引言

能源可持续发展已成为当今世界一道亟待解决的难题. 一方面能源需求越来越大，另一方面化石能源应用造成的环境污染日益严重，威胁着社会的可持续发展.国际油价不断波动，环境问题也越来越突出，化石能源的生态代价和经济代价越来越高.在能源危机步步紧逼的大环境下，寻求替代能源特别是可再生能源的开发和利用已显得刻不容缓.

海洋被誉为蓝色的油田，地球表面积为5.1× 10⁸ km²，其中海洋面积约占71%，达3.61×10⁸ km².一望无垠的大海，蕴藏着巨大的能量，包括丰富的潮汐能、潮流能、波浪能，并且拥有潜力无限的温差能、盐差能等资源.据联合国科教文组织权威统计，全世界海洋能理论可再生量超过7.66×10¹¹ kW^[1].

潮流能作为海洋能的一种，其资源丰富，具有良好的开发前景.据联合国科教文组织权威统计，全世界潮流能理论可开发量超过6×10⁹ kW^[2].近十年来，潮流能开发在世界范围内取得了较大的进步，多种潮流能转换装置处于示范研究或准商业化推进阶段.本文在调研的基础上，详细梳理了我国潮流能资源状况、国内外开发利用最新状况、潮流能开发利用关键技术，及现阶段潮流能开发中面临的关键力学问题，并对潮流能开发利用前景及需要解决的问题提出了建议.

1 潮流能的生成、特点及分布 1.1 潮流的生成

月球、太阳等的引力作用引起地球表面海水周期性涨落，这种涨落现象伴随两种运动，一种是涨潮和退潮引起的海水垂直升降运动，另一种是涨潮和退潮引起的海水水平运动，前者称为潮汐，后者称为潮流.

1.2 潮流能的特点

潮流能是海水在涨落潮周期运动中所携带的动能，用E表示. 设海水的密度为$\rho $(kg/m³)，潮流流速为 U (m/s)，通过面积 S (m²) 的潮流能量可表示为^[3]

$E=\frac{1}{2}\rho {{U}^{3}}S$

(1)

式中潮流能量的单位为 W.

潮流的能流密度是指通过单位面积的潮流能量，定义为

$e=\frac{1}{2}\rho {{U}^{3}}$

(2)

能流密度e的单位为W/m².能流密度是表征某一海域潮流能量强弱或潮流能资源丰富程度的重要指标，e越大，表明该处的潮流能量越高，资源越丰富.

潮流能的开发利用具有以下特点^[4]：

(1) 有较强的规律性和可预测性. 由于潮汐的周期性，潮流能的变化具有较强的规律性，可进行预测性.

(2) 潮流能的开发不排放任何污染物，是环境友好型绿色能源.

(3) 潮流能开发装置一般安装在海底或漂浮在海面，无需建造大型水坝，对海洋环境影响小，也不占用宝贵的土地资源.

(4) 与风能和太阳能相比，潮流能的能量密度较高，约为风能的4倍，太阳能的30倍.

潮流能开发同样也面临一些不利因素. 例如，潮流能的能流密度随涨落潮的流速发生周期性变化，因而潮流能发电机输出的电能不稳定，需要经过后续处理后方能供给用户使用；潮流能开发装置工作在海水中，环境较为严酷，对装置的耐腐蚀、抗风浪、防渗漏等有严格要求，海上安装需要较高的施工技术和相应的海洋工程装备，总体开发成本较高等.

潮流能最常见的利用方式是发电，其基本原理类似于风力发电，即将海水的动能转换为机械能进而再将机械能转换为电能.

1.3 潮流能资源及分布

根据现有的潮流能开发技术水平，可利用的潮流能资源的潮流流速不应低于1.5~2.0 m/s. 国际上迄今尚未系统地绘制出全球潮流能资源分布图，只有英国、美国、法国、加拿大、挪威和中国等少数国家做了详细研究. 根据欧洲海洋能协会统计，欧洲的潮流能资源量在12 GW以上. 澳洲、非洲、印度和西班牙也拥有潮流能资源，但缺乏详细的数据.

根据"我国近海海洋综合调查与评价"专项(简称"908专项")研究成果：我国近海区域潮流能理论蕴藏量超过8.33 GW，资源丰富，但空间分布很不均匀^[5]，如图 1所示^[6].

表 1列出来全国潮流能蕴藏量和可开发利用量分布情况，由表 1可知，浙江省沿岸最为丰富，约为5.19 GW，占我国潮流能资源蕴藏量50%以上，主要集中于杭州湾口和舟山群岛海域. 其次是山东、江苏、海南、福建和辽宁，共计2.98 GW，约占全国蕴藏量的36%，其他省份沿岸潮流能蕴藏量较少.

2 潮流能开发利用发展现状 2.1 潮流能开发利用技术研发进程

技术成熟度与技术研究进展路线都是用于评价技术发展程度的方法.技术成熟度注重于关键技术要素的评价，技术进展路线则重于总体研发进程的评价.

技术成熟度(准备等级)(technology readiness level, TRL)由美国航空航天局(NASA)于1995年首先提出并应用于航天领域，是在技术获取过程中对关键技术要素的成熟情况的评价方法，通过对程序概念、技术要求及技术示范能力等的技术评估来确定.之后在美国科学技术协会得到初步应用，现已推广到各技术研发领域.按技术发展过程将技术的成熟度划分为TRL1～TRL9九级，如表 2所示.

英国Carbon Trust公司将海洋能利用研究进展路线分为基础研究、应用研究、早期示范、完全示范、市场积累和市场扩大6个阶段^[7]，结合TRL划分方法，潮流能开发利用技术研究历程描述如下：

(1) 基础研究阶段：进行基础理论研究和原理样机试验；技术成熟度一般在TRL1~TRL3，概念研究阶段.在实验室内进行水槽或水池进行基本概念试验验证.

(2) 应用研究阶段：开展试验样机的水池试验，验证设计概念的合理性；在该阶段需要明确关键技术，进行流体动力学计算、有限元分析，动态分析，要求各项关键技术达到的技术成熟度等级为TRL4~TRL5.

(3) 早期示范阶段：开展中尺度比例样机系统测试及海试，验证样机的实际性能；技术成熟度达到TRL6.

(4) 完全示范阶段：开展全尺寸样机的海上示范测试，验证样机的工程可实施性及各种商业化指标；系统原型需要在实际运行环境中通过验证. 技术成熟度要求达到TRL7.

(5) 市场积累阶段：开展2~5套装置的海上示范，完成实际系统运行测试，验证工业化的商业模式. 技术成熟度要求达到TRL8.

(6) 市场扩大阶段：真实系统经过应用验证，将建成第一批商业化的大型电场. 技术成熟度要求达到TRL9.

目前，我国相关研究还处于研究历程的第3阶段：早期的示范阶段，技术成熟度在TRL5~TRL6，而国外先进水平已经开始由第4阶段向第5阶段发展^[8-9]，技术成熟度达到了TRL7~TRL8.

2.2 国外发展现状

最早的潮流能发电装置源于1976---1984年在苏丹尼罗河上灌溉用河流涡轮机，同期日本、美国分别开始了对黑潮和佛罗理达潮流能开发利用的研究.潮流能开发利用经过40余年的潜心研究，欧美等西方国家在潮流能转换装置与发电系统的研发方面已有很好的技术基础，特别是近十年呈现出快速发展势态，新概念、新技术和新装置如雨后春笋般出现，涌现出多个具有良好前景的装置.自2008年5月英国MCT公司建成首台兆瓦级潮流能发电装置------1.2 MW的"SeaGen"后，又有多台兆瓦级潮流能发电装置建成，例如Altantis Resources公司的1MW装置AR1000,Hammerfest Strøm公司开发的HS1000等.

截至2014年初，世界上还没有商业化运行的潮流能发电阵列，几乎所有的潮流装置都被布放在指定的测试场进行单机原型测试. 图 2显示了21世纪以来世界各国单机容量在100 kW以上的潮流能水轮机分布情况，从图可知，潮流能装置的开发和测试数量处于上升状态. 英国位居前茅，成为潮流能技术研发和示范的中心，挪威、韩国、美国、加拿大等也有了重要进展. 最先进的潮流水轮机的开发商正在典型的、具有商业价值的潮流能海域进行原型样机的测试和示范.

2.2.1 典型的潮流能发电装置

(1) MCT "SeaGen"潮流能发电装置

如图 3所示，1.2 MW "SeaGen"机组额定功率1.2 MW.水轮机转子直径16 m，额定流速2.25 m/s，最低工作流速为0.8 m/s，设计获能系数0.45，装置传动比为69.9，水轮机转子额定转速为14.3 r/min.潮流发电装置的桩柱高40.7 m，直径3.025 m，横梁长29 m.整个装置包括2台可变桨双叶片式水轮机，分别固定在横梁的两端."SeaGen"水轮机的叶片可180°变角，因此机组在退潮和涨潮时均可发电.从安装到2010年8月，该装置累计发电2×10⁶ kWh，该装置的能量转换效率达到了48%，处于世界领先水平，但与风力机能量转换效率还有一定差距^[10].

目前，MCT公司已完成了商用2MW的SeaGen- SMK2研究，正在研发适应深水的3MW装置SeaGenU，计划在加拿大Fundy湾测试.

(2) AK1000潮流能发电装置

Altantis Resources公司研发的AK1000潮流能装置如图 4所示，该装置采用了坐海底式定桨距叶片水轮机技术方案. 采用了定桨距双转子方案，适应双向潮流特性，转子直径18 m，设计流速2.6 m/s，从2010年8月安装在欧洲海洋能中心测试运行.整套系统采用直驱式PMG发电机，其能量利用率可达50%，对称化的设计简化了安装过程与装置回收^[11].

(3) HS1000潮流能发电装置

图 5所示为挪威Hammerfest Strøm公司开发的采用座底式基础的3叶片水平轴HS1000水轮机^[12].HS1000水轮机的机舱是固定的，叶片采用变桨距设计，因此其可以在往复来流方向中发电；由于采用了座底式基础，安装时所需的工程资源最少，并且在移动水轮机时不改变海底的环境.Hammerfest Strøm公司于2003年在Norwegian Fjord进行了HS300原型机的测试.这一水轮机是同类水轮机中首个与电网相连并进行发电的水轮机. HS1000 2011年在欧洲海洋能中心 (the european marine energy centre,EMEC)完成了安装，目前还在进行测试.

(4) 阿尔斯通1 MW潮流能发电装置

阿尔斯通在TGL500的设计基础上完成了1 MW机组的研制(图 6)，阿尔斯通1 MW潮流能发电装置采用的水轮机与TGL500相同，均是三叶片水平轴水轮机，水轮机采用的是变桨距控制，水轮机直径18 m，采用的是座底式支撑结构，支撑结构总重量在150吨以上.在2013年8月在EMEC完成安装进入测试阶段^[13].

(5) SR250潮流能发电装置

英国Scotrenewables Tidal Power公司研发的SR250是采用漂浮式支撑机构的一个典范，采用水平轴定桨距水轮机.如图 7所示，SR250的载体为直径2.3 m，长133 m的细长管状浮体，浮体尾端对称悬挂两个直径8 m的水轮机，每个水轮机机舱内设有独立的变速箱和发电机，发电机发出的电能通过变压器升压至6.6 kV，经海底电缆传输到陆地.漂浮载体采用单点系泊装置固定于海面.SR250设计了水轮机收放装置，可以将水轮机提升到与载体平行的位置，方便运输和维护. 该装置具有以下特点：

① 漂浮式载体.该漂浮载体支持在岸边完成整个发电系统的安装和调试，采用浮拖方式运输至安装地点，运输安装无需大型船舶，海上施工时间得以缩短，很好地降低了海洋工程风险和费用.

② 单点系泊系统. 细长形的漂浮载体单点系泊于海面，使得整个装置总是处在所受海洋环境外力最小的方位，一方面增加了装置对环境的适应性、提升装置的生存能力；另一方面可实现装置整体随流换向，水轮机的自动迎流.

③ 水轮机收放装置.SR250设计的90°收放水轮机的装置，可以将水轮机提升到与载体平行的位置，一可减少运输过程中的阻力，二可实现海上维护，三可提升系统抵御恶劣海况的能力.

SR250的装机功率为250kW，2011年3月至2012年10月在EMEC完成了测试^[14]，经测试该装置能量转换效率为43%. 根据SR250的设计经验，该公司在2014年完成了SR2000的设计.

(6) BlueTEC潮流能发电平台

BlueTEC是世界著名的海洋工程公司Bluewater研发的搭载潮流涡轮机组的漂浮式平台^[15]. 如图 8所示，该装置采用漂浮式结构，载体形状与SR250相似，与SR250不同的是，BlueTEC的水轮机安装在载体的中部，采用前后两组四锚链锚固装置，载体平台不具备转向对流功能，为了获得较大能量，水轮机需具备对流功能. Bluewater研发BlueTEC浮式支撑平台主要目的是通过采用标准化的海上支撑结构实现潮流能发电装置海上运输、安装装备及程序的标准化，由此降低昂贵的海上运输、安装、维护等工程费用. 2015年4月9日，被正式命名为BlueTEC Texel的浮式平台在荷兰的Den Helder港完成建造，BlueTEC Texel是BlueTEC的简化型小样机，安装了一个200 kW的潮流能发电机，即将安装到Texel岛南面投入运行，其发出的电力直接输入荷兰电网. Bluewater 公司与西门子旗下的MCT公司合作，计划开发2 MW全尺寸SeaGen F浮式潮流能发电平台，安装在加拿大的FORCE(Fundy Ocean Research Center for Energy)进行测试，验证技术与经济的可行性，为规模化开发潮流能提供技术支持和决策支持.

(7) EnCurrent垂直轴潮流能发电装置

加拿大New Energy Corporation 设计的EnCurrent垂直轴潮流发电系统^[16]，叶轮结构形式采用的是固定偏角四叶片装置，如图 9所示，此潮流发电系统采用的是双体船形式漂浮结构，该公司的5 kW和25 kW机型已经在加拿大有多个成功应用案例. 目前该公司正在开发125 kW和250 kW机型.

(8) Pulse潮流能发电装置

英国Pulse Tidal公司Pulse100装置采用上下振荡水翼技术(图 10)^[17]，由桩柱、摇臂和翼板组成. 摇臂根部与立柱铰接、端部与水平翼板连接，潮水绕流翼板的升力使翼板和摇臂绕铰接点上下摇(振)荡，并驱动摇臂和立柱间的油缸转换为高压，液压马达带动发电机发电. Pulse适应双向潮流、液压系统易于能量稳定和存储、叶片结构较简单，但监控系统复杂. 2009年9月，100 kW装置投放于River Humber，累计运行超过2年，由于在液压传输和机械传动方面损失能量较多，装置整体能量转换效率仅为20%. Pulse Tidal公司正在进行优化研究，以期将总体效率提升至30%.

2.2.2 潮流能发电装置测试场

欧美等发达国家不仅潮流能发电装置研发上发展较为迅速，同时在试验场建设方面也已经有一定的基础，为技术开发和商业化示范提供着专业服务条件. 这些试验场的建立大大推动了潮流能开发利用的商业化进程.目前已经建立的潮流能试验场如表 3所示^[18-19].

表中，由苏格兰政府和奥克尼群岛议会等9家政府、企业和组织共同投资设立的欧洲海洋能中心(EMEC)最有代表性，该中心是至今世界上唯一被认可的波浪能和潮流能发电装置并网运行测试实验场.2006年首套潮流能发电装置"Open-Centre"投入并网运行试验和测试，至今已有多套装置进行并网运行试验和测试，完成或正在测试中的装置见表 4^[18].

2.2.3 小规模潮流能示范电场

随着技术不断成熟，目前已有公司开始潮流能发电场的建设. Marrine Current Turbine公司已经开始进行8 MW和10 MW的潮流能发电场建设计划. 韩国的全罗南道莞岛正在建设两座大型潮流能发电场，一座是由韩国Midland公司与英国Lunar Energy公司合作建设的位于Hoenggan的潮流能发电场，计划将安装300台1 MW的潮流能发电装置，2009年1 MW的样机已经通过测试，整个工程计划于2017年完工；另一座潮流能发电站称为"海龟"发电场，由韩国的Voith Hydro公司提供设备，发电场总装机容量达600 MW，预计2018年全部完工. "MeyGen"是目前比较著名的一个项目，MeyGen公司是由摩根士丹利公司(Morgan Stanley)、燃气苏伊士国际能源公司(GDF SUEZ Energy International)、英国亚特兰蒂斯资源公司(Atlantis Resources Corporation)三家企业合资成立. 该项目计划在苏格兰安装将近400个潮流能发电机组，总装机功率达到398 MW^[20]，计划2016年开始发电，2020年全部完工^[21]. 2015年7月9日，英国政府批准了耗资10亿英镑的位于威尔士南部海岸斯旺西湾的潮汐泻湖项目，将英国的海洋能产业带入关键时刻.

加拿大的新斯科舍省的芬迪湾(Force Bay of Fundy)，以其良好的自然资源和立法，吸引了许多潮流能开发公司的兴趣，正在成为世界潮流能开发中心^[21]，并有多个潮流能项目建设计划.

2.3 国内发展现状

我国在潮流能的利用方面起步较早，20世纪70年代末，浙江省舟山市的何世钧研制了一种水轮机，结构形式和船用螺旋桨相似，并在舟山群岛西候门进行了现场测试. 我国潮流能研究前期发展较为缓慢.直到2010年，国家财政部设立海洋可再生能源专项，每年投入2亿资金用于海洋能利用相关技术研究，从政策面和资金面双管齐下推动海洋能的开发应用，将大型国有和民营企业、高等学府、研究机构吸引到海洋能技术研发队伍中，掀起了我国海洋能技术研究和示范应用的高潮，潮流能技术开发也进入快速发展时期.至今，中国在潮流能转换与发电系统的设计方法研究、关键技术和试验装置研发等方面取得了长足的进步，哈尔滨工程大学、浙江大学、东北师范大学、中国海洋大学、中海油研究总院、国电联合动力技术有限公司、哈尔滨电机厂有限责任公司等单位开发了垂直轴、水平轴式装机功率100W~600kW不同形式的潮流能发电机和漂浮式、座底式和固定式的支撑技术，积累了一定的海试经验.以下为目前具有代表性的装置.

(1) "海明I"10 kW潮流能发电装置

"海明I"10 kW潮流能发电装置由哈尔滨工程大学研发，如图 11所示，该装置采用水平轴定桨距直驱潮流能发电机，支撑结构为坐海底式.三腿底座支撑一个框架和水轮发电机，整个结构重20吨，必要时吊出水面进行维护.开发了高效扩张型导流罩和自适应换向机构，导流和无导流两叶片叶轮直径分别为2和2.5 m，自适应180°换向尾翼使叶轮自动迎着双向潮流运行，避免电缆缠绕. 整体结构9.0 m×7.5 m×6.5 m，重20 t.2011年9月底投放于岱山县小门头水道运行至今，发出的电力与岸上1 kW风电集成互补为"海上生明月"灯塔照明和供热.期间，先后进行有、无导流罩的装备运行测试：在2.0和2.3 m/s流速下，导流和非导流型发电功率均为10 kW，系统效率分别为78%和34.5%^[8].

(2) "海能I"2×150 kW潮流能发电装置

"海能I"2×150 kW潮流能发电装置采用漂浮式垂直轴叶轮直驱发电机方案(图 12). 由4套锚系固定的双体船载体(长24 m、宽13.9 m、型深3.0 m)搭载2台150 kW机组和控制设备；叶轮直径4 m. 该装置采用了两套不同的叶轮，其中一个叶轮采用 4个可变桨距叶片，另外一个叶轮采用的是十字交叉叶轮，2台低速发电机独立运行，发出的电力通过350 m海缆上岸. 2012年8月安装于龟山水道测试运行.

(3) "海能Ⅱ"2×100 kW 潮流能发电装置

"海能Ⅱ"2×100 kW潮流能发电装置由中海油研究总院联合哈尔滨工程大学研制，采用的是漂浮式2叶片水平轴变桨距叶轮直驱发电机方案(图 13). 由4套锚系固定的"中"字型载体搭载2台100 kW机组，可升降维护；叶轮直径12 m，额定流速1.7 m/s，2台永磁低速发电机独立运行. 2013年6月安装于青岛市斋堂岛海域，发出的电力通过1 km海缆上岸接入中央控制室500 kW多能互补独立电力系统，该装置累计完成3个月试运行，发电装置能量转换效率在34%左右^[22].

(4) 20 kW桁架座底潮流能发电装置

20 kW桁架座底潮流能发电装置是由东北师范大学研制.东北师范大学先后研制了1 kW和2 kW低流速潮流能发电实验装置，并进行了海上拖曳试验.20 kW桁架座底潮流能发电装置于2013年4月底装于斋堂岛水道测试运行(图 14).采用四腿支架支撑四叶片定桨叶轮和直驱发电机，开发了自适应180°换向尾翼使叶轮迎着双向潮流运行，避免电缆缠绕，支架上部平台在水面以上以提升机组，海缆输电上岸.装置重28 t，设计流速2.1 m/s，额定转速40 r/min ^[8].

(5) 浙江大学60 kW漂浮式潮流能发电装置

浙江大学也是最早进行潮流能研究机构之一，先后研制了5 kW和25 kW潮流能发电^[23]. 浙江大学研制的60 kW半直驱潮流能发电机组(图 15)，安装在舟山的摘箬山岛海域，该机组采用的是水平轴三叶片水轮机，半直驱式传动系统，支撑结构采用的是漂浮式载体，2014年完成了海上安装，并成功发电. 经测试该装置能量转换效率为39.26%.

(6) 50 kW座底式潮流能发电装置

图 16所示的50 kW座底式潮流能发电装置是中海油研究总院联合中国海洋大学研制，该装置采用的座底式支撑结构，发电机组采用的是水平轴变桨距半直驱方案. 叶轮直径10.5 m，整体18 m×12 m×17.5 m^[24]. 至2013年7月，2台50 kW已完成岸上组装，8月安装于青岛市斋堂岛海域，通过1 km海缆上岸接入中央控制室500 kW多能互补独立电力系统.

总体来说，国内潮流能技术和国外先进水平还有一定差距，国内百千瓦级的装置还都处于研发阶段，而国外已经有多个兆瓦级示范项目，这些兆瓦级示范项目为以后潮流能的商业开发积累了丰富经验，因此加快我国潮流能发电装置的研发已势在必行，避免像风力发电技术一样长期由国外技术垄断.

3 潮流能开发利用关键技术

潮流能能否有效利用的关键在于其发电成本是否具竞争性，下列要素是决定发电成本的关键：

(1) 能量转换技术，即潮流能水轮机研制技术；

(2) 传动系统与发电机设计选型技术；

(3) 潮流能发电阵列布置技术；

(4) 海上电网构建技术；

(5) 支撑结构设计及安装维护技术.

3.1 能量捕获与转换

潮流能发电的第一关键要素就是捕获海水携带的动能并将之转换为机械能或液压能.水轮机是潮流能量转换的关键部件，直接影响整个系统的性能.按叶轮结构形式将水轮机分为水平轴式、垂直轴式、振荡水翼式和其他形式.目前国际上采用较多的是水平轴和垂直轴水轮机. 表 5列出了水平轴水轮机与垂直轴水轮机的特点^[25].

由于水平轴水轮机在总体结构和效率上的优势，已经成为潮流能发电装置采用的主流技术.根据国际可再生能源协会2014年统计，现有潮流能项目中，76%采用水平轴水轮机，12%采用垂直轴水轮机^[26]. 2011年,76%的研发资金投向了水平轴水轮机，2%的投向了垂直轴水轮机^[27].

众多的研发者将目光转向水平轴水轮机，为进一步提升获能效率开展研究，一方面针对潮流的往复和流速变化特性研究变桨距技术以捕获较多的动能，另一方面对叶片的形状进行研究以将捕获的动能高效地转换成为电能.

3.1.1 变桨距机构

变桨距技术在风力发电行业已成熟应用. 潮流能水轮机的变桨距系统借鉴了风力发电机的原理和思路，主要有两个作用：一是根据潮流的往复特点，调节叶片的桨距角使得叶片正对潮流的来向，以捕获最大动能，使水轮机更容易起动，降低启动流速，在涨落潮时都能高效运行；二是当潮流流速超过额定流速时调节桨距角减小叶片捕获的动能，以保证水轮机高效工作在额定功率状态. 通过调节桨距角，提高水轮机的启动特性和运行的可靠性，延长水轮机在一个潮流周期中的工作时间，实现总的获能效率提升.

变桨距系统按原动机的动力不同可分为液压式和电动式.液压驱动变桨距系统是利用液压缸作为原动机，通过曲柄滑块等机构推动桨叶变桨.电动变桨系统是利用伺服电机作为原动机，经过减速器带动桨叶变桨^[28].液压执行机构具有单位体积小、重量轻、动态响应好、转矩大、无需变速机构且技术成熟等优点；电动执行机构以适应能力强、响应快、精度高、结构简单、无泄漏、无污染和维护方便等优点.从功能上来说，液压变桨和电动变桨两种形式没有优劣之分，目前在潮流能发电装置中均有应用，电动方式要更多一些，具体哪种形式更适合，还需进一步的研究和验证.基于变桨距技术的优势，变桨距技术在潮流能发电装置的应用越来越多^{[10, 12-13]}，如国外的"SeaGen"、TGL500、HS1000，国内的"海能Ⅱ"等都采用了变桨距技术.因此随着技术的不断成熟，潮流能发电装置中采用变桨距技术是未来的发展趋势.

3.1.2 叶片设计

叶片是水轮机的重要部件，叶片的数量和叶形对潮流能水轮机的性能有很大的影响.从理论上讲叶片数量越多，水轮机的密实度越高，获能效率越高，在工程实施时叶片数量多会导致制造费用高、设备重量大、运输安装困难等问题，为降低制造难度和工程成本，基于风力发电机的经验现有潮流能水轮机大多采用2~3个叶片.MCT的SEA-GEN系列和500 kW海洋能独立电力系统示范工程中的100 kW的水轮机采用2叶片，阿尔斯通1 MW潮流能发电装置和500 kW海洋能独立电力系统示范工程中的50 kW的水轮机采用3叶片,从500 kW海洋能独立电力系统示范工程的100 kW和50 kW潮流能发电装置的试运行数据来看，3叶片水轮机发电机组和2叶片水轮机发电机组的系统效率相当. 因而叶片技术的关键是研究出的具有良好获能特性的叶形.通常的叶形设计方法是根据海域环境和潮流能资源条件，从已有的叶形库中选取相应的叶形进行优化，得到水动力性能较优的叶形设计参数.目前叶形优化大多采用动量-叶素理论结合CFD方法、Wilson方法、遗传算法等对叶片进行优化研究^[29-31].挪威船级社推出了专业的水轮机设计软件Tidal Blade，可用于考虑实际海洋环境条件下，潮流能发电装置水轮机水动力学性能、稳态载荷和功率曲线、发电装置疲劳和极限载荷等计算分析，为叶片设计提供了良好的工具^[32].

3.2 传动系统与发电机

传动系统同样是整个发电系统的关键环节，系统设计的优劣直接影响着系统总体效率、启动流速、可靠性和成本等.目前，传动系统结构有3种：传统结构、半直驱和直驱式结构.

传统结构的传动系统由多级变速齿轮箱组成. 其优点是可采用常规的发电机；缺点是多级变速的齿轮箱增加了系统的损耗，降低了能量的利用率，同时高速运转齿轮箱也是发电系统中易过载和损坏的部件，导致维护频度大、成本高，在小功率的潮流能发电机组中应用较少. 直驱结构省去了齿轮箱，水轮机与发电机直接耦合. 优点是简化了传动结构、增加了系统的可靠性，改善了传动系统各部件的受力状况，降低了运行噪音，也有利于提高系统的效率. 由于省掉了齿轮箱，简化了潮流能发电系统的制造和维护，由此降低了潮流能发电的总体应用成本. 缺点是需采用低速发电机，相同功率时发电机的体积和重量远大于常规发电机. 半直驱一般采用一级增速比较小的增速齿轮箱，介于传统结构和直驱式结构之间，在一定程度上化解了传动机构复杂和发电机体积之间的矛盾. 目前在中、大型潮流能发电装置中采用半直驱传动系统的较多.

无论是直驱还是半直驱式结构，都要求发电机为低转速发电机. 目前潮流能发电装置中多采用永磁同步发电机. 低速永磁同步发电机与传统的永磁同步发电机相比具有低电压、大电流、高转矩等优点，缺点是体积大、效率低、成本高、电压调整率高. 因此开发出体积小、重量轻、效率高、成本低的低速永磁同步发电机是未来努力的方向.

3.3 潮流能发电阵列布置

由于潮流流速、水深、制造、运输、和安装等条件的限制，潮流能发电机的单机容量较小，目前准商业运行的最大单机容量大多小于1.5 MW.如同风力发电场，潮流能发电场需要数十台甚至数百台潮流能发电机组并网运行.优化潮流能发电设备的布局是发电场建设的一个重要环节，它直接影响到发电场的经济收益、建设费用和日常维护费用，是潮流能发电场能否实现商业化运营的关键之一.研发阵列布置技术的核心工作是分析和研究潮流能水轮机在不同布局、不同工况下形成的尾流场对周边及下游海域的流场的影响，确定水轮机横向和纵向布置的最小间距，在单位海域内布置最多的潮流能水轮机.目前，许多学者对多机组阵列的排布和尾流场进行研究，比如：南安普顿大学的L.E. Myers以及A.S.Bahaj教授，用带孔的圆盘代替水轮机来模拟尾流场变化；韩国西江大学的Seung Ho Lee以及Sang Hyuk Lee教授用静止的转子代替转动的转子研究了水轮机在湖畔和海边的尾流场情况；英国斯旺西大学的R. Malki和I.Masters教授也对尾流场有过深入研究^[33]. 也有公司在开发商业的Tidal Farmer软件，为潮流能发电场的布置提供设计工具. 当然，在阵列布置时还要考虑机组安装和维护所需的空间.

3.4 海上电网构建

海上电网是潮流能发电场必不可少的部分. 在MCT的成本分析中，电网建设占总成本的15%. 发电场离岸距离越远，电网建设的费用越高.目前常用单机升压电力输送方式，即单台发电机组发出的电能在海上升压后采用单独的海底电缆输送到岸上基站.这种方式的优点是海上设备简单、维护方便，缺点是电站规模较大时，电缆数量增多，材料成本和安装维护成本大幅度增加，影响电站的经济效益. 开发海上汇流装置势在必行.借鉴海上风电站的建设经验，潮流能电站海上汇流有直流汇流和交流汇流两种方式^[34].交流汇流是指各潮流能发电机组发出的电能通过逆变器或者交流控制器转变成稳定的交流电后汇集到交流母线，直流汇流是指各发电机组的电能通过整流及DC/DC 变换器转变成相对稳定的直流电汇入到直流母线^[35].有些机构正在研究水下汇流基站(subsea electric hub)，为未来大规模开发潮流能发电场提供技术支持.

3.5 支撑结构

所有的潮流能发电装置都需要一个支撑结构将其固定在指定海域，并抵御海上各种恶劣条件.采用何种支撑结构，需要综合考虑所在海域的水深、海底地形和地质构造及安装维护的可行性.目前，常用的支撑结构有座底式、桩柱式和漂浮式3种.座底结构：通常由一个大体积混凝土和钢架组成，依靠结构的重量将发电机组固定在海底.桩柱结构：将一个或多个钢柱钻或钉入海底来固定发电机组.漂浮式：通过刚性或柔性的锚链将载有发电机组的浮体固定在海上^[36].表 6给出了不同支撑结构形式的主要优缺点^[37].

根据文献^[37] 2009年统计结果，支撑结构形式应用比例如图 17所示，从结果可以看出：采用座底式的最多，其次是漂浮式.在潮流能研究初期，采用桩柱式和座底式的较多. 随着研究的深入和技术的提高，漂浮式的采用逐渐增多，根据文献^[26] 2014年统计，36%的项目采用了漂浮式支撑结构，例如MCT公司和Bluewater公司合作联合开发漂浮式的"Seagen F".主要是因为漂浮式运输方便，对水深和海底地形、地质条件要求较低，同时可为装置提供较好的维护条件. 具体采用哪种支撑结构形式还需要根据实际项目的海洋环境而定.

3.6 潮流能开发利用面临的力学问题

潮流能发电装置的能量转换效率和可靠性是潮流能开发利用面临的关键技术问题，也是潮流能推向产业化有效开发的主要瓶颈. 实现能量转换效率的提升，首先亟需解决潮流能开发装置研发过程中的基础力学问题. 虽然潮流能开发利用可以借鉴风电和海洋工程设计理论和经验，但潮流能特点及所处海洋环境衍生了技术上特殊的难点，对相关力学研究提出了挑战. 在潮流能开发装置设计中，提升能量转换效率面临的力学问题主要体现在以下几方面：

(1) 高效水轮机叶片外形设计的流体动力学.

(2) 风、浪、流等水文气象要素对潮流能发电装置的作用、载荷及其对能量转换效率的影响分析，特别是潮流流速、流向变化所产生的相关影响分析.

(3) 潮流能发电装置多体耦合影响分析，例如：漂浮式支撑结构及其运动对水轮机的载荷和能量转换效率的影响分析等.

此外，在提升潮流能发电装置的可靠性、降低工程成本等方面，也涉及到许多流体力学和固体力学的问题.

4 潮流能开发利用技术研究展望

由于能量的可预测性和储量的丰富，潮流能开发技术是各海洋能开发技术中除潮汐能外最为成熟的，世界先进水平的技术成熟度达到了8级，已签订合同或理解备忘录开始研建多机组、总装机功率数百兆瓦的潮流能商业化示范电场，开始商业运营相关的系统集成技术、安装维护技术、成本核算技术等研究^[38]. 我国2010年设立海洋可再生能源专项资金，支持海洋能发电示范工程的建设，建成了以水平轴潮流能发电装置为核心的500 kW海洋能独立电力系统等示范工程，迈出了潮流能开发示范研究的坚实步伐，国内领先水平的技术成熟度达到6级左右. 开发成本是制约潮流能商业化应用的关键，潮流能发电成本至少降到现有成本的50%时才具有商业竞争力^[39-40]，扩大开发规模、提升技术水平、形成产业链是关键.

4.1 国外潮流能技术研究的重点

世界各国潮流能开发技术研究进展不一，欧美等国已开始准商业化应用研究，持续支持潮流能发电技术的示范和电网建设是推动其产业化发展的关键，在此阶段需要重点研究和突破的关键技术是潮流能阵列布放技术、海上电网构建技术、装置运营和维修技术^[38]，同时开展关键元件的性能测试和优化，提升设备的可靠性和生存能力. 通过准商业化的研究和运营，形成研究、开发、创新和示范机制，构建潮流能发电产业链、制定相关标准和规范，指导产业设计和管理，进一步提升设备的可靠性、可用性和生存能力，确保设备长期稳定运行，降低发电成本.

4.2 我国潮流能技术研究的重点

我国潮流能开发利用的原理研究比较成熟，示范运行的测试数据表明，系统发电效率居国际先进水平. 通过海洋能示范研究发现，各项技术在实际应用中可靠性较低，以下技术仍需研究和突破：

(1) 发电机组及水下设备的密封技术；

(2) 发电装置模块化设计、制造与性能测试技术；

(3) 水平轴水轮机高效率叶型设计技术；

(4) 高可靠性叶片结构设计、制造与检测技术；

(5) 海洋环境对潮流能发电装置性能影响分析技术；

(6) 发电机组的运输、安装与维护技术等.

5 我国潮流能开发利用的建议

(1) 加强关键技术应用研究

在潮流能开发利用关键技术研究方面，我国目前已经基本掌握了潮流能发电装置设计的核心技术，根据多个已建示范工程项目实际情况，可以看出在关键技术的应用方面还存在着诸多问题，在潮流能开发利用关键技术应用研究方面，我国展开的研究还比较少，因此为了推动潮流能利用产业化，建议我国潮流能研究重点应放在关键技术的应用研究方面.

(2) 大力推进实验区、实验场建设

目前我国海洋能技术在转换效率、可靠性、经济性以及示范规模上与国际先进水平仍存在差距，海洋能发电装置的产业化还未形成，基础研究与产业化严重脱节，究其原因，缺少完备的海洋能综合测试平台和完善的测试标准体系与评价方法，是制约我国潮流能技术成果转化和潮流能产业发展的主要瓶颈. 建议通过加强选址研究，以解决海岛、大型海上生产设施的用电为重点目标，积极开展潮流能实验区、试验场建设，促进关键技术的突破和商业化应用，更好地支持我国海洋经济的发展.

(3) 加快相关标准的制定

我国已进入潮流能开发利用示范研究阶段，亟需出台相关标准和规范来支撑技术发展的需要. 国际上目前仅有欧洲海洋能研究中心(EMEC)于2009发布了潮流能开发的相关导则^[41]. 国内潮流能利用相关标准尚处于起步阶段，相关标准基本空白. 因此，我国应该加快制定潮流能利用相关标准.

(4) 在海域使用和资金方面出台支持政策.

资金和示范海域不足严重影响了潮流能开发技术的示范研究和成熟度提升. 建议国家出台相关政策支持潮流能技术研究，对用于公益事业、研发工作的海域使用开通绿色通道，或由国家规划具备资源条件的公共海域. 供科研院所、企业进行海洋能试验研究.

6 结束语

潮流能作为重要的海洋资源，有望成为未来能源的重要补充，对解决海岛能源供应具有重要意义. 近年来，在海洋可再生能源专项资金和相关政策的支持下，我国潮流能利用技术研究有了快速的进步，示范工程的建设，为关键技术的深入研究提供了必要的场地. 但是潮流能利用的产业化仍然任重道远，还需要资源、政策等方面的支持，需要加强关键技术应用研究. 解决潮流能开发利用面临的力学问题，为提升能量转化效率和设备的可靠性奠定理论基础，给潮流能开发利用装备设计提供关键的指导，具有重要的工程实际意义. 展望未来，随着技术的不断成熟，潮流能有望象今天的风能、太阳能一样，成为我国能源供给的重要部分.