海洋潮流能产业全球创新资源分布及对策建议

海洋潮流能产业全球创新资源分布及对策建议

一、海洋潮流能发电技术概述

（一）海洋潮流能的概念及特点

海洋潮流能（海流能）主要是指由于潮汐导致的有规律的海水水平流动以及海底水道和海峡中较为稳定的流动所产生的能量。与太阳能、风能、波浪能等可再生能源比较，潮流能的规律性最强，能量最稳定，最易于电网的发配电管理，因此是最优秀的可再生能源。潮流的能量储存形式是流体动能， 将其转变为电能，就需要在海上建立潮流电站。潮流电站可建在海底， 也可泊于水中或浮于海面， 既不需像潮汐电站那样建坝， 也不影响航运。潮流电站， 是集船舶与海洋、机械、自动控制与电力等工程领域先进技术于一体的海洋高技术产品，其开发利用涉及大量海上工程施工及运行，难度较大。

潮流能可为海岛、为海洋观测和勘探设备供电，还可应用于海水淡化、海上水产养殖、海上通讯、电解水制氢、海上旅游等方面，条件成熟后，可并入电网商业化运行。

（二）海洋潮流能利用的技术分类及主要代表机构

潮流能获取装置即水轮机是潮流能发电系统的核心组成部分之一， 直接影响整个系统的性能，水轮机的性能和布置方式一直是国内外研究的重点和热点。大部分潮流能获取装置为旋转类水轮机，目前技术上相对成熟的有水平轴式、竖轴式，此外还有升力阻力型、振荡水翼型等。其中，水平轴式水轮机具有较高的能量转换效率，是当前技术比较成熟、发展最快的机型，已为世界许多公司推崇采用。对潮流能获取装置进行分类，如图1 所示。

图1　海洋潮流能获取装置种类

20年来世界各国开发研究了各种潮流能转换设备和装置。目前，研发大型水轮机已成趋势，涡轮机大型化、应用规模化是潮流发电技术产业化的发展方向。表1列出了各类潮流能获取装置的主要代表机构及其特点。

表1　海洋潮流能获取装置的主要代表机构及特点

二、海洋潮流能技术、产业国内外发展现状

（一）国外发展现状

1.基本概况

国际上潮流发电研究的热潮始于20世纪70年代中期的石油危机。英、美及欧洲各国受到政府和社会的大力支持，在潮流能的开发利用技术上进行了大量的尝试并取得了重要的进展，已完成从理论研究、模型试验到海上样机试验，各种技术正在步入规模化应用阶段。多个国家已经开始进入工程示范阶段，在装机容量上一般都在数百千瓦级、兆瓦级，趋向规模化、商业化发展。凭借技术优势，发达国家的海洋潮流能开发设备制造产业发展很快，成为朝阳产业。

美国是世界上最早开展潮流发电研究的国家之一。韩国是一个化石能源贫乏的国家，近年来加大了对潮流能源的开发力度。日本在停滞了十多年后，重新开始了海洋能的开发研究，近年来启动了海洋能源试验站点建设计划。英国是目前世界上潮流能发电技术最先进的国家，也是潮流能开发利用较早、较多的国家，全球最发达的潮流能发电厂几乎都位于苏格兰海岸附近。如英国潮流能水轮机公司研制的SeaGen系列机组已经达到了兆瓦级的水平，是世界上第一个商业化电站，从2008年运行起，该项目已经为英国国家电网输送了超过300万千瓦时的电力。

2.全球专利分析结论

通过对1970～2012年的全球2200件潮流能专利家族进行分析，得出以下结论。

（1）潮流能发电技术正处于高速发展期，关键技术尚未趋于一致，各国都在加紧研发，产业化前景十分看好。

2000年之后，潮流能技术发展迅猛，专利公开数量以一种前所未有的速度增长。此源于1997年《联合国气候变化框架公约的京都议定书》的签署，包括海洋潮流能在内的清洁能源技术领域的专利增幅，远远超出化石燃料和核能等传统能源的专利增幅。能源领域预示着新一轮技术革命的到来，显示出清洁能源产业广阔的发展前景。

（2）从专利数量上看，欧盟、美国、日本、中国、韩国在潮流能利用技术上处于领先地位，其他沿海国家，如新加坡、加拿大、澳大利亚的潮汐能开发利用也日趋活跃，且多以技术合作形式出现。世界著名潮汐能开发利用公司多为欧美公司，亚洲国家大公司较少，产业化程度低，但近年来发展较快。

（3）潮流能开发利用技术专利申请密集区是液力机械或液力发动机（F03B）。另外，潮流能发电装置或发电机站（包括F03B13/12、F03B13/26、F03B17/06、F03B13/00、E02B9/08等专利分类）的专利总和超过70%，显示出潮流能技术密集区的集中度相对较高，应重点关注。

（二）国内发展现状

我国的海洋潮流能（海流能）属于世界上功率密度最大的地区之一，开发环境和条件都很好。近年来，国家加大了海洋可再生能源的研究与开发力度，设立了一批海洋可再生能源开发利用技术研究及示范项目。

一是由国家海洋局组织的“908专项”，第一次对我国海洋可再生能源资源蕴藏量和可开发利用量进行了大规模的实地调查和评价研究。二是在科技部的支持下，“国家科技支撑计划”设立了“海洋能开发利用关键技术研究与示范”重点项目。三是国家“863”计划和自然科学基金支持了一批有关海洋可再生能源基础研究和攻克发电装置关键技术的研究项目。四是自2010年开始，财政部设立了“海洋可再生能源专项资金”，重点支持以提高偏远海岛供电能力和解决无电人口用电问题为目的的独立电力系统示范、在海洋能资源丰富地区建设海洋能大型并网电力系统示范、海洋能开发利用关键技术产业化示范、海洋能综合开发利用技术研究与试验等。

通过国家资金的推动，我国已初步形成以广东波浪能示范区、浙江潮流能示范区、山东技术研究与实验区为核心的我国海洋能开发布局。国家海洋技术中心指出，我国海洋能开发利用已进入历史上前所未有的快速发展时期。另外，我国海洋能技术发展的国际影响力也在逐步增强。2013年，我国还将承办国际能源署海洋能执委会24届年会，将极大地促进我国海洋能发展在国际上的影响力。

我国的潮流能研发始于1982年，先后研制试验了60瓦和1千瓦的垂直轴水轮机，1千瓦和10千瓦的水平轴水轮机。“八五”计划和“十五”计划期间，又先后研制建成了70千瓦漂浮式和40千瓦坐底式两座垂直轴潮流实验电站。在“十一五”科技支撑计划支持下，2013年5月，我国首座百千瓦级“海上漂浮式立轴潮流能示范电站”建成，其设计技术与装置研制达到国际先进水平。目前在岱山，有7个国家级潮流能研究项目在实施，经过示范检验后，这些项目有望在数年内进入商业化运行。

相比而言，我国在潮流能发电技术研究与开发方面与世界先进水平相差并不悬殊，但在机组的大小和装机容量上有很大差距。

（三）产业发展瓶颈

技术方面，海洋环境的复杂超出想象，对发电系统要求极高。潮流能发电装置要想实现长时间可靠运行，还有许多关键技术问题有待解决，重要问题之一就是能量的稳定输出。因此，多数国家潮流能发电还处于试验、小规模应用阶段。

经济方面，潮流发电牵涉到海底电缆铺设维修、海下设备制造安装、电网维修等，这些投资极其昂贵，其成本还无法与传统发电抗衡。

三、潮流能全球创新资源分布情况

（一）总体格局

通过对国内外专利及科技文献的挖掘，得出了海洋潮流能产业重点创新机构的全球布局情况及核心技术和领军人物，绘出了全球创新地图，如图2所示。

图2　海洋潮流能产业全球创新资源地图

全球海洋潮流能产业创新资源主要集中在欧洲、美国、加拿大、中国和新加坡等国家和地区。其中欧洲的技术更为领先，我国也有一定的基础。三大重点创新区域分别是:欧洲都柏林、布里斯托尔、莫西拿、哈尔斯塔等，美国纽约，加拿大温哥华等，亚洲新加坡、东京，哈尔滨、杭州、青岛等。

（二）主要创新机构及技术特点

全球主要创新高地及技术特点、专利布局、领军人物详见表2。

表2　全球海洋潮流能产业创新高地

续表

（三）重点区域

综合来看，欧洲、北美海上潮流能综合实力最强，英国的洋流水轮机公司、爱尔兰的欧鹏海德洛集团、美国的绿色能源公司、苏格兰的欧洲海洋能源中心等机构在海洋潮流能设备研发制造与测试领域具有较强的代表性。

1.英国·布里斯托尔-格拉斯哥

英国的海洋能发电技术与发展目前处于世界领先地位。布里斯托尔、格拉斯哥等拥有全球领先的研发和设备制造机构。

（1）重点企业:

英国洋流水轮机公司（Marine Current Turbines，MCT）: 成立于1999年，位于布里斯托尔。设计建造和运营了世界上第一个商业化潮汐流电站，所开发出的SeaGen潮汐能涡轮机处于全球顶级地位。目前该公司位于苏格兰的四涡轮机阵列项目投产后，每年将生产1500万～2000万千瓦时的电力，位于威尔士的五涡轮机阵列项目，投资回报率也很高。在全球拥有20多项专利，其中在中国申请了6项专利。2012年，德国西门子公司已完成对该公司的收购工作。

潮汐发电有限公司（Tidal Generation Limited，TGL）:成立于2005年，位于布里斯托尔。目前是罗尔斯·罗伊斯公司（R＆amp;R）的全资子公司。公司目前正在奥克尼群岛的欧洲海洋能源中心（EMEC）测试500千瓦的发电机，这款设备已输送100兆瓦时以上的电力，供给奥克尼电网。

安德里茨水电哈默菲斯特公司:1997年在挪威诞生，目前总部在苏格兰格拉斯哥。该公司是澳大利亚大型成套设备制造商安德里茨集团将挪威潮流能设备开发企业Hammerfest Strom公司收归旗下后成立的。开发出了全套潮流能发电阵列（Tidal Array）设备，并以总承包方式向全球提供。拥有10项相关专利，布局在多个国家。其首台300千瓦的设备HS300从2003年至2009在挪威测试，正常运转率高达到98%，2004年实现了大规模设备并网运转，2011年12月，其第二代设备HS1000（1兆瓦）在欧洲海洋能源中心测试，2012年2月并网。计划2013年年底在苏格兰设置潮流能发电阵列，总容量为10兆瓦。

（2）重点科研机构:

爱丁堡大学（The University of Edinburgh）:成立于1583年，世界排名23位。其能源系统研究所是世界领先的海洋能源研究机构，研究领域包括海上能源转换设备、海上能源输送和控制系统等。

赫瑞瓦特大学（Heriot-Watt University）:创办于1821年，前身为爱丁堡工学院。校内设有风能和海洋能源研究组，致力于风能和海洋能源的前沿研究，并且非常注重与企业进行合作。

普利茅斯大学:可追溯到1862年，位于布里斯托，现在是英国最大的大学之一。其海洋研究所进行多种海洋基础性研究，并对潮流能、波浪能和海上风电展开广泛的研究，现与根西岛展开合作，以研究海洋能源的系统化利用。

欧洲海洋能源中心（EMEC）:位于苏格兰，拥有世界上最大的波浪能与潮流能原型装置测试场，主要为潮流能或者波浪能发电设备样机提供能够接入电网的优越测试条件与接入设备，拥有世界上最先进的智能电力控制与输出系统，在装置电力输出与装置测试等方面同样处于领先地位。

（3）节点人物:

罗宾·华莱士（Robin Wallace）:英国爱丁堡大学工程与电子学学院能源系统研究所所长、教授，迪安国际特许工程师，英国工程与自然科学研究会海洋能源集团主要研究员，照明与能源系统研究小组成员；研究方向主要为分布式可再生能源和海洋能源的网络集成。曾来华并访问多个大学，在山东大学发表演讲，解读海洋新能源的开发和利用。

邹清萍:普利茅斯大学海洋科学与工程学院副教授，南京大学物理学学士，美国加州圣迭戈大学物理海洋学博士。

2.爱尔兰·都柏林

欧鹏海德洛集团有限公司（OpenHydro），总部位于爱尔兰都柏林，成立于2005年，其研发人员于1990年代即开始研发空心贯流式水下潮流涡轮机。其工程项目广泛分布于欧洲和北美，实现了多个业内第一，包括:在欧洲海洋能源中心设置潮流涡轮机、发电设备接入英国国家电网、在海底实地设置打捞设备、设置商业规模涡轮机（1兆瓦、2.2兆瓦）。其技术特点在于空心无轴，目前具有可与海洋风力发电比肩的经济效益，而且使得涡轮机对海洋生物的危害降到最小。

该公司拥有30多项专利，布局在世界多个国家和地区，尤其是在中国申请了7件发明专利，值得我们重视。

3.德国·慕尼黑

德国西南部慕尼黑在所有德国城市中经济实力最为强大，斯图加特则是德国南部仅次于慕尼黑的工业城市，两座城市距离200千米。该区域具有众多和海洋新能源相关的企业、大学和研发机构。

（1）重点企业:

西门子公司（SIEMENS）:总部位于慕尼黑的德国西门子公司是世界上最大的电子和电气工程公司之一。其位于斯图加特行政区海德海姆县的福伊特西门子公司是全球最著名的水轮机制造企业之一，其在潮流能、潮汐能和波浪能领域均拥有相当数量的专利，全球布局广泛。西门子公司在2012年还收购了著名的英国洋流水轮机公司。

（2）重点科研机构:

斯图加特大学（University of Stuttgart）:其校内流体力学和液压机械研究所，专门从事有关波浪能和潮流能的研究项目，并与福伊特西门子公司展开积极的横向合作。

（3）节点人物:

李德仁（Deren Li）:斯图加特大学博士，中国科学院院士，中国工程院院士、国际欧亚科学院院士。于1999年获“何梁何利基金科学与技术进步奖”。2008年还被瑞士苏黎世联邦理工大学（ETH）授予名誉博士。

4.美国·纽约

美国绿色能源公司（Verdant Power）:成立于2000年，自1998创始人就已经着手建立、测试和部署四种不同类型的海洋能源系统的原型。其水下潮流发电系统可应用于海洋，河流和人工渠道的自然水流。2002年在美国启动了RITE工程，工程在纽约东河中进行，共分三个阶段:2002～2006年为模型测试阶段，2006～2008年为示范验证阶段，2009～2012年，在东河中安装30台水下潮流发电机组，向电网输送10MW 电力。目前，公司又启动了CORE（Cornwall Ontario River Energy）项目，位于安大略湖，计划装机15MW。拥有8项专利，布局在多个国家和地区。

5.日本·东京

日本在海洋新能源领域起步较早，专利总量多，但技术研发一度停滞，近年来政府重新重视，潮流能技术快速发展。

（1）重点企业:

川崎重工业公司:该公司拥有船舶螺旋桨、潜水艇、海洋技术及燃气轮机等大量业务基础，从2010年开始加速推进潮流发电系统的技术开发，计划在2014年度制造出1000千瓦的发电装置。目前，已在欧洲海洋能源中心租用泊位，用以进行试验。

（2）重点科研机构:

东京大学:东京大学和三井造船等产学界成立了“海洋能资源利用促进机构”，与政府合作推动“利用波浪、潮汐能海洋可再生能源”实地试验发电场建设，政府与欧洲海洋能源中心签订合作备忘录。东京大学、IHI公司、东芝公司及三井物产战略研究所目前正在进行全球首例浮体式海流发电概念实证试验。

东京海洋大学:日本唯一从事海洋研究与教育的国立大学。2003年10月由拥有120年以上历史的东京商船大学及东京水产大学合并而成，以培养高级海洋科学技术人员为目标。

6.新加坡

亚特兰蒂斯资源公司:总部设在新加坡，伦敦设有分公司。其AK-1000涡轮（1MW）自2011年夏天在欧洲海洋能源中心测试。已建、在建项目分布在英国彭特兰弗斯（总发电可达398兆瓦）、维多利亚圣雷莫、加拿大新斯科舍省（部署1MW AK-1000^TM涡轮）、印度西海岸卡奇湾（开发装机容量为50兆瓦的潮汐流发电站）。拥有20多项专利，布局在45个国家和专利组织，在中国拥有5件专利。

7.中国·哈尔滨—杭州—青岛

哈尔滨工程大学:1982年开始进行相关研究。建造了我国第一台“万向I”70kW漂浮式潮流实验电站和“万向II”40kW座底式潮流电站。2010年，承担了国家863计划、国家科技支撑计划、海洋可再生能源专项等多项国家重大课题研究。2011年9月，研制了10千瓦水平轴潮流能发电装置“海明I”号。2013年，“海能-I”号百千瓦级潮流能电站成功运行。

中国海洋大学:2008年研制成功5千瓦柔性叶片式潮流发电试验电站，并在青岛市胶南斋堂岛水道成功进行海试。承担了多项国家级海洋能研发项目。

浙江大学:技术方向为水平轴水轮机，承担多项国家级海洋能项目。

四、青岛市海洋潮流能产业发展建议

（一）青岛市海洋潮流能产业发展的优势

青岛市海洋潮流能资源丰富，海流速度适中，海洋科技研发实力在国内最强、最全面，而且早在1980年代初期青岛就开展过海洋可再生能源领域的研究，新世纪以来取得了不菲的成绩。因此青岛拥有良好的产业发展优势。

首先，市委市政府领导高度重视。李群书记在调研海洋能开发利用工作时强调，加大海洋能的使用和推广，主动服务国家海洋强国战略，加快建设蓝色经济领军城市。

第二，国家级项目频频落户青岛市。由中海油、中国海洋大学、哈尔滨工程大学等单位参与的北方最大海洋能综合试验基地胶南斋堂岛开建。该项目是2012年国家海洋局可再生能源专项资金项目。建成后，将为海上新能源产业化开发提供技术支持及商业化准备。一期启动的“500千瓦海洋能独立电力系统示范工程”项目总投资6000万元，2012年底开工建设，这一示范工程，以海流能装置为主，并辅以风能和太阳能。包括300千瓦潮流能装置3套，以及150千瓦风机与50千瓦太阳能装置。建成之后，将使黄岛区斋堂岛成为我国北方首个使用海洋能供电的海岛。另外，2011年国家首批海洋可再生能源项目，有两个落户青岛。“成山头海域建设波浪能、潮流能海上试验与测试场的论证及工程设计”由中国海洋大学和机械科学研究总院承担，项目于2012年底通过验收，为我国波浪能、潮流能海上试验与测试场建设提供了技术依据。“新型永磁直驱式潮流发电装置研究与试验”由青岛海斯壮铁塔有限公司与中国海洋大学、哈工大威海校区联合承担，2012年底开发完成了国内首台利用海洋潮流发电的新型永磁直驱式发电装置，正在进行海试，验收后将进入量产阶段。

第三，中国海洋大学具有较强的研发基础。目前已有6项潮流能专利技术，完成了柔性叶片水轮机等多个潮流能发电装置的开发。并积极参与国际交流，与欧洲海洋能源中心（EMEC）在2011年签署了合作谅解备忘录。将在海洋能开发领域内的项目对接、技术引进、海试测试、企业推介和产业开发等方面开展全面合作，共同促进海洋能的产业化开发。

（二）青岛市发展海洋潮流能的建议

虽然青岛拥有良好的开发海洋潮流能资源条件和雄厚的科研实力，但与欧美等发达国家相比还存在着研发力量相对薄弱、创新型企业较少、风险投资不够、创业环境有待改善等不足。为此，提出如下对策建议:

1.选准方向，以技术创新带动海洋潮流能产业发展

依托中国海洋石油总公司、中国海洋大学，突破大型水平轴潮流发电机关键技术，重点发展百千瓦级潮流发电机组及装备建设，积极推进海洋能多能互补集成供电系统的开发，加强海水自然运动转化为可利用能源的关键技术，研究海洋能在海水淡化产业中的利用。强化知识产权保护意识，及时申请国际专利，在关键领域和核心技术上构筑起我国潮流能技术专利布局，为产业化提供技术基础。

2.发挥海洋能综合试验基地的作用，推动海洋潮流能各项科研成果加快向产业转化

以建设海洋能综合试验基地为契机，打造海洋能国家重点实验室，建设集海洋能装置海上运行与测试、海洋能综合利用与示范、海洋能技术创新与转化、海洋能专利转让与交易的产业平台与孵化器，组建海洋能产业技术创新战略联盟，加快先进技术向企业辐射转移。通过5～10年的培育，将独立电力系统运行的设备在青岛进行规模化生产，同时引导和带动青岛海洋能源设备制造产业发展。

3.开展国际合作，加强技术交流，建立潮流能产业基地

通过国际产业组织和节点人物，建立与世界潮流能先进学术科研机构和企业之间的沟通与合作渠道，以引进、合作开发、组织国际会议等形式加强交流。除了已建立合作关系的欧洲海洋能研究中心，建议重点关注爱尔兰欧鹏海公司、英国洋流水轮机公司、新加坡亚特兰蒂斯公司的技术创新动态，通过引进消化吸收再创新的形式，逐步建立蓝色硅谷潮流能产业基地。

4.引进海洋新能源创新人才团队，推进高端人才向青岛聚集

创造优良的创业环境，吸引国内及欧美公司的技术领军人物、优秀潮流能开发人才到青岛创业或开展交流合作， 组建潮流能装备研发团队。进行关键技术攻关，加快产业化进程。

5.政府和企业联动，为海洋能技术研发提供政策和资金支持

海洋能在技术发展初期资本需求量大，政府要设立专项资金，持续给予研发经费保障支持。同时提供良好的政策环境，制订如激励、示范补贴、低息贷款、税收优惠、加速折旧、帮助开拓市场等一系列优惠政策措施，吸引更多的企业参与开发。另外，要鼓励风险投资，拓宽海洋能开发的融资渠道。形成企业家、科学家、金融家、风险投资家和政府、企业、研发机构在海洋能开发领域的良性互动。

参考文献

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编辑:赵　霞　　　　

审核:谭思明　李汉清