Alistair G.L.Borthwick

School of Engineering, The University of Edinburgh, Edinburgh EH9 3JL, UK

Research Renewable Energy—Review

海洋可再生能源的前景

Alistair G.L.Borthwick

School of Engineering, The University of Edinburgh, Edinburgh EH9 3JL, UK

a r t i c l e i n f o

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Received 22 February 2016

Revised 5 March 2016

Accepted 7 March 2016

Available online 31 March 2016

海洋可再生能源

海上風電

潮流

洋流

潮差

波浪能

海洋熱能

生物能

可持續(xù)性

以化石燃料為基礎的發(fā)電方式會產生大量二氧化碳，從而導致全球氣候變暖。我們需要采取行動減少化石燃料的使用和二氧化碳的排放。海洋能源存在巨大潛力，但是其開發(fā)還面臨著跨學科的技術、成本、投資、環(huán)境影響和政府政策等方面的問題。本文簡要介紹了海上風電、潮流、洋流、潮差、波浪能、海洋熱能、鹽度梯度、生物能等方面的內容，簡述了開采海洋可再生能源需要進行研究的領域。這些領域包括能源存儲、高級材料、機器人和信息學。本文以可持續(xù)性的角度從倫理、立法、監(jiān)管環(huán)境、政府政策、經濟、社會和環(huán)境制約等方面給出了海洋可再生能源發(fā)展的要求，強調我們亟需富有鉆研精神的新一代科學家解決海洋可再生能源面臨的重大挑戰(zhàn)。

? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1.引言

能源是19世紀工業(yè)革命的動力，也是21世紀信息技術革命的動力。現(xiàn)今，世界總人口超過70億。經濟合作與發(fā)展組織(OECD)指出發(fā)達國家的人均能源使用量很高，每年人均使用的油當量為4.4 t [1]，發(fā)展中國家的人均能源使用量也逐年升高?，F(xiàn)在最主要的能源是化石燃料，如煤炭、石油和天然氣。最近石油價格的波動對整個能源行業(yè)都產生了巨大的影響。從2014年中期到2015年初，每桶石油的價格從100美元下降到低于50美元，使天然氣和煤炭的市場價格也被調低[2]。世界的能源需求量將會不斷上升，但從長期來看化石燃料的存儲確實是有限的。數(shù)據顯示，過去27年能源領域的全球碳排放量和此前多年的總量相當，化石燃料使用量占一次能源結構的80 %以上[2]。過去30年的溫室氣體排放量增長了約50 %，碳排放量占當今全球溫室氣體排放量的60 %。2014年，煤炭、天然氣和石油燃燒產生的碳排放量分別占總排放量的44 %、20 %和35 %，同時排放出大量其他溫室氣體如甲烷和二氧化氮[2]?；剂先紵a生的碳排放量正加速氣候變化。根據美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的報道[3]，“2015年前7個月世界大陸和海洋的氣溫是有歷史記錄以來最高的，比20世紀的平均氣溫高0.85 °C?！边@個數(shù)據說明危機正在來臨。

很多政府部門正制訂使用可再生新能源的方案以緩解人為導致的氣候變化，解決未來可能面臨的化石燃料枯竭問題，保障國家能源安全。能源工程師是解決問題的關鍵。提高能源利用率對經濟和環(huán)境來說都是有益的。例如，改善發(fā)動機可以使發(fā)動機燃燒效率高達60 % [4]，比現(xiàn)在的40 %的峰值還高。然而，預測模型和發(fā)動機技術還必須加以改進，以制造出燃燒效率更高、碳排放量更低的發(fā)動機。未來發(fā)動機還需具有使用可替代燃料的能力。碳捕獲與封存(CCS)就是一種接近零排放的技術，它能夠分離出發(fā)電廠和化學工廠產生的二氧化碳，然后把它封存起來，從而避免了二氧化碳向大氣中的排放。雖然CCS技術很昂貴，但它能對燃氣輪機發(fā)電站進行脫碳，從而減少二氧化碳向大氣中的排放量[5]。

其他限制碳排放并能同時縮小能源缺口的方式就是投資核能和可再生能源技術。雖然核能可以源源不斷地供應電能，但是使用核能還存在放射性廢棄物處理、可能的事故(如2011年3月日本福島核電站三個反應堆的核泄漏事故)或對環(huán)境的破壞，以及核武器的擴張等問題。根據國際能源署的報道[6]，“可再生能 源來源于自然，并具有持續(xù)不斷的屬性，它有很多種形式，比如直接來自太陽或地球內部產生的熱能。根據定義，可再生能源還包括來自太陽、風、海洋、水力資源、生物、地熱產生的電力和熱能，還有來自可再生資源的生物燃料和氫氣?！?/p>

2.海洋可再生能源

海洋可再生能源(MRE)包括海上風電、潮流、洋流、潮差、波浪能、海洋熱能、鹽度梯度和生物能等[7]。Krewitt等[8]預計到2050年可開采的海上風電能源可達16 000 (TW·h)·a-1。最近，Capps和Zender [9]計算得出全球海上風電能源約有340 000 (TW·h)·a-1。雖然全球海洋總能源(不包括風能)預計超過2 × 106(TW·h)·a-1[10]，但是可以被利用的能源僅為2000～92 000 (TW·h)·a-1[8,11]。Charlier和Justus [12]估計理論上的潮汐能(包括潮流和潮差)潛力大概是26 000 (TW·h)·a-1，其中8800 (TW·h)·a-1來自淺海盆地；不過，預測的技術潛力更低[8,11]。波浪能總量大概為 32 000 (TW·h)·a-1[13]，其中可開采的能源大約為5600 (TW·h)·a-1[8]。海洋熱能轉換(OTEC)潛力巨大，理論上存在的 能源為44 000 (TW·h)·a-1[14]。鹽度梯度可用能源大約為1650 (TW·h)·a-1[15]。

我們面臨的挑戰(zhàn)就是如何用最少的費用開發(fā)和存儲這些能源。這涉及技術、基礎設施、成本節(jié)約、投資、環(huán)境影響、海洋管理、政府政策和立法等方面的問題。政府對MRE領域的管制比較強。為了能更好地開展工作，我們還需收集海床粗糙度、波面高度、潮流、渦流和湍流等數(shù)據信息。圖1中生長在蘇格蘭海床的極北海帶(Laminaria hyberborea)向我們展示了海床的環(huán)境是多么復雜[16,17]。為了清除MRE系統(tǒng)中的障礙，人們已制定出各種多學科MRE技術發(fā)展方案路線圖(如參考文獻[18,19])，包括設備測試、并網費用和MRE技術的測試(尚無國際測試標準)。小規(guī)模的試點項目對設備的初期測試和優(yōu)化非常重要(如在西班牙坎塔布里亞環(huán)境水力學研究院(IH Cantabria)進行的項目)。而海洋測試站點則可提供試點規(guī)模放大和完整的原型條件。例如，蘇格蘭奧克尼郡的歐洲海洋能源中心(建于2003年，連接14個泊位，在25～50 m處測試波浪和潮汐相關設備)；波浪中心(Wave Hub) (連接4個泊位，水深60～100 m，位于英格蘭康沃爾海岸)；愛爾蘭的高威海灣四分之一規(guī)模測試點和貝爾馬利特全規(guī)模測試點；美國能源部贊助的三個國家MRE中心——西北國家海洋可再生能源中心(NNMREC)，測試點位于俄勒岡海岸、普吉特海灣和華盛頓湖；西南國家海洋可再生能源中心(SNMREC)，在佛羅里達海峽測試相關設備；夏威夷國家海洋可再生能源中心(HINMREC)，主要測試波浪能轉換器和熱能轉換器設備。加拿大海洋可再生能源中心(Marine Renewables Canada)對上述測試中心的信息進行了對比整理 [20]。

圖1.極北海帶(Laminaria hyberborea)生長在蘇格蘭彭特蘭灣水深達30 m的地方[16,17]。彭特蘭灣是蘇格蘭大陸和奧克尼群島之間的一片海峽，是世界上利用潮汐能的最佳位置，潮流速度可以超過5 m·s-1。

下面分別介紹開采海洋能源的不同技術。更詳細的內容可以參考Day等[21]關于MRE設備的文章、Khan等[22]關于海洋渦輪機的文章、Drew等[23]關于波浪能轉換器的文章，以及Adcock等[24]關于潮汐能測試模型的文章。

2.1.海上風電能源

海上風力渦輪機技術來源于由發(fā)電風車改進而來的陸上風力渦輪機(圖2(a)所示為由美國克利夫蘭的Charles F.Brush建立的12 kW風力渦輪機)。海上風力渦輪機一般由三個葉片組成，和陸上風力渦輪機相似，如圖2(b)所示。海上和陸上的風力發(fā)電技術一直在快速發(fā)展，目前最大的風力渦輪機是美國超導公司(AMSC)建造的SeatitanTM10 MW風力渦輪機。其輪軸高125 m，轉子直徑為190 m，轉速為10 r·min-1，葉尖速度接近100 m·s-1，額定功率為10 MW [ 25]。該風力渦輪機的轉子直徑未來可能進一步升級至250 m，額定功率可達20 M W [26]。以這么快的速度運轉，噪聲和葉 片腐蝕是有待解決的問題?？?學家正對海上漂浮式風力渦輪機的深水組裝進行更深入的研究。例如，Principle Power在位于葡萄牙海域的一個漂浮式平臺上安裝了一臺2 MW的海上風力渦輪機，預計將來最大功率容量會達到150 MW [27]。

雖然海上風電技術正在快速發(fā)展，但還是存在一些工程問題。例如，在海洋環(huán)境中海洋基礎設施和懸浮支撐結構的設計和建設；基于3D計算流體動力學(CFD)的渦輪機設計問題；轉子葉片先進材料的使用；更復雜和強大的控 制系統(tǒng)，降低葉片損耗的方法，以及船舶操縱的安全控制；海上基礎設施的共享(如發(fā)電、儲存和海水養(yǎng)殖)。圖3所示為根據CFD模擬出的當風穿過瑞典南海岸Lillgrund海上風電廠的一排渦輪機后產生的效果以及渦輪機后部的3D旋流效果圖。

圖2.風力渦輪機技術的進化。(a) Charles F.Brush的發(fā)電風車，建于1887—1888年(圖片由維基百科提供)；(b) 位于比利時北海桑頓淺灘的現(xiàn)代海上風電場，由瑞普爾(Repower)生產的5 MW軸流式渦輪機組成(圖片由Hans Hiller提供，來自維基百科)。

2.2.潮汐和洋流能源

潮汐能是由潮流經過海岸線地區(qū)時產生的水頭差所形成的。潮汐是海水在天體(主要是月球和太陽)引潮力作用下產生的周期性運動[28]。天體的運動、地球旋轉產生的科里奧利加速度、大陸板塊的存在和海床地形等的影響使研究潮汐更加困難[28]。潮汐變化是可預測的，這是潮汐能的一大優(yōu)勢。洋流是在海洋運動和風力的共同作用下形成的。潮流和洋流的速度通常大于1 m·s-1，因此它們有潛力作為海洋能源被開發(fā)。潮汐能的開發(fā)常集中在特定地區(qū)，如海峽(如加拿大的約翰斯頓海峽、蘇格蘭的彭特蘭灣和新西蘭的庫克海峽)，海角(如威爾士的安格爾西巖礁)，海灣(加拿大的芬迪灣和英國的塞文河)，以及島嶼和陸地之間(愛爾蘭的拉斯林島)，這些沿海地形的幾何形狀有助于潮流的產生。最強的洋流包括北向的佛羅里達海流(從加勒比海到北大西洋方向最終并入墨西哥灣暖流)和南向的阿加勒斯海流(沿南非東海岸)。它們的速度都可以達到2 m·s-1。海洋能發(fā)電和風能發(fā)電的設備環(huán)境有很大不同：洋流的流向比風向更容易被預測；和大氣不同，海洋表面的洋流活動可以增加阻力；海水密度比空氣大800倍，因此能源設備的負荷更大；海洋環(huán)境比大氣更嚴酷。最重要的是，潮汐渦輪機可以改變流場，流場反過來可以提高能源可用率。海上渦輪機對局部洋流的影響可以延續(xù)很長的距離[29,30]。

圖3.Lillgrund海上風電場的計算流體動力學(CFD)大渦模擬3D圖。(圖片由愛丁堡大學的Angus Creech博士提供。)

雖然關于潮汐和洋流開采設備的設計方案有很多，但是極少方案能投入制造和測試(圖4 [31-39])。這些設備可以歸為以下幾類：軸流式渦輪機、雙擊式水輪機、振蕩水翼渦輪機、潮汐帆船和潮汐風箏等。

就像風力渦輪機從流動的空氣中汲取能量一樣，軸流式渦輪機從流動的水中汲取能量。這種渦輪機根據安裝方式不同有水平式和垂直式兩種。風力渦輪機可以由裸露的葉片組成，如圖4(a)所示的Atlantis軸流式渦輪機；可以是導管式的，如圖4(b)所示為應用了文丘里效應的渦輪機，其中的風道可以使風力加速穿過渦輪機；也可以是中央開放式的，圖4(c)所示的風力渦輪機由多個葉片圍繞著一個中心孔洞組成，當風力從中心孔洞穿過時，基準壓力下降，從而質量流量上升。懸臂結構的葉片會承受非常高的負載，這意味著葉片材料的強度和疲勞特性是非常重要的。轉子葉片轉動時，它們轉過的圓面積可用于估算阻塞效應，這個因素會影響推力，并進而影響有效功率。渦輪葉片后面的流場具有非常強的渦流成分。

雙擊式水輪機的概念為我們提供了激動人心的前景。這些設備的配置可以實現(xiàn)高流量阻塞效應，從而實現(xiàn)功率提取最大化。在這種情況下，葉片具有方向性，流體橫穿整個葉片，更像聯(lián)合收割機的逆過程。轉動軸垂直于流動方向，要么水平，要么豎直。Kepler橫向水平軸水輪機(THAWT)設備就基于該原則，如圖4(d)所示。Edinburgh縱軸雙擊式水輪機如圖4(e)所示，葉片垂直排列，兩個末端基本上都受到大型自行車輪的支持，它具有可變螺距及邊緣動力輸出裝置，反向旋轉轉子的直徑為200 m，掃掠面積為10 000 m2，每個轉子產生的功率超過100 MW [35]。如圖4(f)所示，Gorlov螺旋式渦輪機(GHT)本質上是一種改進的Darrieus雙擊式水輪機，配有對稱的 螺旋葉片。GHT在反向流動中工作效果良好。

振蕩水翼渦輪機通過將升力作用于水翼，引起懸臂移動，從而驅動液壓系統(tǒng)中的流體，然后將之轉換成電能。典型的振蕩水翼設備包 括Stingray (150 kW)、模仿魚類推進原理的bioSTREAM(150 kW) (如圖4(g)所示)和由Pulse Tidal發(fā)展的Pulse-System(1.2 MW)的概念。

圖4.潮汐和洋流設備的實例。(a) Atlantis AK1000軸流式渦輪機(1 MW) [31]；(b) Atlantis Solon-K導管式渦輪機(1 MW) [32]；(c) O penHydro中央開放式渦輪機(250 kW) [33]；(d) Kepler橫向水平軸水輪機(THAWT)，是一種雙擊式水輪機(4 MW) [34] ；(e) Edinburgh縱軸雙擊式水輪機的概念(100 MW) [35]；(f) 在美國科布斯庫克灣部署前采用的Gorlov螺旋式渦輪機[36]；(g) bioSTREAM (150 kW)振蕩水翼渦輪機(圖片由BioPower提供) [37]；(h) Minesto深海潮汐風箏[38]；(i) Flumill Archimedes螺旋式渦輪機[39]。

如圖4(h)所示，潮汐風箏渦輪機被拴在吊掛式掃雷臂上于水下“飛行”，并將當前的動能轉化為電能。遵循8字形軌跡，潮汐風箏就能具有潛在的有效性，可在水深60～120 m處、洋流速度為1.2 m·s-1的環(huán)境下操縱。Minesto在北愛爾蘭斯特蘭福德灣測試了翼展為3 m的潮汐風箏，接下來會設計翼展為14 m的潮汐風箏，該風箏在洋流速度為1.7 m·s-1時功率為850 kW。Minesto計劃在2017年研發(fā)一種規(guī)模為1.5 MW的Deep Green渦輪機組，并計劃在未來開發(fā)功率達10 MW的機組。

其他種類的潮汐和洋流風力渦輪機還在研究當中。例如，圖4(i)中的Archimedes螺旋式渦輪機通過潮流驅動螺旋式葉片旋轉來發(fā)電。其他的例子有Atlantis Fanbelt Aquanator 400和潮汐帆船概念渦輪機等。

還有一些有趣的研究主要集中在不確定性、湍流、渦流、波流相互作用[40]、模型放大和環(huán)境影響(如對哺乳動物和生物多樣性的影響)上。例如，暴風雨誘導的波浪可以產生比潮汐流還大的水質點速度。此外，波浪周期與渦輪機轉子的周期是同階的。湍流和大規(guī)模渦流可以對來流的一致性產生影響。這些都可以通過計算機模擬技術來完成預測。研究人員最近通過CFD解決了設備實際規(guī)模下潮汐和洋流渦輪機的湍流問題。在近期模擬(圖5)中，轉子葉片背后重現(xiàn)湍流旋流流動，形成與下游渦輪機和局部環(huán)境相互作用的尾跡。高性能、大數(shù)據計算能夠使這樣的3D計算模型在未來作為常規(guī)工具得到推廣。

實驗室模型和中試規(guī)模的實地測試對這類分析進行了補充，并為深入了解潮汐渦輪機的原位行為提供驗證數(shù)據。圖6(a)顯示了單向實驗室水槽測試下Oxford THAWT渦輪機的成比例模型[41]。圖6(b)顯示了在位于蘇格蘭奧克尼群島北部的歐洲海洋能源中心進行測試的中試規(guī)模潮汐渦輪機[42]。

2.3.潮差

潮差是在一個潮汐周期內，相鄰高潮位與低潮位之間的差值。潮汐磨坊起源于公元早期的幾個世紀，考古學家指出，潮汐磨坊早在羅馬人建立倫敦時和公元6世紀的愛爾蘭就已出現(xiàn)?，F(xiàn)代版潮汐磨坊就是潮堰和潮汐潟湖。潮堰是低水頭水利發(fā)電系統(tǒng)，它橫跨在河口處而形成潟湖。潮差形成的水頭差通過軸流式渦輪機產生電能。表1列舉了世界上不同的潮堰類型[43,44]。

潮堰發(fā)電取決于瞬時水頭，其類型可以分為以下幾種：退潮發(fā)電(水從水槽里流出)、漲潮發(fā)電(水流進水槽里)、雙向發(fā)電和水泵發(fā)電。雖然潮堰可以提供充足能源，但投資和建設的成本非常高，冗長的建設周期抑制了投資的積極性。堰壩開發(fā)商必須考慮航行和航運水位的要求。堰壩可能引起的環(huán)境問題包括潟湖潮汐運動的變化、停滯，水質損失，沉積物運移、鹽度、生物多樣性的變化，以及通過影響潮間期對涉禽產生影響。公共和政治因素也一直影響著潮堰的發(fā)展速度。最近，Waters和Aggidis [45]在一篇綜述中報道了目前最先進的潮差發(fā)電技術，這種技術利用潮汐潟湖、礁石和圍欄發(fā)電，成本相對較低且對環(huán)境的影響也較小，這項技術將會使潮差發(fā)電在未來變得更可行。在英國，科學家一直想利用塞文河口的潮差進行發(fā)電。他們之前提出了一個建設一條長為16 km的攔河壩的方案，這條攔河壩從威爾士加迪夫的Lavernock Point到濱海韋斯頓的Brean Down，使用216臺額定功率為40 MW的燈泡式水輪機，總發(fā)電量可達8640 MW (即17 (TW·h)·a-1) [44]。他們最近提出了斯旺西海灣潟湖的方案。該方案利用16臺雙向燈泡式水輪機，可產生電力320 MW (即0.63 (TW·h)·a-1)。該方案已吸引大量的投資者[45]。降低成本和環(huán)境問題依然是該技術發(fā)展的關鍵障礙。

圖5.潮汐渦輪機設備規(guī)模的CFD模型(圖片由愛丁堡大學的Angus Creech博士提供)。

圖6.潮汐設備測試。(a) THAWT設備的實驗室模型(http：//www.keplerenergy.co.uk/)[41]；(b) 歐洲海洋能源中心的1 MW潮汐設備的中式規(guī)模模型(圖片Atlantis Resources Corporation提供)[42]。

表1 不同潮堰的地點及相關參數(shù)[43,44]

2.4.波浪能

科學家提出了很多波浪能轉 換器的設計方案(圖7 [46-53])。根據參考文獻[7]，科學家設計了50多種轉換器設備[54-56]，包括振蕩浮子式、懸浮鴨式、海蛇式、襟翼式和密閉式等。工程技術人員必須想辦法挖掘發(fā)電潛能，提高發(fā)電效率，降低環(huán)境影響，提高材料硬度和持久度，節(jié)約成本，保證可持續(xù)性。波浪能轉換器發(fā)電量的理論預測正在通過實驗室物理模型研究和現(xiàn)場試驗進行驗證?，F(xiàn)有的實驗室設施包括愛丁堡的圓形造波池(FloWave)和上海、普利茅斯、科克、特隆赫姆、根特等地的矩形造波池。波浪能轉換器現(xiàn)場試驗主要在英國的波浪中心和歐洲海洋能源中心進行。

圖7(a) [46]是Salter設計的一款波浪能轉換器，它在波浪中產生類似點頭的動作，利用該動作抽取液壓機液體或壓縮空氣，然后通過內部的渦輪機把能量轉化為電量?，F(xiàn)場規(guī)模方面，Salter的鴨式波浪能轉換器能以預配置模式布放在海中，以利用當?shù)氐牟ɡ藯l件。圖7(b) [47]為海蛇式波浪能轉換器，波浪通過儀器使部件伸縮和彎曲從而發(fā)電。2004年，由蘇格蘭公司海蛇波浪發(fā)電有限公司(Pelamis Wave Power) (原名為英國海洋動力傳遞公司(Ocean Power Delivery))發(fā)明的海蛇式波浪能轉換器是世界上第一個用于供電的海上波浪能轉換器。圖7(c)[48]是振蕩水柱式波浪能轉換器。它以流動的水作為圓筒內的活塞，當波浪上升時空氣被擠壓出來；當波浪下降時，外部的空氣就會被吸進去。流動的空氣就會通過圓筒頂部的渦輪機發(fā)電。圖7(d) [49,50]為Manchester浮子式波浪能轉換器，該轉換器由許多像鉆頭一樣的裝置組成，這些裝置和半潛的浮子連在一起隨著波浪上下浮動，帶動皮帶輪控制飛輪旋轉，該飛輪與發(fā)電機連接在一起。投入使用后，這種浮子式波浪能轉換器平均可以發(fā)電5 MW，在波濤洶涌的海域使用時可產生更多的電能。Manchester浮子式波浪能轉換器的造型簡單可靠也容易維護——它所有的元部件都在海面上，僅浮子和海面接觸，因此它具有很大的吸引力。在極 端海況下，海浪對鉆機的損害可通過加水以抑制浮子運動的辦法來避免。它可在海面自由漂浮，發(fā)電能力與波浪的流動方向無關。圖7(e) [51]為Archimedes波浪搖擺機，它基于一個拴在海床上的巨大圓柱浮筒建造而成，并在海面至 少6 m以下工作。上部氣缸提供浮力，還包含一個基底氣缸，通過與海浪同步的上下反復運動發(fā)電。2007年，AWS海洋能源公司在奧克尼海岸首次安裝了這種設備，并花費2.5億英鎊安裝了100臺AWS設備，每臺設備的直徑為13 m，高度為35 m，質量為800 t，在直線發(fā)電機的幫助下可以產生1 MW的電力[51]。圖7(f)為Wave Dragon波浪能轉換器，它在高于平均水位的蓄水池中存儲海水，然后通過釋放海水產生電能。Wave Dragon是一種漂浮式波浪能轉換器，它利用系纜索固定位置。圖7(g) [53]是PowerBuoy波浪能轉換器，我們可以把它看成點吸收式波浪能轉換器，通過上下的擺動產生電能，所產生的電能可以借助于水下電纜傳輸?shù)疥懮?，當離岸較遠時也可以直接利用。PowerBuoy由新澤西彭寧頓的美國海洋能源技術公司(Ocean Power Technologies, OPT)制造。這種設備占地面積小，在波濤洶涌的海域也能工作，并且適用于OPT的海上風電場。安裝在PowerBuoy上的傳感器可以監(jiān)控當?shù)氐沫h(huán)境狀況， 并在極端天氣情況下自動鎖定設備。PowerBuoy已經安裝或計劃安裝在全球范圍內的9個位置，以澳大利亞和美國的海岸為主[57]。

圖7.波浪能轉換器實例。(a) Salter的鴨式波浪能轉換器[46]；(b) 海蛇式波浪能轉換器[47]；(c) 振蕩水柱式波浪能轉換器[48]；(d) Manchester浮子式波浪能轉換器[49,50]；(e) Archimedes波浪搖擺機[51]；(f) Wave Dragon波浪能轉換器[52]；(g) 額定輸出功率峰值為150 kW的PB150 PowerBuoy波浪能轉換器[53]。

最新的模擬方法涉及波浪能轉換器陣列的波浪-電纜模型[58]，該模型整合了波浪流體力學、設備反應、動力輸出裝置、實時控制和電能生產等。這種模擬能預測 波動的時間序列、設備反應、活塞動力、累計氣壓、電源陣列和輸出電壓大小。

2.5.海洋熱能轉換和鹽度梯度能

海洋是存儲熱能的巨大倉庫，約吸收太陽輻射熱量的15 %。海洋熱能轉換(OTEC)概念利用了海洋表層和深層至少20oC的溫度差。該能量轉換方法也適用于熱帶地區(qū)水深達1 km的海域[7,12]。熱能轉換裝置最重要的部件是熱交換器，包括蒸發(fā)器和冷凝器[8]；其運行技術方案有閉式循環(huán)、開式循環(huán)和混合式循環(huán)。盡管小規(guī)模閉式循環(huán)和開式循環(huán)發(fā)電站已經在美國(包括夏威夷)、瑙魯、印度和日本等國家進行測試，但目前熱能轉換現(xiàn)場試驗的費用仍過于昂貴。洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司(Lockheed Martin)估計一座100 MW的OTEC發(fā)電站的商業(yè)成本約為每千瓦10 000美元[59]。另一種海洋能源來源于海水和淡水融合時由鹽度梯度形成的化學勢(如河口的鹽水楔)。利用鹽度梯度發(fā)電的技術包括壓力延遲滲透(PRO)[60]和反向電滲析(RED)[61]。2009年，科研人員在挪威托夫特[7]建立了一個利用PRO法產生滲透壓的5 kW試驗工廠，但是后來由于膜污染而停止運行。2014年，利用了RED技術的中試規(guī)模的發(fā)電站在荷蘭阿夫魯戴克攔海大壩投入運營[62]。在完全實現(xiàn)RED技術的應用之前還需要解決以下技術問題：水中天然雜質對膜的破壞、粒子的過濾、生物污損、多價離子對系統(tǒng)性能的影響、大量抽水過程對海洋生物的影響和內阻最小化[62]。

2.6.海洋生物能

海藻類植物(如海藻)是MRE的潛在來源。這類海洋生物可以通過發(fā)酵產生甲烷和氫氣。循環(huán)經濟概念主要是指：使用MRE維持近海的水產養(yǎng)殖系統(tǒng)；在養(yǎng)魚場周圍種植海藻以控制富營養(yǎng)化；夏季結束時能夠收獲海藻；經青貯預處理的海藻可以全年為沼氣池提供原料；剩余的MRE可與沼氣一起制備氫氣，并通過進一步反應實現(xiàn)從沼氣到生物甲烷的升級(4H2+ CO2= CH4+ 2H2O)，使甲烷產量翻倍；可作為綠色能源氣并入天然氣供應網。從本質上講，綠色能源氣是MRE和海藻中生物能分布的能源載體?？稍偕鸁崮?、天然氣汽車中的可再生交通能源和站外可再生電力都可能成為現(xiàn)成的能源載體。海藻類植物的使用為利用陸地生物體可持續(xù)地生產生物柴油和生物乙醇的爭論提供了一種解決方法，避免了生產食物、燃料和其他土地利用方式之間矛盾。海藻的生長速度非常快，可以作為能源儲備庫，也可以固碳[63]。因此，為了建立藻類生物燃料的工業(yè)化生產，進一步研究和開發(fā)是必要的[64]。

3.存儲、先進材料、機器人和信息技術

海洋能源輸出很不穩(wěn)定。由于產生于天氣系統(tǒng)，風和海浪本質上具有隨機性、季節(jié)性，而且服從一定的年際變化特征。潮汐具有周期性循環(huán)往復的特點，并受到多個振蕩因素的影響，包括半日、全日和大小潮，這都是由地球與太陽和月亮的相對位置引起的。時間 尺度從幾個小時到幾年不等。因此，能量存儲至關重要，它可以調整海洋能量的輸出。目前正在研究的大容量存儲技術包括抽水蓄能裝置、電解儲氫裝置、壓縮空氣儲能裝置和代用天然氣。例如，電力轉氣體(power-to-gas)的技術通過電解制氫，然后轉化為甲烷再并入天然氣供應網中(如第2.6節(jié)所述)[65-67]。這種規(guī)劃遠景為材料科學、技術和制造業(yè)提供了復雜的可以融合的機會。海洋氣候惡劣多變，海水具有腐蝕性，因此科研人員設計了許多不同的海洋設備。例如，在軸流式渦輪機中，懸臂轉子的葉片必須具有極強的抗海水腐蝕性，從而催生出強度更高、抗疲勞性更好和防腐性能更強的新材料。先進的復合材料，如玻璃纖維增強復合材料、碳纖維增強復合材料和玄武巖纖維增強復合材料[68,69]，成為低成本和高耐久性的理想替代材料。圖8(a)顯示了250 kW渦輪機上長為13 m的單片式風力渦輪機葉片，該部件由éireComposites使用玻璃/碳纖維和環(huán)氧樹脂粉末通過電熱陶瓷復合材料加工制成，如圖8(b)所示。

使用MRE設施是昂貴的和危險的，面臨的問題包括遠程監(jiān)控、利用機器人進行運行支援和預測性維護過程中的實時天氣預報。所有問題都是必須要解決的，這樣才能確保設備能夠在極端海況中安全使用。此外，MRE信息系統(tǒng)無疑是改善信息管理、監(jiān)控和決策的關鍵。其中，大數(shù)據和高性能計算也是重要且密切相關的。

4.海洋可再生能源的前景

為了MRE的可持續(xù)發(fā)展，我們必須解決經濟、環(huán)境和社會的制約問題。在我們使用MRE設備之前就應先了解它可能產生的不利影響并制訂出應對的措施。經濟制約問題主要是指利用海洋能源發(fā)電和利用其他能源發(fā)電的相對成本問題，這就需要考慮到資金和經營性成本、碳減排義務、政府補貼和市場需求的波動。環(huán)境制約主要是指海洋能源設備的使用可能會改變海流方向、制造噪聲和影響海洋多樣性等。社會制約涉及就業(yè)前景、審美價值、利益相關者的參與度和人民福利等。Bonar等[70]綜述了使用海洋能源設備可能造成的社會和生態(tài)影響。

4.1.倫理和法律問題

開采MRE要考慮倫理和法律方面的問題，如海洋能源的開采是否合法，是否符合當?shù)氐奈幕踔潦亲诮逃^念。另一個問題是，誰應該擁有這些資源呢？如果一個國家開采資源的領域對于另一個國家來說也是 可用的，那么這種開采行為合法嗎？為了解決這些問題，我們需要有一個倫理或道德方面的標準[71]。糾紛也應通過法律程序來解決。其中一個例子就是印度和孟加拉國自1974年起持續(xù)了近40年的孟加拉灣領海爭端。印度采用的是等距離原則而孟加拉國采用的是公平原則，兩個原則的不同導致了海洋邊界劃分的重疊和爭議。 該領海爭端直到2014年才通過聯(lián)合國仲裁法庭得以解決。

4.2.環(huán)境監(jiān)管、治理和政府政策

圖8.渦輪機葉片先進材料。(a) 長為13 m的單片式風力渦輪機葉片，適用于功率為250 kW的渦輪機；(b)使用玻璃/碳纖維和環(huán)氧樹脂粉末通過電熱陶瓷復合材料加工制成的葉片(圖片由Conchúr ó Brádaigh教授和éireComposites提供)。

國際海洋管理機構管理著全世界60 %的海域，這是各個國家邊界以外的海域，因此屬于共享資源。各國在國際海洋管理上并沒有統(tǒng)一的定義和標準，因此在處理事務時只能參照《聯(lián)合國海洋法公約》(UNCLOS)，該公約包括各種司法管轄權、制度和框架。目前，歐洲聯(lián)盟(以下簡稱“歐盟”)正試圖制定出更好的國際海洋管理法規(guī)，歐盟委員會正在進行關于海洋管理的通信和“藍色經濟”的準備。歐盟指令2014/89/EU明確指出綜合海洋政策制定的目標是“保持海洋資源開發(fā)的可持續(xù)性，保證決策的協(xié)調、統(tǒng)一和透明……同時保持良好的環(huán)境狀態(tài)使其符合歐盟指令2008/56/EC的要求”。歐盟的定位是保證海洋的可持續(xù)發(fā)展，主要關注的主題是：基于法律規(guī)則的國際管理，保護海洋生物多樣性、氣候變化、海洋安全、海上安全和航行自由，提高海事部門的工作效率，以及加深對海洋的認識等。為了完成這些目標，歐盟已經實施了維護海洋資源可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境法規(guī)，同時制定了一系列推動可持續(xù)性藍色經濟發(fā)展的政策。

所有海洋位置的開發(fā)都需要得到許可。但因為存在大量不同的許可方式和許可流程，所以具體的許可 事項取決于項目的規(guī)模和涉及的國家。大規(guī)模項目的部署更容易得到許可，但測試中心就不太一樣了(其中一些需要簽署提前同意協(xié)議)。開發(fā)商抱怨監(jiān)管機構和復雜的許可流程(包括環(huán)境影響評估)會導致項目延遲，并成為開發(fā)MRE的障礙[73]。所有獲得許可的方式中，一站式模式似乎是最有效的[73]。在蘇格蘭，開發(fā)商可以通過向蘇格蘭海洋許可運營團隊(MS-LOT)提交申請來獲得海洋能源開采的同意書/許可證。MS-LOT遵循可持續(xù)海洋規(guī)劃原則提供一站式的申請流程[74]。博弈論[75]可以改善許可流程，參與者包括開發(fā)商、能源公司、政府和當?shù)氐纳鐣F體。

4.3.經濟制約

度電成本(LCOE)可定義為壽命期內的總成本與總發(fā)電量的比值，它表示了給定電力來源在壽命期內的單位電力成本的凈現(xiàn)值。表2 [76,77]列出了英國在2010年確定的一系列能源的LCOE。同時，Allan等[78]在2011年估計了陸地風能發(fā)電、海上風能發(fā)電、潮汐能發(fā)電和波浪能發(fā)電的LCOE分別為每兆瓦時54.4英鎊、每兆瓦時81.6英鎊、每兆瓦時81.3英鎊和每兆瓦時189.7英鎊，而聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪機發(fā)電、壓水反應堆發(fā)電、粉狀燃料發(fā)電和帶碳捕集與封存技術的燃煤發(fā)電的LCOE分別為每兆瓦時34.7英鎊、每兆瓦時40.2英鎊、每兆瓦時26.2英鎊和每兆瓦時44.8英鎊。不同的評估結果表明，要成功開發(fā)MRE，降低成本至關重要。政府和私營企業(yè)對MRE行業(yè)的支持很重要，但未來政府補貼的不確定性和私營部門投資的匱乏將會阻礙MRE的開發(fā)。潮汐能設備研發(fā)需求導致供應產業(yè)鏈的各個部門都在致力于降低成本和提高可靠性，其中包括先進材料、制造、安裝、動力輸出裝置和能量儲存等方面。

表2 2010年英國一系列能源的度電成本(LCOE)預測[76,77]

4.4.環(huán)境制約

MRE的發(fā)展受限于可供參考的精確的環(huán)境數(shù)據的缺乏和預測模型不確定性的傳播，這里的預測模型可以用于估算發(fā)電功率及其對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響。要獲取現(xiàn)場數(shù)據非常困難而且費用昂貴。流域尺度上設備交互的影響需要被進一步理解；而且，除非獲得設備安裝后的監(jiān)測活動數(shù)據，否則海上發(fā)電站和設備農場的長期生態(tài)副作用也不得而知[70]。MRE設備可以改變局部流體動力學，影響堵塞、旁路涌流、尾流、混合、湍流、沉積物運移、沿岸沉積物流、沖刷、濁度、海底形態(tài)、生物多樣性、食品供應和水質等[70]?？稍偕茉丛O備基礎和支持結構可以作為人工礁來提高生物多樣性，但也可能會吸引入侵物種。生物淤積可改善物種豐度，但也會導致更高的沉積率和富營養(yǎng)化，而防淤積的化學藥品可能會對特定的物種產生毒害作用。有人擔心某些魚類和海洋哺乳動物可能會與旋轉的轉子葉片相撞，而較低的能見度和高能區(qū)域更加劇了這種危險[70]。我們急需對長期接觸噪聲、電磁輻射和被迫離開原居住地環(huán)境的海洋動物健康進行研究。

4.5.社會制約

公眾對可再生能源的支持(基于當?shù)鼐蜆I(yè)、更便宜的電力、能源安全性和更低的碳排放)和規(guī)劃申請的低成功率(基于視覺效果、對氣候變化的漠視、防止海洋變成工業(yè)區(qū)的希望以及對旅游、航行、漁業(yè)、房價、娛樂和社會凝聚力的損害等原因)之間存在著“社會差距”[70]。規(guī)劃和決策過程可能會因為公眾參與度不高而屢遭反對。這個問題最好通過加強所有利益相關者之間的溝通和參與度來解決，盡管協(xié)商過程中需要付出的代價和產生的成本可能更高。

4.6.可持續(xù)性評價

在MRE的發(fā)展背景下，可持續(xù)發(fā)展必須實現(xiàn)經濟、社會、環(huán)境和制度功能的一體化。一套可持續(xù)性評估應該識別影響的來源，設置基準和目標，并注意潮汐能資源的充分性、能源供應及相關服務的可獲取性、能源的生產率、災害后的恢復力，以及不同用戶和供應商之間的公平性[79]。這里，充分性可以視為海洋盆地的容量能滿足各種能源需求的能力(包括生態(tài)系統(tǒng)的要求和發(fā)電需求)。可獲取性與不同利益相關者群體要求的資源可用性有關。生產率涉及將海洋能源轉化為經濟實用的電能?；謴土κ呛饬亢Ｑ笙到y(tǒng)對變化的緩解和適應能力。公平性是指對不同客戶與供應商之間MRE資源分配的公平性。可持續(xù)性指標應進行系統(tǒng)的選擇，目的是創(chuàng)建一個邏輯結構良好的潮汐系統(tǒng)可持續(xù)性評估框架。過程分析方法(PAM)可提供合適的整體分析[80]，它檢查了可持續(xù)發(fā)展的不同領域之間的權衡取舍，如經濟發(fā)展、環(huán)境績效和社會福利，從而更好地管理和開發(fā)MRE資源。

5.總結

海洋蘊藏著巨大的能量，研究開采MRE的新技術是非常值得的。它可以為我們提供源源不斷的能源，保證能源安全，減少因燃燒化石燃料引起的碳排放。本文簡要介紹了如何從海上風電、潮流、洋流、潮差、波浪能、海洋熱能和鹽度梯度中獲得MRE，以及如何從藻類植物中得到生物能源。全世界研發(fā)活動聚焦于如何解決在開采MRE時遇到的技術、經濟、社會和環(huán)境等方面的問題。當然，在成本降低、能源存儲、先進材料、機器人、信息學、投資、許可與批準程序和海洋管理等方面還需進一步的努力。我們面臨的挑戰(zhàn)之一就是如何可持續(xù)性地、可靠地、經濟有效地開采MRE，以實現(xiàn)利用MRE為整個城市供應能源。在這次技術革新過程中，我們需要新一代有智慧、有膽識的工程師們來迎接這一挑戰(zhàn)。

最后，筆者想用莎士比亞的話來結束本文 (節(jié)選自創(chuàng)作于1599年的戲劇《裘力斯·凱撒》)：

人生潮起潮落，

若能把握機會必定能馬到成功。

錯過則困于淺灘與苦楚。

我們正漂浮于這樣的茫茫大海中。

我們必須把握住潮漲的時刻，

否則眼前的幸運將隨波遠離。

致謝

筆者感謝Paul Bonar, Angus Creech, Maggie Creed, Markus Mueller, Mark Linne, Mathieu Lucquiaud, Conchúr ó B rádaigh, Stephen S alter, Vengate san Venugopal, Robin Wallace, Harry van der Wiejde (英國愛丁堡大學), Gillian Bruton , Tony Lewis, Jerry Murphy, Brian ó Gallach?ir (愛爾蘭考克大學), Mike Hartnett (愛爾蘭國立高威大學), Frederic Dias (愛爾蘭都柏林大學), Dan Toal (愛爾蘭利默里克大學), John Ringwood (愛爾蘭國立梅努斯大學), Tom Adcock, Guy Houlsby, Sena Serhadl?o?lu, Richard Willden (英國牛津大學)和Scott Draper (澳大利亞西澳大學)，他們?yōu)楸疚牡膶懽魈峁┝舜罅繋椭?。筆者同時也很感謝所有審稿專家為本文提供的意見和指正。筆者是愛爾蘭海洋可再生能源(MaREI)SFI中心的科學咨詢委員會主席(MaREI)。

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E-mail address: alistair.borthwick@ed.ac.uk

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(1): 69—78

Alistair G.L.Borthwick.Marine Renewable Energy Seascape.Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.01.011