海洋论坛▏潮流能发电装置类型与研究进展综述

国际能源署（IEA）报告显示，美国于2007年实现碳达峰，2023年碳排放量为4.5Gt，位居世界第二。相比之下，随着工业化进程的持续推进，中国2023年碳排放量高达12.6Gt。

在“双碳”背景下，调整能源结构是必行之路。增加清洁能源在能源消费中的占比，不仅能够应对化石能源紧缺局面，还可以减少污染、保护环境。陆地上的可再生能源（如水能、太阳能和陆上风能等）开发量已经趋于饱和，而海洋能（如海上风能、潮汐能、波浪能和潮流能等）仍有很大的开发空间。根据国际可再生能源署（IRENA）2020年的报告，全球海洋能的年发电潜力约为45～130PWh。其中，潮流能的理论年发电潜力约为1PWh，其占地面积小，在相同的装机容量下，所需面积仅为风能的1/4、太阳能的1/30。潮流能与其他海洋能相比，具有较高的可预测性、较低的开发成本和较小的环境影响等优点。中国有1.8×10⁴km的大陆海岸线和1.4×10⁴km的岛屿海岸线，蕴藏着丰富的潮流能资源。在近海主要水道中，潮流能储备量约为8.33GW，技术可开发装机容量约为1.67GW。但我国潮流能资源在空间上分布不均匀，主要集中在东海地区，其中浙江省潮流能储备量约占全国的51%。本文首先对潮流能发电装置进行分类，继而分析其开发存在的挑战，最后展望未来发展趋势。

潮流能发电装置的工作原理为：发电装置先将海水水平流动的动能转化为机械能，再经过传动系统带动发电机发电，最终将机械能转化为电能。在世界范围内，与其他海洋能相比，潮流能的开发利用起步较晚，开始于20世纪70年代的美国。此后，越来越多的国家加入其中，发电装置类型也日益多样化。根据支撑载体可分为坐底式、桩柱式和漂浮式；根据获能方式可分为水平轴式水轮机、垂直轴式水轮机和其他类型，如图1所示。目前潮流能发电装置以水轮机为主，其中水平轴式水轮机约占装置总数的50%，垂直轴式水轮机约占23%，其他类型约占27%。

图1 潮流能发电装置类型

⒈水平轴式水轮机

水平轴式水轮机叶轮的主轴与水流方向平行，虽然起步晚于垂直轴式水轮机，但却是目前主流的潮流能发电装置。该类型具有效率高、启动流速低和运行稳定等优点，但对来流方向敏感，需要偏航装置，并且密封性要求高。该类型装置通常用于大规模、商业化的潮流能发电场，具有丰富的潮流能资源：流速高、流向稳定、水深充足，能够获得高能量捕获效率并建设大功率机组实现并网，如英国的欧洲海洋能中心（EMEC）、加拿大的芬迪海洋能源研究中心（FORCE）和中国舟山潮流能示范工程。水平轴式水轮机根据形式不同，大致分为风车式、空心贯流式和导流罩式。

⑴风车式

风车式是水平轴式水轮机中最常见的形式，也是大型化项目的首选。风车式可借鉴风力发电的成熟技术，降低研发成本，但其转子直径通常较大、吊装与运维成本较高，因此适用于水深较深的海域，以保证大尺寸叶轮的浸没并满足大型船舶安装维护的吃水深度要求。

①英国SeaGen

英国MCT（Marine Current Turbine）公司是最早研究潮流能的机构之一，其于2008年7月在北爱尔兰Strangford海峡安装的SeaGen是世界上第一台商业化并网的兆瓦级潮流能发电装置，如图2所示。该装置额定功率为1.2MW，采用双转子水平轴（2×600kW）和铁质三角腿单桩柱设计，在高于平均海平面9m的单支撑桩上配有一个移动横臂，可将叶片等装置提升至海面以上进行维护。叶轮直径为16m，180°变桨距适应于双向流。SeaGen是该公司在SeaFlow安装5年后的又一重大突破，其功率是SeaFlow的4倍多。2019年7月SeaGen退役，在其运行周期内出口电力超过11.6GWh。

图2 英国SeaGen

②挪威HS1000

2011年12月，挪威ANDRITZ HYDRO Ham-merfest公司将HS1000安装于Orkney群岛EMEC试验场，如图3所示，该装置是当时世界上最大的单台潮流能发电机组。HS1000额定功率为1MW，采用坐底式三叶片水平轴形式，转子直径为21m。2003年安装的HS300是该装置的第一代设备，也是同类水轮机中第一个与电网相连发电的装置。HS1000自2012年2月并网到2015年移除，共运行了17000多个小时，输送电力超过1.5GWh，测试期间可用率为98%。

图3 挪威HS1000

③英国MeyGen

英国AMP（AmpeakEnergy）公司主持的Mey-Gen项目，是全球计划规模最大的潮流能项目，预期总装机容量为398MW。2016年，AMP公司在Pentland海峡完成1A阶段部署，实现6MW装机容量，如图4所示，该阶段包括1台AMP公司的AR1500和3台挪威ANDRITZ HYDRO Hammerfest公司的MK1。4台1.5MW机组均采用坐底式结构，转子直径为18m，其中MK1为前文所述HS1000的迭代型号。截至2024年12月，MeyGen累计发电量已突破70GWh，仅2024年度发电量达10GWh。下一阶段计划新增59MW装机容量，并拟采用转子直径为26m的3MW机组。

图4 英国MeyGen

④英国O2

英国Orbital Marine Power公司于2021年5月在EMEC完成O2机组的安装，如图5所示，该机组是目前全球总功率最大的潮流能发电装置。O2额定功率为2MW，采用双转子（2×1MW）浮式结构，浮体长74m，转子直径为20m，且可提升至水面进行维护。MAXBlade计划将转子直径从20m增加至26m，这可使叶片扫掠面积增加70%，并降低20%的平准化度电成本（LCOE），该技术将应用于FOR-WARD 2030计划中的O2-X机组。

图5 英国O2

⑤LHD“奋进号”

2022年2月，杭州林东新能源科技股份有限公司（LHD）将“奋进号”布放于浙江舟山海域，如图6所示，该装置是首台完全由中国自主研发且成功并网的兆瓦级潮流能发电机组，也是目前世界上单机容量最大的潮流能发电装置。“奋进号”额定功率为1.6MW，是“全球首个3.4MW模块化大型海洋潮流能发电机组”的第四代装置，其功率是上一代的5倍多，叶轮直径为15.2m，额定流速为3.4m/s。自2022年4月29日并网起，至2025年4月10日，“奋进号”累计发电量超5GWh。

图6 LHD“奋进号”

⑵空心贯流式

空心贯流式最显著的优点是结构简单、运行噪声低，中心开口方便海洋生物通过，有效降低对海洋生态环境的影响，但结构通常较重、安装成本较高。该类型适用于流速较低、水深较浅的海域。

①爱尔兰OpenCentre

爱尔兰OpenHydro公司的OpenCentre系列是空心贯流式发电装置的典型代表，如图7所示，采用水平轴双桩柱式中空叶栅结构。2006年，该公司在EMEC安装了一台直径为6m、装机容量250kW的空心贯流式水轮机，这是苏格兰第一台并网并成功向英国国家电网供电的水轮机。2009年11月，该公司与Nova Scotia Power公司合作在FORCE试验场安装了一台直径为10m、额定功率为1MW的水轮机，这是在北美地区部署的首个商业规模机组。2011年10月，该公司与法国（EDF）公司合作，在水深35m的Brittany海域安装了4台装置，第一台装置直径为16m，重量为850t。2016年，该公司在EMEC测试了额定功率为2MW、重量为550t的装置，该装置于2024年退役。

图7 爱尔兰OpenCentre

⑶导流罩式

导流罩是根据风机扩散器原理设计、安装在潮流能水轮机转轮附近的导流聚能装置，通常由收缩段、扩张段和直线段三部分组成。导流罩的安装能够减小转子直径、加速来流并提高能量捕获效率，但导流罩结构复杂、造价高，而且会大幅增加机组重量。目前多数导流罩研究集中在水平轴式水轮机，该技术适用于流速较低、对效率要求较高的项目。

①英国RTT

英国Lunar Energy公司研发的RTT（Rotech Tidal Turbine），采用五叶片的坐底式水平轴双向导流罩形式（图8），转子安装在对称的文丘里（Venturi）管道内，即使来流方向与叶片成40°夹角，该导流罩也会使水流到达叶片时垂直通过，从而提高发电效率。2007年，该公司在EMEC测试了额定功率1MW的RTT，导流罩直径15m，长19.2m，转子直径为11.5m，该装置于2008年开始投产。之后，该公司在此基础上开发了1.5MW的RTT，导流罩直径21m，长27m，转子直径16m，重1200t。

图8 英国RTT

②哈尔滨工程大学“海明Ⅰ”

哈尔滨工程大学于2011年9月在浙江岱山县完成“海明Ⅰ”的安装，如图9所示。该装置采用双叶片的坐底式水平轴形式，装置尺寸为9.0m×7.5m×6.5m，重量为20t，抗风能力12级，适应潮差4m，可双向自动对流。“海明Ⅰ”包含导流罩和非导流罩两种形式，二者的额定功率均为10kW。其中，导流罩形式的叶轮直径2m，在流速为2m/s时的功率为10kW，效率为78%；非导流罩形式的叶轮直径为2.5m，额定流速为2.3m/s，效率为34.5%。对比导流罩与非导流罩各自的叶轮直径和效率数据可知，导流罩能够有效减小转子直径并显著提升能量捕获效率。

图9 哈尔滨工程大学“海明Ⅰ”

⒉垂直轴式水轮机

垂直轴式水轮机叶轮的主轴与水流方向垂直，起步较早，具有适应任意流向、叶片结构简单和密封性要求低等优点，但同时获能效率低、启动流速高且叶轮结构复杂。该类型适用于流速较低、流向复杂多变以及水深中等和较浅的海域，与水平轴式水轮机适用范围形成互补。根据叶片受力方式可以分为：升力式、阻力式和混合式。

⑴升力式

垂直轴式水轮机中最常见的形式为升力式，利用水流流经叶片上下表面产生的压力差（升力）推动转子旋转，主要包括Darrieus型、H-Darrieus型和Gorlov型。升力式获能效率较高，但自启性较差，适用于流速相对较高的海域。

①法国OceanQuest

法国HydroQuest公司研发的OceanQuest（图10），机组由2台双层垂直轴水轮机构成，采用坐底式三脚架结构，装置长24.7m、高9.8m。其额定功率为1MW，转子直径8m，上下层转子以60°相位差反向旋转。2021年，该装置结束了在Paimpol-Bréhat试验场为期两年的测试，验证了其设计方案的可行性。目前，该公司正在推进FLOWATT项目，计划安装6台2.8MW的Ocean-Quest二代设备，建设总装机容量17MW的潮流能电站，年发电量可满足20000名居民的正常用电需求。

图10 法国OceanQuest

②美国TidGen

2023年，美国ORPC（Ocean Renewable Power Company）在缅因州Cobscook海湾完成了TidGen单涡轮机型的海试，如图11所示。TidGen采用横置螺旋叶片设计，叶片由先进复合材料制成。机组配备浮力张紧式系泊系统，适用于深水环境，公司下一步计划在同一地点进行全尺寸样机验证。此外，该公司还设计了适用于河流浅水低流速环境的RivGen及其模块化机组。

图11 美国TidGen

③韩国TEC-ESS系统

韩国海洋科学技术研究所（KIOST）研发的潮流能转换器-储能系统（TEC-ESS）于2023年6月在Uldolmok潮流发电试点电站安装并投入运行，如图12所示。该系统配备两台总装机容量100kW的垂直轴水轮机与一套500kW储能系统，以协同发电模式克服潮流能的间歇性问题。作为世界上首个适用于海岛地区的100kW级TEC-ESS示范项目，该系统采用双混合潮流能发电技术后，发电效率提高了约15%。在运行的一个月内，其发电量为11684kWh。

图12 韩国TEC-ESS系统

⑵阻力式

阻力式利用水流冲击叶片表面产生的阻力作为转子驱动力，以Savonius型为典型代表。该类型自启性较好、工作转速低，但获能效率低，因此在实际工程中很少使用。

瑞典Seapower公司设计的EXIM装置与传统的S型风机（叶片平行于转轴）不同，其采用螺旋叶片，转轴截面为S形，如图13所示。阻力式水轮机的获能效率较低，但有研究显示，该种装置最大获能效率接近0.2。2003年9月，该公司在苏格兰Shetland群岛的十个地点进行水下测试，以检验EXIM装置的性能。Seapower公司曾制造一台额定功率为2kW的EXIM样机（直径1m，高1.5m），并在波兰Gdansk海域进行了海试。

图13 瑞典EXIM

⑶混合式

混合式的驱动力包含水流的升力和阻力，同时具有良好的自启性和较高的能量捕获效率，适用范围较广，但结构较为复杂、成本较高。

中国海洋大学与北京机械科学研究院合作研制的5kW柔性叶片水轮机（图14），采用漂浮式带导流罩的垂直轴形式。柔性叶片结构简单，柔性材料可以自动调节攻角，能够充分利用水流的升力和阻力，具有较好的自启性和较高的获能效率。水轮机采用八边形结构，叶片为帆翼式等腰三角形，双浮体升降式结构便于转子与叶片的维护。叶轮直径为1.5m，高为1.3m。2008年12月，该样机在山东青岛斋堂岛水道完成了测试，流速为2m/s，样机尺寸为6m×5m×2m，自重6.5t，吃水深度1.6m，聚流系数1.3，最大载重3.85t，获能系数为0.28～0.30。

图14 中国海洋大学5kW柔性叶片

⒊其他类型发电装置

在潮流能发电装置中，除传统水轮机之外，其他技术类型按技术成熟度可划分为两类：一类是已具备一定技术成熟度并开展了工程示范的振荡水翼式和水下风筝式；另一类则仍处于实验室或小试阶段，主要包括涡激振动式、压电式和风帆式等新兴技术。

⑴振荡水翼式

振荡水翼式发电原理：水流流经水翼上下表面形成压力差，带动水翼的升沉与俯仰运动，以此捕获动能，驱动发电机发电。振荡水翼运行噪声较低，对海洋生物影响较小，稳定性较好。该装置可部署在浅水及河流中，但目前技术成熟度较低、控制复杂。

2002年，英国EB（Engineering Business）公司建成Stingray，并在苏格兰Shetland群岛附近Yell Sound完成了测试。该装置采用坐底式结构（图15），额定功率为150kW，水翼长15.5m，弦长3m，摆臂长11m，摆臂范围在上下35°内。2003年夏季，样机在Yell Sound进行了重新安装，在2m/s的流速下，最大功率达到了117.5kW。

图15 英国Stingray

⑵水下风筝式

水下风筝式采用机翼与水轮机组合的形式，利用机翼在水流中产生的升力，使装置沿预设的“8”字形轨迹高速运动，能够数倍提升流速，高速运动带动水轮机转动，从而产生电能。水下风筝的获能效率高、阵列化潜力大、材料利用率高，适用于低流速、深海水域，但控制复杂、维护成本高。

瑞典Minesto公司致力于水下风筝技术研发。2018年春季，公司在北威尔士Holyhead深海区成功安装了额定功率为500kW的DeepGreen500，并在同年10月份首次使用DeepGreen500发电，验证了水下风筝技术的可行性。2022年5月以来，两台100kW的Dragon4机组在Faroe群岛相继部署，如图16所示，创下能源产量新纪录。2024年2月，该公司在Faroe群岛成功并网额定功率为1.2MW的Dragon12，使其成为全球首台并网的兆瓦级风筝式潮流能发电装置。该机组翼展12m，采用55～100m长的系绳并配备直径3.5m的水轮机。2025年6月，Dragon12通过将系绳延长10m，发电性能提升了约25%。

图16 瑞典Dragon4和Dragon12

⑶涡激振动式

2005年，Bernitsas M教授提出一种名为用于水生清洁能源的涡激振动（VIVACE）装置。VIVACE的原理为水流绕圆柱流动时激励圆柱振动，以此捕获流体动能。该装置能够利用低流速资源、环境友好，但技术成熟度不够、依赖政府补助，尚未吸引大规模投资，适用于低流速、生态敏感水域。

2011年8月，美国VHE（Vortex Hydro Energy）公司在密歇根州Huron港的St.Clair河流域进行了VIVACE的首次现场测试，装置采用两个水平圆柱体。2012年9月，该公司在该地进行了第二次测试，装置采用一个垂直圆柱体。2012年12月，荷兰Tauw公司引进VIVACE技术，在荷兰Ijssel河进行了两个月的测试，测试单元机械性能良好，但产能未达最优。2016年6月，VHE公司进行了第三次为期三个月的测试，如图17所示，装置采用四个垂直圆柱体，测试结果验证了该装置的耐用性。

图17 美国VIVACE

⑷压电式

压电式由前方钝体与后方柔性压电材料构成。钝体产生涡旋，激发压电材料运动，运动产生的变形导致压电膜产生应变，进而使材料两端产生电压。压电式成本低、无空化，但压电材料的压电常数较低，获能效率有限，适用于低流速海域，可为微型传感器供电。

图18所示为美国OPT（Ocean Power Technolo-gies）公司开发的Eel装置。该公司计划开发在1m/s的恒定流速中产生1W功率的装置，该装置将由5条Eel组成，每条长约1.32m，宽约0.15m，厚400μm。材料采用三层结构：中间为非活性层，两侧采用PVDF（聚偏氟乙烯）压电层。

图18 美国Eel

⑸生物膜式

生物膜式由上方生物膜与下方支撑结构组成，将生物膜表面作为能量捕获器，通过流体运动与起伏结构耦合来产生并传输能量。该方式不受空化问题和Betz定律限制，但海试时间较短，长期可靠性无法保证，适用于低流速、浅水海域。

图19所示为法国EEL Energy公司研发的EEL。2022年，该公司在法国Brest港安装了一台30kW样机，经过为期9个月的测试，证实了其能量捕获效率为62%，首次超过Betz极限。2023年，该公司在Rhône流域安装了第一台50kW的商用前设备，并计划于2026年前测试一台1MW（500kW×2）的潮流能发电装置。

图19 法国EEL

⑹风帆式

风帆式将海洋航行原理与高山索道技术结合，利用风帆驱动发电机，获能效率高、成本低、重量轻，但能量密度较低、占用面积较大，适用于流速较低的开阔海域。

图20所示为挪威Tidal Sails AS公司研发的Tidal Sails。2007年，该公司在Skjoldastraumen部署了第一台设备“Classic”，但未能达到预期。2011年，该公司设计了第二代“Triangle”，采用三站式结构，性能超过Betz极限，但锚泊系统过于复杂。2015年，该公司研发了第三代“TackReach”，恢复两站式结构，额定容量为4MW，长500m，重4.2t，并于2016年8月成功并网。目前，该公司正在研发第四代“BeamReach”，将采用200个不对称铝制风帆，可同时驱动4台发电机。

图20 挪威TidalSails

⑺摩擦纳米发电式

2012年，王中林院士提出摩擦纳米发电机（TENG），TENG基于摩擦起电与静电感应的耦合作用，通过机械形变驱动电荷分离与转移，将机械能转换为电能。TENG主要有四种工作方式：垂直接触-分离式、水平滑动式、单电极式和独立层式。

TENG在低频时仍有80%的能量转换效率，远超传统电磁发电机，且具有成本低、耐腐蚀等优点。TENG可提高包括潮流能在内的海洋能利用率，并能够作为微型能源系统向海洋传感器等监测设备供电，在海洋能源捕获方面具有巨大潜力。然而，其功率密度低，难以实现规模化发电。随着我国首个TENG波浪能试验场的建立，这项技术将从实验室走向工程应用，并逐步推广至其他海洋能源领域。

⒈可靠性

影响潮流能装置可靠性的因素主要包括环境、水动力-结构及并网过程。环境因素包括极端风浪、海水腐蚀、泥沙运动和生物附着；水动力-结构因素包括结构疲劳、空化和密封失效。极端风浪会加剧结构疲劳，导致装置发生位移甚至破坏，而海水腐蚀、泥沙运动和生物附着则会损伤结构、降低效率并影响密封性。结构疲劳是结构在交变荷载反复作用下，内部产生疲劳裂纹导致的结果。关键部位的疲劳会降低整个水轮机的效率，影响其使用寿命。叶片背面的气泡会影响效率，气泡破裂时产生的强烈冲击波会破坏叶片表面并增加机械运行噪声。密封失效会使得海水进入机舱，导致电气部件故障或短路。此外，并网发电装置必须具备严格的低电压穿越（LVRT）能力，以确保电网电压骤降期间持续并网运行。若在此过程中发生脱网，将加剧供电中断风险并危及系统稳定。随着可再生能源渗透率的不断提高，满足LVRT要求已经成为保障电网可靠运行的关键条件。

这些因素直接影响潮流能发电装置的可靠性，导致设备故障。例如，2007年5月，加拿大Clean Current Power Systems公司CC100B同系列65kW示范项目结束，但测试过程中水润轴承系统表现不佳，使得该公司在2008年对设备进行了改装；2010年8月，新加坡Atlantis Resources公司的AR1000在接入EMEC电网后不久就出现了叶片断裂的情况。为降低设备故障率并提高可靠性，可以从材料改进、智能监测等方面着手。

⒉经济性

影响经济性的主要因素包括：高昂的资本支出（CAPEX）、不可控的运维支出（OPEX）、较低的技术成熟度及间歇性发电。其中，海上施工是第二大资本支出项目，高度依赖特种作业船舶，其作业窗口受风浪与潮汐的严格限制，且对安装精度要求极高。LCOE，即项目生命周期内总成本/总发电量，是判断经济性最直接的指标。在海洋能领域，潮流能的LCOE为0.20～0.45$/kWh，处于中等水平，LCOE最低的是固定式的海上风能，仅为0.09$/kWh。技术成熟度（TRL）分级是评估经济性的基础。国内潮流能TRL处于7～8级，属于预商业化阶段，相较于海上风电TRL9的商业化阶段还存在差距，只有实现TRL从8级到9级的跨越，才能大幅降低LCOE并提高经济性。间歇性发电的发电量和发电时间由自然条件决定，而非市场需求，往往使得电价低于市场平均价格。此外，为了保证电网稳定，必须配套储能设备或其他可调度电源，这将增加额外支出。

⒊环境适应性

潮流能发电装置的运行会对海洋环境产生多方面影响，主要包括对海洋生物的直接威胁以及对局部水动力环境的改变。首先，装置的运动部件可能导致海洋生物面临约6%～19%的碰撞风险。同时，齿轮箱与发电机产生的水下噪声会干扰海洋生物行为，研究表明，某些生物在距离装置10～15m范围内便会出现避让行为。此外，装置的运行会扰动局部流场结构，引起流速、湍流强度等关键水

动力参数的变化。这种水动力条件的改变将进一步影响沉积物的输运过程，可能引发海底冲刷或淤积，从而改变原有的地貌特征。在中国近海的特定环境下，潮流能开发还面临流速普遍偏低、富集区常与航道或生态敏感区重叠等多重约束，使得选择环境友好型的场址成为一项尤为突出的挑战。

基于上述可靠性、经济性与环境适应性三方面挑战，本部分将阐述与之对应的未来发展趋势。具体而言，为应对经济性挑战，机组大型化与阵列化可通过规模效应降低LCOE，而多能互补系统则有助于增强输出稳定性、提升并网收益。在提升可靠性方面，智能化运维借助实时监测与预警手段，可显著降低故障发生率与OPEX。针对环境适应性挑战，生态协同致力于缓解装置对局部水动力以及海洋生物的影响，推动开发与保护相协调。同时，针对我国近海流速低、资源富集区与航道重叠等约束，适配化开发旨在探索因地制宜的解决方案。潮流能开发存在的挑战与未来发展趋势的对应关系如表1所示。下文将依次对上述五项发展趋势进行详细论述。

表1 潮流能开发挑战与未来发展趋势的对应关系

⒈大型化与阵列化

对于任何一项技术而言，实现商业化是其在市场中立足的根本前提。其中，机组的大型化与阵列化是走向商业化的两大基石，旨在通过规模化效应直接降低LCOE，从而提升经济性。世界潮流能机组已经进入兆瓦级时代，单机容量不断扩大。2025年2月，我国六部门联合出台的《关于推动海洋能规模化利用的指导意见》指出，将建设浙江舟山百兆瓦级潮流能规模化利用重点工程。阵列化中机组的布局最为关键，尾流是影响排布的重要因素，会影响下游机组的获能。机组之间的纵向和横向间距都会影响尾流，有学者根据目前的研究提出合适的纵横间距为：横向间距2D（D为转子直径），纵向间距15D以上。基于高性能计算机集群的多目标自动优化阵列布局，能够综合考虑不同约束条件得到最优解，这比传统布局形式更具现实意义和经济性。但大型化带来的支撑结构和材料强度等问题需要解决，而阵列化则面临尾流效应和集群控制的挑战。

⒉多能互补

要解决间歇性发电问题，能源之间的互补性是关键，互补性越高，并网的可能性越大，对储能设备或其他可调度电源的依赖性越低。潮流能的多能互补形式是将潮流能机组置于水下，水面结合风能或波浪能装置，这种组合比单一能源更稳定高效。国内外学者都对此进行了研究，例如，2015年，美国Gorlov Helical Turbine公司在缅因州科布斯库克湾建立了潮流能-波浪能联合发电站，水轮机叶片采用螺旋形，运行更加稳定；魏东泽等设计了一种桩柱式潮流能-风能发电装置，上部利用风机进行风力发电，下部利用垂直轴水轮机发电，水轮机采用可升降形式，根据实际水流情况确定安装位置。

截至2017年底，我国有居民海岛供电率为90.2%，供电以岛外引电为主，自主发电为辅。岛外引电的可靠性与经济性都存在问题，而自主发电的LCOE高达0.86$/kWh。若能实现“海能海用”，利用海岛附近多能互补的海洋能发电系统，将大幅降低供电成本。此外，海洋能发电系统还可用于海水淡化。然而多能互补系统的设计与运维更加复杂，其工程实践目前仍面临挑战。

⒊智能化运维

潮流能机组运行维护的智能化将直接提升装置可靠性并有效降低OPEX。维护主要包括预防性维护和纠正性维护两类，其中预防性维护是当前智能化发展的重点方向。前端通过对机组关键部位布置传感器，实时采集运行数据；中端借助大数据和人工智能大模型技术对数据进行融合分析，实现健康状态评估和故障预警；后端则集成上述信息，形成面向资产经济性分析与全生命周期管理的智能决策，最终实现自适应调控与运行优化。

在纠正性维护方面，水下机器人已广泛应用于海上风电水下结构的检测，检测内容涵盖结构外观、海生物附着、腐蚀与防腐设施、海缆与附属设施和桩基冲刷。水下机器人在检测的同时，还可开展海生物清理与防腐设施维护等作业。然而，智能运维体系前期投资成本较高，且算法模型在复杂海洋环境中的适应性仍需验证。

⒋生态协同

生态协同是应对潮流能发电装置环境适应性挑战、实现与海洋生态系统和谐共生的根本途径。首先，对于碰撞风险，可在发电装置外围增设防护网。此举不仅能有效阻挡海洋生物的靠近与碰撞，还可拦截海洋垃圾，从而降低设备故障率，但也会相应增加流阻并降低发电效率。其次，针对噪声干扰问题，可采用低噪声的直驱式发电机或磁齿轮等结构，代替传统噪声较大且维护需求高的齿轮箱。最后，关于装置改变水动力环境问题，在项目计划与设计阶段，需精准预测装置对局部流速、流向及泥沙输运等方面的潜在影响，并在此基础上优化布局方式。在运行阶段，需建立长期环境监测机制，以指导生态管理。

⒌适配化开发

我国近海潮流能资源开发主要面临两大难题：一是流速普遍偏低；二是资源富集区域与重要航道高度重叠。针对以上挑战，本文提出以下应对策略。首先，在宏观选址层面，必须满足以下条件：①水深10～15m；②流速0.5～4m/s；③流向基本稳定；④场址靠近岸边且地质层稳定，海床淤积较少，不易发生海洋灾害。同时，必须严格避开生态敏感区、军事管制区及航运主航道。

在此框架下，针对低流速问题，可采取以下技术路径：①采用悬浮式导流涵道，利用负压引流实现自主对向与自然增速，解决低流速动能不足问题；②优化叶片气动型线，配合最大功率跟踪控制，提升低流速条件下的能量转换效率；③采用叶片与轮辋转子一体化设计，以高线速度补偿低转速，提高发电效率；④引入磁悬浮技术与浮力调节，减小机械摩擦，实现低流速启动与高效传动。针对航道占据潮流能资源富集区域问题，在遵循上述选址避让航道原则的前提下，一方面可与防波堤、桥墩等现有基础设施融合，如借鉴荷兰Tocar-do T2机组集成在防洪大坝的案例，实现空间复合利用；另一方面可探索“凿礁成道”等创新性方案，通过局部改造海底地形，在非航道区域人工塑造高效水流通道。

潮流能作为海洋能的重要组成部分，其发电形式虽然还是以水轮机为主，但近年来其他类型也在积极探索并取得实质性进展。其中，在2024年全球新增的3台发电装置中，有2台为水下风筝形式，占新增装置总数的66.7%；新增总装机容量1.418MW，其中并网的Dragon12单机容量达1.2MW，呈现出技术路径的多元化趋势。以建设海洋强国为目标，潮流能资源利用旨在为推动能源结构调整贡献力量，而实现商业化是其关键突破口。但完成商业化，必须同时兼顾可靠性、经济性与环境适应性，而商业化进程与这三者之间往往相互制约，因此，如何平衡其关系是一个重要问题。面向商业化应用，潮流能技术正朝着大型化与阵列化、多能互补、智能化运维及生态协同等方面发展；同时，针对我国近海的适配化开发也成为推动资源高效利用的关键路径。

我国潮流能技术近年来取得显著进步，在2024年IEA认证的全球海洋能领域20大亮眼工程中，LHD入选仅有的7个潮流能项目，展现出国际竞争力。然而与先进水平相比，仍存在明显差距：英国已拥有MeyGen、O2等多项成熟潮流能项目，瑞典已完成兆瓦级风筝式装置的并网，而我国代表性项目较少、新型装置研发相对滞后，总体处于预商业化阶段。在技术特点上，我国针对近海低流速环境，形成了以LHD模块化设计、导流罩技术为代表的适配化探索；在验证体系上，已建立“科研-样机-示范”的完整链条。为进一步加速商业化进程，需强化政策、产业与科研的协同发展：政策端应完善资源勘查与标准体系，加大扶持力度；产业端需推进从单机示范到阵列化的进程，并探索多能互补的工程可行性；科研端应聚焦低流速适配、智能运维与生态友好等关键技术的突破。通过上述协同推进，有望缩小这一差距，为我国“双碳”目标的如期实现提供稳定的清洁能源支撑。

【作者简介】文/郭震 陈斌 梁肖瑶 李亚楠，分别来自海洋石油工程股份有限公司、哈尔滨工程大学船舶工程学院。第一作者郭震，1997年出生，男，硕士，助理工程师，主要从事海洋石油化工装备设计等研究。文章来自《海洋技术学报》（2026年第4期），用于学习与交流，参考文献略，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。