术

   当前，盐差能装备技术成熟度最低，仍处于实验室研究阶段，距实现应用和产业发展还有很长的路要走。目前，常见的盐差能发电技术主要包括渗透压法、反电渗析法、蒸汽压差法和“混合熵电池”，其中渗透压法和反电渗析法是目前研究和示范的主要技术，在挪威、荷兰已经投入试点。美国、荷兰、挪威、瑞典等国家在盐差能装备技术研究方面较为领先，中国和日本等也就盐差能开发利用技术开展了相关研究。目前，荷兰REDstack公司的50kW的试点项目正在进行盐差能发电，这是世界上首个自2014年开始至今还在持续运行的盐

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差能发电设施。渗透膜材质的选择、水流净化等技术将是下一步的重点研究方向。

      7. 海上光伏装备技术

      海上光伏装备主要由四大系统构成：漂浮系统、锚固系统、敷设系统、接地系统，其中漂浮系统是关系到整个电站能否正常运行的重要支撑平台。从结构上看，海上光伏装备分为桩基固定式和漂浮式两大类，当前漂浮式海上光伏装备造价虽较高，但应用范围广，未来或成为主流形式。由于各国的技术水平存在差异，目前全球海上光伏装备技术还处于研究和工程示范阶段，主要面临抗海风、抗波浪、抗腐蚀和锚固等多方面技术难题。2021年3月，挪威船级社（DNV）发布了全球首个针对海上光伏项目的推荐做法——“DNV-RP-0584-浮式光伏系统设计、开发和运行推荐实施规程”指南，为海上光伏项目的开发、运营和退役提供了指导。已有不少国家开展了相关装备技术的研发应用，预计部分商业项目在未来几年投入运营，如德国莱茵集团（RWE）和荷兰olarDuck 公司的海上光伏试点项目、挪威Equinor公司的海上光伏项目。目前来看，海上光伏的总体技术设计难度比波浪能小，其装备技术研发的难点和重点是抗风浪的浮体设计，既要确保浮体设计在极端海况下的生存能力，又需考虑选择经济性较好的浮体结构方案；另外还需要加强海上光伏板的耐腐蚀性能及远程监测运维等方面的研究。

（二）国际海洋可再生能源装备技术发展趋势 , J- F0 t+ l$ e2 c' C

      国际可再生能源署（IRENA）、国际能源署 ‒海洋能源系统（IEA-OES）等全球海洋可再生能源领域的权威机构，一致认为为满足海洋可再生能源向深远海、综合化发展的战略需求，有研究能力的国家应加快相关装备技术的研发投入，为海洋可再生能源产业化发展提供装备技术的硬支撑。总体来看，不同能源种类的海洋可再生能源装备技术发展水平存在较大差异：一方面，海上风电装备技术（固定式）已基本实现商业化发展，波浪能、潮流能和潮汐能装备技术发展势头强劲，温差能、盐差能、海上光伏装备技术还处于技术研发、验证和工程示范阶段；另一方面，英国、美国、挪威、荷兰等欧美国家在海洋可再生能源装备技术创新方面引领发展。目前海洋可再生能源装备技术发展主要面临成本效益低、稳定可靠性差及与其他能源耦合应用的适用性不足等问题。

      1. 海洋可再生能源装备技术向多能互补、综合应用发展

      从国际发展趋势来看，海洋可再生能源装备技术正在向模块化、高性能、低耗散、低成本等方向发展。随着装备技术的成熟，针对单一海洋可再生能源发电存在的功率低、电费高、电能输出不稳定等问题，采用多种海洋可再生能源互为补充发电成为一种重要的发展趋势。通过共享海上装备技术平台构建多能互补的应用场景，能够在分摊前期高昂成本投入的同时提供持续稳定的电力供给。

      实践中已有诸多两种或两种以上海洋可再生能源装备技术的耦合设计和示范项目，最具代表性的是以海上风能为主导的应用，包括海上风能+潮流能、海上风能+波浪能、海上风能+海上光伏+波浪能等。例如，瑞典的inesto公司建造的海上风能+潮流能互补发电系统可在极端海况下为海上浮标的运行和通信供电。此外，还有潮流能+波浪能、海上光伏+潮流能等多能互补综合利用的项目实践。除直接供电外，通过对海洋可再生能源的电解可进一步生产氢气、氯气、纯碱、烧碱及氧气等副产品，创造更多附加的经济效益，提高海洋可再生能源装备技术的利用价值。在这种多能互补的综合应用场景下，对相关装备技术的综合化、集成化提出了更高的发展要求。

      2. 海洋可再生能源装备的技术成熟度逐渐提升 0 o+ l2 r) |! l3 _# ^+ Q) A2 z

      目前国内外学者多采用技术成熟度（TRL）这个指标来对比不同种类海洋可再生能源装备工程样机的技术成熟度，且行业界关于海洋可再生能源装备的TRL和发展阶段的评价不一：根据海洋能源系统（OES）的TRL界定标准：潮汐能装备技术处于预商业化‒商业化阶段（TRL6~9），温差能装备技术处于工程示范‒商业化阶段（TRL5~9），潮流能装备技术处于原型‒商业化阶段（TRL3~9），波浪能装备技术处于研究‒预商业化阶段（TRL1~8），盐差能装备技术处于研究‒原型阶段（TRL1~6）。根据欧洲海洋委员会（EMB）的TRL界定标准：海上风电装备技术（固定式）已实现商业化（TRL9），其中浮式风电装备技术处于预商业化阶段（TRL8），潮汐能装备技术处于商业化阶段（TRL9），波浪能装备技术处于工程示范阶段（TRL7），潮流能装备技术处于工程示范阶段（TRL6），海上光伏装备技术处于工程示范的早期阶段（TRL5）。

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      综合多方观点，本文将海洋可再生能源装备的技术成熟度分为商业化（大规模并网发电，TRL9）、预商业化（并网发电，TRL7~8）、工程示范（样机，TRL4~6）、研究（原理和实验室，TRL1~3）四个阶段。固定式海上风电和潮汐能装备技术进入商业化阶段（TRL9）；漂浮式海上风电和潮流能装

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备技术进入预商业化阶段（TRL7~8）；波浪能装备技术（TRL1~7）因概念设计众多，发展程度不均衡，既有达到预商业化的波浪能装置，也有处于原理研究阶段的波浪能新概念在提出；温差能装备技术处于工程示范向预商业化发展阶段（TRL5~8）；海上光伏装备技术得益于陆地光伏技术的成熟发展，由研究开始进入工程示范阶段（TRL4~6）；盐差能装备技术进展缓慢（TRL1~3）（见表1）。总体而言，随着各国的重视和科技研发投入的增加，各类海洋可再生能源装备向好发展，技术成熟度逐渐提升。

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      3. 海洋可再生能源装备技术的发电成本随商业化程度的提升而降低 . c. F7 l% O1 w; h# Z3 G

      商业市场尚未形成对海洋可再生能源装备技术发展的推动力，由于实际建造、安装和运行的样机很少，缺乏对装备利用率和运维成本的长期运行数据累积，因此无法准确验证商业发电成本，目前多采用平准化电力成本（LCOE），即通过海洋可再生能源工程样机发电成本来对比各种发电方式的经济性，该成本估算很可能高于未来技术更成熟的商业化机型的发电成本。受样机性能参数、运行环境不同等影响，目前也存在各机构对同一类型海洋可再生能源估算的LCOE不同的情况，但对不同类型海洋可再生能源装备LCOE的价格对比排序是基本一致的。

      根据EMB统计显示，目前海上风电装备技术的LCOE最低，约为0.08 $（/ kW·h）；其次是海上光伏装备技术，约为0.06~0.11$（/kW·h），波浪能和盐差能装备技术的LCOE相对其他几种海洋可再生能源而言较高（见表2）。根据IRENA统计显示，海上风电的全球平均LCOE从2010年的0.162$（/ kW·h）下降到2020年的0.084$/（kW·h），海上光伏的平均LCOE约为0.354$（/ kW·h），潮流能的LCOE约为0.20~0.45$/（kW·h），波浪能的LCOE约为0.30~0.55$（/ kW·h）。

      现有相关数据显示，随着技术成熟度和商业化程度的提高，LCOE呈下降趋势。以海上风电为例，2010年的LCOE约为0.159$（/ kW·h），在2020年降低到0.108$/（kW·h）；预计到2030年潮流能的LCOE可降至0.11$（/kW·h ( Z" K* N5 k. O

），波浪能的LCOE可降至0.165$/（kW·h）；一些国家的海上光伏LCOE已实现与陆地光伏平价竞争，例如，马来西亚的一个13MW浮动光伏阵列的LCOE约0.051$（/kW·h），预计海上光伏发电技术在2030年达到0.05$（/kW·h）的竞争性价格，在2050年降至0.04$（/ kW·h）。

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来源：中国工程科学

责编：ZYJ

审核：SYJ

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