《潮流能发电及发电场设计》李晔，杨文献，峰延晖，汪小勇，邱颖宁，夏英凯，武贺，毋晓妮编著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《潮流能发电及发电场设计》

【作　者】李晔，杨文献，峰延晖，汪小勇，邱颖宁，夏英凯，武贺，毋晓妮编著

【丛书名】面向可持续发展的土建类工程教育丛书

【页 数】 106

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2021.09

【ISBN号】978-7-111-68232-5

【价 格】34.90

【分 类】潮汐水电站-高等学校-教材-潮汐发电-高等学校-教材

【参考文献】 李晔，杨文献，峰延晖，汪小勇，邱颖宁，夏英凯，武贺，毋晓妮编著. 潮流能发电及发电场设计. 北京：机械工业出版社, 2021.09.

图书封面：

图书目录：

《潮流能发电及发电场设计》内容提要：

本书以海洋可再生能源中的潮流能为背景，全面介绍了潮流能发电及发电场设计方法，是一部系统和全面介绍潮流能发电的著作。本书共9章，主要内容包括潮流能发电概述、资源评估、叶轮设计、发电装置基础形式、发电机设计、发电机控制技术、发电场设计布局、可靠性与经济性分析、环境影响等主要内容。本书既介绍了潮流能发电过程中涉及的数学、流体力学、控制、电气等基础理论，又以实际潮流能项目为例，介绍了潮流能发电的设计方法与关键技术，兼具理论性与工程实践性。本书特别适合作为可再生能源、机械工程、动力工程、船舶与海洋工程等相关专业高年级本科生和研究生的教材，也适合从事潮流能研究、开发和应用的科技人员学习参考。

《潮流能发电及发电场设计》内容试读

第1章绪论

■1.1潮流能发电概述

海洋占地球总面积的71%，其蕴含能量众多，，主要包括波浪能、潮流能、潮汐能、温差能和盐差能等。海洋能是清洁的能源，开发和利用海洋能对许多国家特别是海洋资源丰富的国家具有重大的意义。在这些海洋能中，潮流能由于其发电的工作形式和原理与风力发电较为相似，其发展速度比其他海祥能更先进一步。

如上所述，潮流能即潮汐中水平流动部分的动能，其资源主要集中在群岛地区的海峡、水道及海湾的狭窄入口处等流速较大的地方。一般说来，最大流速在2m/s以上的水道，其潮流能均有实际开发的价值。全球的潮流能资源非常丰富，据国际能源署海

洋能源系统技术合作组织(IEA-0ES)2012年的年度报告，其可开采储量预计可达到

1200万亿W·h/年(1.2×1015W·/年)。许多国家已发现自己有不少站点具有丰富的潮流能资源，包括美国、加拿大、中国、法国、挪威、韩国、印度尼西亚、西班牙等。例如，英国理论潮流能储量预计超过95万亿W·/年(9.5×1013W·h/年)，相当于英国每年5%的电力消耗，其中彭特兰湾是全球最有前途的潮流能源开发区之一，该地区的潮流能储量大约在(1~18)百万kW;据美国研究机构估计，美国可开采的潮流能资源大约为250万亿W·h/年(2.5×1014W·h/年)；同样在我国广阔的海域中也蕴藏着大量的潮

流能，理论总储量预计超过1.395×104MW,大部分集中于浙江省舟山群岛。这些因素与

条件在很大程度上刺激了潮流能的发展，同时也推动了潮流能技术的进步。

近年来，潮流能开发在世界范围内取得了长足的进步，国际潮流能技术基本成熟，已进入全比例样机实海况测试阶段，部分产品已经逐渐商业化。尤其在近两年中，在政府和商业公司的推动下，潮流能大型示范项目蓬勃发展。例如，由可持续海洋能源公司(Sustainable Marine Energy,SME)和米纳斯潮流能有限合伙人公司(Minas Tidal LP)开发的彭帕奇(Pempa'q)潮流能项目，预计向加拿大新斯科舍电网输送高达9MW的潮流能。2019年，该项目在格兰德水道已经完成了280kW漂浮式潮流能平台的第一阶段测

1

潮流能发电及发电场设计

试，同时数个装机容量超过1MW的潮流能水轮机已经安装在英国的欧洲海洋能中心。此

外，印度尼西亚政府也展示出了极强的潮流能发展的雄心，在鹦鹉螺项目的第一阶段，

他们计划在龙目岛部署8台1.5MW的潮流能发电机。相对而言，我国潮流能开发的进程

较为缓慢，潮流能水轮机开发主要以百千瓦级的小型水轮机为主。而到2020年底为止全

球规划的大型潮流能示范项目总容量已超过62.9MW。

需要注意，某些学者将潮汐能与潮流能统称为潮能，而更多则习惯将两者区别论述，后者无须建坝，可节省大量水工建设投资。对于前者潮汐能而言，其开发利用技术已十分成熟，主要包括法国朗斯、加拿大安娜波利斯、中国江厦等电站，它们已运行了数十年之久。本书主要介绍潮流能方面的内容。

■1.2国内外典型潮流能发电项目

1.2.1国外典型潮流能发电项目

进入21世纪以来，随着陆地能源的紧缺程度进一步加深，潮流能的研究呈现快速发展态势，多个临海的国家都发展了各种新型的潮流能装备。其中英国和美国拥有比其他国家更多的潮流能研究机构和装备，尤其是英国始终处于世界领先地位。国外典型的潮流能发电项目包括但不限于以下案例：

1.英国海洋流涡轮机公司(Marine Current Turbine,MCT)项目

英国MCT公司是最早从事潮流能开发的机构之一，已研发出一系列知名的潮流能装

备，其研究能力一直处于世界前列，可以实现潮流能装备量产。该公司2003年在英国的布里斯托(Bristol)海峡成功完成了一款装机容量300kW的SeaFlow设备。此后，又成功开发了1.2MW的双转子潮流能发电机SeaGen,该发电机具有两副转子，分别悬挂在27m长的横梁两端，每副转子直径为16m,每副转子包含两个叶片，叶片桨距角可在270°的范围内任意调节。SeaGen部署在北爱尔兰24m水深的斯特兰福特湾(Strangford Lough)水域，并于2009年5月开始投入运行，可产生足够的电力为1140户家庭供电，是世界上

首台兆瓦级潮流能发电装置。目前，MCT公司正在积极研发下一步的大型潮流能发电场。

2.亚特兰蒂斯公司(Atlantis)的梅根（MeyGen)项目

亚特兰蒂斯公司是知名潮流能研究机构之一，2012年该公司获准在英国彭特兰湾建

设总装机容量398MW的潮流能发电场，这是截至2020年底世界最大的潮流能开发利用

计划。梅根项目计划分为三期工程，第一期工程A阶段于2015年在彭特兰湾的奎斯尼斯

(Ness of Quoys)工地动工，装机6MW,由一台亚特兰蒂斯公司的AR1500机组和三台挪

2

第1章绪论

威安德里茨(Andritz)公司的HS1500机组所组成。梅根项目一期工程A阶段于2016年11月正式并网发电，于2018年4月正式进人长达25年的运营阶段，截至2019年6月已向电网输送电量1.7×10kW·h。梅根项目后续阶段（包括一期B阶段和C阶段，以及

二期、三期)旨在改善电力传输并增加发电装备、扩充电网容量，使发电量达到项目预期目标，目前仍在建设过程中。

3.加拿大彭帕奇项目

彭帕奇项目是加拿大正在开发中的一项大型潮流能发电项目，该项目由可持续海洋能源公司和米纳斯潮流能有限合伙人公司共同开发，计划在格兰德水道(Grand Passage)

附近，利用SME的PLAT-I漂浮式潮流能技术，实现9MW的发电容量，并为新斯科舍省

(Nova Scotia)电网供电。该项目将分阶段执行，在第一阶段，SME计划利用三套PLAT-I平台（每套最大容量420kW),实现1.26MW的装机容量。在苏格兰企业的支持下，

PLAT-I平台在苏格兰完成了开发和设备测试，并于2018年9月移至新斯科舍省，安装

在格兰德水道。此后，进行了一段时间的环境监控设备调试和测试，2019年2月23日开始供电，成为目前在新斯科舍省安装的唯一运行中的潮流能系统。

4.英国苏格兰可再生能源潮流发电公司(Scotrenewables Tidal Power)的SR2000项目苏格兰可再生能源潮流发电公司是英国的又一知名潮流能研发机构，该公司研发了著名的漂浮式水轮机一SR250(发电250kW)。在SR250的基础上，该公司于2016年5

月12日推出了2MW级的SR2000水轮机，这是当时世界上单机容量最大的潮流能发电装

置。2018年8月，该公司宣布其2MW漂浮式潮流能发电原型机在连续运行的第一年中已

成功产生超过3×10kW·h的电力，据报道这已超过该公司2016年推出SR2000之前的12年中整个波浪和潮流能部门的发电水平。

5.0 ceade-18潮流能发电项目

法国阿尔斯通公司(A1stom)在2013年收购了英国TGL潮流能公司，并在TGL公司500kW潮流能装置Deepgen的基础上研发了1MW潮流能发电装置。该装置采用直径18m的三叶片水平轴水轮机，设计座底式支撑结构，支撑结构总重量在150t以上。2013年7月，IMW机组布放到EMEC(European Marine Energy Centre.,欧洲海洋能源中心)并实

现满发。2016年，美国通用电气公司(GE)收购了阿尔斯通公司能源业务，并在1MW

机组技术的基础上开发了Oceade-18潮流能发电装置。该装置转子直径为18m,额定功

率为1.4MW,具有三个可变螺距叶片。它在导轨上配备了即插即用模块，可通过机舱后

部的检查口轻松访问，以加快组装和维护速度。该机组具有正浮力，易于拖曳作业。不需要专门的船只和潜水员，安装和维护成本较低。因此，与1MW机组相比，Oceade-18更加高效且性价比更高。

3

潮流能发电及发电场设计

6.英国月亮能源公司(Lunar Energy)的RTT潮流能发电项目

英国的月亮能源公司也是一家起步较早的潮流能研发机构，其所研发的RTT潮流能

水轮机在技术的特点是在传统的水轮外又采用了导流罩结构。导流罩使得通过叶轮的水流速度更快，机组的获能更高。

T.美国(Verdant Power)绿色能源公司的RTE项目

美国的Verdant Power公司是一家由波音公司联合其他业内同行成立的知名潮流能技术研发公司，与其他公司不同，Verdant Power公司所开发的项目都在河口和入海口，如

纽约东河口TE项目，因此，它所开发的单机容量与其他公司相比较小。

8.意大利科博尔德(Kobold,日耳曼传说中的精灵)潮流能发电机

PDA公司是意大利知名的潮流能研究机构，它联合那不勒斯费德里克二世大学

(University of Naples FedericoⅡ)一起研发了Kobold样机一一台漂浮式垂直轴潮流能装置，并在西西里岛附近完成测试。与漂浮式水平轴潮流能装置一样，它也适合拖曳维护，便于安装、运输。

9.米内斯托(Minesto)水下风筝潮流能转换项目

米内斯托水下风筝潮流能转换装置是一种新颖的概念装置。这种概念装置可由锚系缆绳连接到海床上，装置可以绕缆绳转动，同时锚系缆绳也可以绕海底的锚泊点转动。米内斯托潮流能转换装置采用一种风筝滑翼结构，使得机组可以自动适应流速大小和流向的变化，并自动调整方向和位置，对潮流动能进行更高效地利用。米内斯托潮流能转换装置对海底平坦度要求低，也不需要稳定的流速方向，在潮流或海流不稳定或变化无规律的地区，有较大优势

除上述潮流能发电装置之外，国外典型的潮流能发电装置还包括：挪威哈默菲斯特·斯特罗姆公司(Hammerfest Strom)研发的HS1000、荷兰蓝水公司(Bluewater)研发的

BlueTEC潮流能发电平台、美国戈尔洛夫螺旋涡轮公司(Gorlov Helical Turbine,GHT)研发的垂直轴螺旋式叶轮机等。

1.2.2国内典型潮流能发电项目

我国潮流能发电技术起步较晚，但近年来在政府和相关商业公司的大力支持下取得了长足的进步，研发出一系列潮流能发电装置，主要潮流能发电技术已全面进入海试阶段，基本解决了潮流能发电的关键技术问题。国内主要的潮流能发电项目及装置包括但不限于以下几种：

4

第1章

绪论

1.“海能”系列潮流能发电项目

“海能”系列潮流能发电装置由哈尔滨工程大学牵头研发，主要包括“海能I”“海

能Ⅱ”“海能Ⅲ”这三种型号的潮流能发电装置。“海能I”为总容量为300kW的双机组潮流能发电装置，于2013年4月在浙江岱山县龟山水道成功运行。“海能Ⅱ”总容量为200kW,采用漂浮式水平轴叶轮直驱低速发电机技术，载体由4组高弹性系泊系统固定于海床，叶片可变浆控制以适应双向潮流。“海能Ⅲ”总容量为600kW,采用漂浮式垂直轴

十字形叶轮经增速器驱动发电机技术方案，载体由4组高弹性系泊系统固定于海床，有2台水轮发电机组

2.浙江大学650kW潮流能发电机组项目

浙江大学650kW潮流能发电装置是一种高效的水平轴机组，该机组由国家自然资源部海洋可再生能源专项“百千瓦级海洋能装备技术优化及海岛应用示范一千瓦级海洋潮流能发电机组工程示范与应用”资助，于2017年下半年完成研制并成功并网发电。此后，浙江大学对该机组开展了新一轮优化设计和工艺改进，实现了叶轮结构和工艺的优化，在进一步减小轴向推力荷载的同时，也强化了防腐防砂抗磨损的性能，完成了传动系统的模块化改进，优化了机组的现场维修方案。目前，经过改进后的650kW潮流能发电机组已于浙江省舟山市摘箬山岛浙大海洋能试验电站再次并网发电，是国内目前单机发电功率最大的海（潮）流发电装备。

3.“海远号”百千瓦级潮流能发电机组项目

“海远号”潮流能发电装置是由中国海洋大学研制的百千瓦级机组，该机组包括两台50kW的水平轴发电机组，额定流速为1.5m/s。机组采用变桨距控制技术和半直驱传动系统，可实现换向功能和机组运行状态的实时监测与控制；采用塔架式支撑结构和重力式基础，保证整个结构的稳定性，避免了漂浮式载体的多维运动对机组性能的干扰影响及动荷载造成的疲劳破坏。2013年8月，该装置于青岛斋堂岛附近海域开始示范运行，电力通过1km海底电缆上岸接入500kW海岛多能互补独立电力系统的中央控制室。运行结果表明：机组运行平稳，输出稳定；最佳获能桨距角时，启动流速为0.4~0.5m/s;机组效率为36.1%。

4.联合动力300kW潮流能发电机组项目

联合动力300kW潮流能发电机组采用水平轴、两叶片、紧凑半直驱传动、漂浮式基础，在浙江舟山摘箬山岛附近海域运行。截至2018年7月31日，该300kW海洋潮流能发电机组已持续稳定运行3个月。机组切入流速(0.5/s),整机转换效率(40%)，在流速1.9m/s的情况下就可实现功率满发，优于2m/s的设计指标，月平均可利用小时数

5

潮流能发电及发电场设计

167h,等效年平均可利用小时数超过2000h。

除上述潮流能发电装置之外，国内典型的潮流能发电装置还包括：哈尔滨工程大学“海明I”10kW潮流能发电装置、万向系列潮流能发电装置；东北师范大学20kW桁架座底潮流能发电装置；中国海洋大学“海川号”轴流式潮流能发电装置等。尽管我国的潮流能发电技术近年来取得蓬勃发展，但是依旧缺乏规模化和商业化发展，与国外的先进技术相比还存在一定的差距。

■1.3本书主要内容

总体而言，国际潮流能技术目前处于全比例样机实海况测试阶段，尽管有部分产品实现了并网发电，但是潮流能的大规模产业化仍然任重道远，这不仅需要加强关键技术应用研究，还需要资源、政策等多方面的支持。在潮流能发电装置设计过程中，需要攻克一系列关键的技术问题，包括资源评估、装备设计、安装维护、电力输送、防腐、环境影响评估与安全性能等。上述问题给潮流能发电装置的设计带来了很多挑战和困难。

本书作者结合近年来的工作经验，尝试性对潮流能发电及发电场设计进行归纳和推断，以期为读者提供一个系统性的介绍，同时书中每个章节又自成体系，读者也可以根据需要直接参考每个章节。

6

···试读结束···