欧盟联合研究中心提出海洋能源未来十大新兴技术 - 海洋能源技术

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近日，欧盟联合研究中心（JRC）发布《海洋能源未来新兴技术：创新和改变游戏规则》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产业发展的新兴技术，并详述了每种技术的进展情况。报告要点如下：

1、第一代潮流能转换器

（1）技术描述：第一代潮流能转换器具备两个特征，即：①底部固定；②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。然而，要在成本上具备竞争力不仅需要高效捕获和转换流体动能，还需易于在海底环境中安装、调试和维护。

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（2）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 MW，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 MW，可能增长至2~2.5 MW。功率为100~250 kW的小型设备已投入使用并可能实现升级。

2、潮流能涡轮机创新转子技术

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（1）技术描述：许多创新技术可以为潮流能涡轮机带来显著变化，包括：①可变桨距偏航涡轮机，能够改变迎角以控制吸收和发电量；②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；③湿式涡轮机，在海水浸没条件下运行；④直接驱动动力输出（PTO）系统，减少能量转换的损失。

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（2）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 kW~2 MW范围，开发速度中等偏慢。

3、漂浮式潮流能概念

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（1）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 kW到2 MW，将转换器组件（PTO、变频器）配置在浮动平台中便于维护。

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（2）技术进展：一些漂浮式潮流能平台已经发展至较高阶段，Scotrenewables开发的SR1-2000设备已经向电网输送超过2 GWh的电量。Sustainable EnergyMarine公司开发的Plat-O和ThePlat-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 MW。技术开发速度为中等/快速，尤其是使用先进涡轮机的情况。

4、第三代潮流能转换器

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（1）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。

（2）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。

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5、第一代波浪能概念的新方法

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（1）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。

（2）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。

6、第二代波浪能转换器

（1）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。

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（2）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。

7、创新潮流能和波浪能动力输出技术（PTO）

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。七类技术详见表1。

表1  7种类型PTO技术及其进展

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技术

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描述

技术进展

机械PTO

通过机械系统转换输入能量，通过齿轮箱驱动发电机。研究在启动发电机前将装置的非旋转振荡运动转换为旋转运动，实现无齿轮的直接驱动

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TRL：5~7级，开发速度中等，规模在100 kW~1 MW

直接驱动系统

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输入的机械能直接通过发电机转化为电能，包括线性和旋转两种方案，均采用永磁电机。主要技术挑战：运行在海洋环境中、轴承、最佳结构、规模扩大和与WEC集成、可靠动力转换、冷却系统、集成磁性齿轮以提高效率、使用弹簧

TRL：3~6级，开发速度中等，规模在25 kW~250 kW

介电弹性体

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介电弹性体发电机（DEG）是高度可变形的固态电容器，可将变形所需的机械功转换为储存的静电能

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TRL：2级，规模可能只有几千瓦，开发速度快

液压系统

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液压系统将波浪能转换器与发电机连接，通过主体运动将能量输送至液压马达驱动发电机发电

TRL：3~7级，开发速度中等，功率最大达MW级别

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气动式

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气动PTO用于振荡水柱（OWC）波浪能转换器中，将气动力转换成电力。已开发出双径向涡轮机，脉冲和定向涡轮机以改善OWC性能。陆上OWC系统的研究重点是将涡轮机与漂浮式OWC相结合

TRL：6~8级，开发速度慢，规模大于500 kW

水轮机

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通常用于船舶螺旋桨和水力发电，已经具备成熟供应链，运行效率超过90%，但在海洋能发电的应用尚不成熟

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TRL：3~4级，开发速度快，规模几百千瓦到几百兆瓦

惯性系统

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通过大量惯性满足PTO条件，可通过优化控制调节PTO动态参数（弹簧常数和阻尼）来吸收最大能量

TRL：6~7级，开发速度中等，规模达MW级

8、控制系统

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（1）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：①锁定控制，用于相位控制，需快速响应PTO；②被动控制，根据海况调整阻尼；③反应控制，控制系统动态调整弹簧刚度、惯性和阻尼等常数。

（2）技术进展：真实海洋测试的装置TRL在2~7级范围变化。

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9、系泊和站台系统

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（1）技术描述：石油＆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：①采用定制橡胶和/或弹簧作为系泊线以提供特殊刚度，减轻或避免碰撞；②采用可承受压缩载荷的系泊腿；③通过浮力组件保持线路松弛；④失去张力时用绞盘系统拉紧；⑤更准确的仿真工具以预估短期负载。

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（2）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。

10、材料和部件

海洋能源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，用于海洋能发电的材料和部件相关技术见表2。

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表2  海洋能发电材料和部件相关技术及其进展

技术

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描述

技术进展

储能单元和功率输出平滑

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目前在研究的潮流能储能是评估海上产氢。在功率平滑输出方面，应尽可能在转换环节平滑功率。也可采用飞轮储能、抽水蓄能等常规方案，但必须优化方案以适应波浪能转换器的动态变化

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海洋能储能技术的TRL处于中等水平，开发速度将很快，规模约几兆瓦

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海水密封和润滑油

对于潮流能发电，大型水平轴涡轮机在30米水位情况下用唇形密封，更深水位则使用机械密封。大多数WEC依赖运动部件之间的密封连接件，但易导致大量摩擦损失。需开发满足海洋能转换器要求的密封件和润滑油

通过技术转移可达到很快的开发速度

弹性体

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通过使用可变形织物/弹性体结构进行波浪能转换有可能在不影响性能的情况下提高生存能力并降低成本

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TRL：3级，开发速度中等

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先进混凝土

混凝土适合WEC结构制造，成本低且具有高刚度和良好疲劳特性，通过形状设计以适应最佳流体动力学形式

TRL：3级，开发速度快，规模：兆瓦级

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充气结构材料

正在研究可充气结构材料，以降低技术成本并提高设备生存能力。可充气材料提供了减轻重量和优化安装的解决方案，在TRL非常低的情况下，需要进行重点研发以评估应用于海洋能的潜力和可扩展性

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TRL：1~5级（与气罐测试有关），规模：可扩展至兆瓦级，开发速度快

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柔性叶片材料

柔性叶片可调节和减少潮流能涡轮机负荷，减轻潮流剪切层、湍流的影响，降低结构疲劳，减少过度设计，降低故障和成本，提高寿命、效率和可靠性

TRL：1~3级（与概念设计有关），规模：可扩展至兆瓦级，开发速度快

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混合旋转模塑

旋转模塑制造工艺可极大降低成本，聚合物具有抗疲劳和耐腐蚀特点，混合旋转模塑结构的混凝土压载材料有助于结构强度和点载荷设计

TRL：1~2级（与概念设计有关），规模：可扩展至兆瓦级，开发速度快

动态电力电缆

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目前正用于漂浮式海上风电的稳定电力传输，需向进行海洋能发电的技术转移。已有Hydro Group等公司在生产商业柔性电缆，但需要低成本的高功率连接/断开系统从阵列中移除设备

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漂浮式风电的TRL为7级，潮流能和波浪能应与其相似，规模可扩展至多兆瓦，开发速度快