海洋是能源之海。海洋能永世不竭，对人类永续发展意义不凡。
4月艳阳天，东海之滨的舟山摘箬山岛边，三座硕大的火红色海流能发电平台正平稳运行。
一个月来，在浙江大学原创大长径比半直驱水平轴120kW比例样机基础上，国电联合动力技术有限公司研制的300kW电气变桨机组，在舟山摘箬山海洋科技示范岛浙大海流能发电试验基地实海况发电成功，实现270度变桨和并网运行！
“这台机组是工业级的样机，这次海试完善之后，将成为我国第一个成型的海流发电装备产品。”正在现场的浙江大学海洋研究院副院长、机械学院教授李伟介绍说。
从2004年开始，李伟团队即致力于海流能的开发利用，迄今已成功研制了30kW-650kW系列化半直驱机组和涉海特种仪器专用50W- 500W直驱机组两大系列化装备，率先形成水平轴机组列阵并网运行系统和海流能海岛独立稳定供电系统，在海流能发电装备的研制上走出了一条自主研发的创新之路。
国际难题：高效性、可靠性、稳定性
所谓海流能，主要是指由于月球的潮汐作用，引起海底水道或海峡中的海水流动所产生的动能。根据我国沿海130个水道、港口的观测及分析资料显示，我国沿海海流能的年平均功率理论值约为1.4X107kW，属于世界上功率密度最大的地区之一。特别是浙江舟山群岛附近水道，平均功率密度在20kW/m2以上，开发环境和利用条件十分有利。
海流能发电的主要应用，是满足无电、无水、无人的‘三无’岛屿或一些远离大陆海岛的特殊供电需求，实现就地取能、海能海用。
要从流动的海水中获取动能发电，关键在于捕获转换能量的装备，必须攻克作为能源机械的高效性、作为海洋服役环境装备的可靠性和作为间歇能量供电单元的稳定性三大国际性难题。
“术业有专攻，国内外同行在某一方面有他的专长，解决了单个的问题。但同时解决这三大问题的，目前就属浙大研制的大长径比半直驱高效水平轴海流能系列机组。”李伟表示，浙江大学提供了一个整体解决的方案，形成了我国原创的新机型。
技术方案：大长径比、半直驱、整机优化设计
海流发电装备主要有水平轴、垂直轴和振动式3种基本形式，浙江大学研发的海流发电机组属于水平轴结构。“和另两种相比，只有水平轴形式能冠以‘高效’。海水流过去，接近一半的能量可以提取出来。”李伟介绍，垂直轴的优势是可以“万向”，不管流从哪来，是涨潮还是退潮，都可运转。但水流过来时，垂直轴一边产生动力矩，对称的一边必然产生阻力矩，本质上是转矩差做功，其效率不及水平轴的一半。振动式效率更低一些。
“欧美和国际上其他一些国家主要采用高效水平轴的技术路线，特别是在大型机组中，英、美、法、德、挪威等国的主要项目均无例外采用主流的水平轴结构形式。”
水平轴怎么做，其先进技术路线是什么？李伟团队在对比分析后发现，在中大型的水平轴装备中，传统高升速型与直驱型的装备都有其局限性。
国际上传统采用机械升速方案，发电机转速为每分钟几千转，而叶轮的转速每分钟只有几十转，中间通过升速齿轮箱来匹配。但此方案难以解决效率与转速成正比，而旋转系统可靠性与升速比大致成反比的矛盾。
“如果采用直驱型，取消齿轮箱，可靠性相应提高，这在风力发电中非常普遍。但这个方案用于海流发电时有相当的局限性，中小型的可以，中大型不行。为什么？第一，多级对数直驱型机组的径向尺寸必然大，无效挡水面就大，效率就低；第二，海水不能像空气一样能压缩，如果中间有阻挡，必然要从旁边流过去，会造成流态变差，增加叶片的力学载荷，对可靠性产生影响；第三，因径向尺寸大，发电机中心产生的热量传导至水冷外壳的距离较远，不利温升的控制；第四，就是密封问题，这与温升及其变化梯度、频度有关，温度波动会加速水下密封材料的老化。”
针对上述传统技术方案存在问题，浙大团队另辟蹊径，提出了“大长径比约束半直驱整机优化”的设计思路，和“大长径比（轴径向比）”这一综合性能表征指标；揭示了同等功率机组，长径比大者，性能更佳的规律。
“即根据用户对发电效率的需求，对叶轮、低速齿轮箱和亚低速电机等主要部件径向尺寸进行约束性优化设计，最终形成外形狭长流畅，内在性能优异的大长径比半直驱新机型。”李伟介绍说。
同时，课题团队还在变桨和密封两个关键部件上进行创新。一是发明了在狭长叶轮轮廓里具备大推力的液压变桨机构，实现变桨对流增效、变速控制增效、安全发电增效三大功能。二是发明了基于压差概念和三层组合密封结构的动密封技术，使机组水下运行时间达到世界领先水平。
“大长径比、半直驱、高效水平轴”海流能装备研究在国际国内产生了广泛影响。在国际IEC/TC114标委会2017年、2018年主席团全体会议上，中国代表连续两年把浙大原创机型及其进展作为亮点工作进行了专门介绍。
创新路径：原理样机、工程样机、示范运行
浙大团队从事海洋能装备研究是从自选项目开始的。“当时我们想在机械与能源两个领域实现学科汇聚和技术交叉，结合浙江沿海资源优势和服务浙江的目标，将目光盯在海流能发电装备这个研究方向上，在实验室做出了一个5kW原理性样机。”李伟说。
2006年，浙大研制的国内第一台水平轴“水下风车”问世，该装备采用了机械传动原理，在舟山岱山海域发电成功。
2009年，课题组得到国家自然科学基金重点项目资助，成功研制出30kW“半直驱”海流发电装置原型机组，在舟山海域海试发电成功。
2010年，课题组得到国家863项目支持，研制出世界首台液压传动和变桨的海流发电机组。
2013年，浙江大学与国电建立战略合作关系，合作研制系列半直驱高效水平轴的潮流能发电装备。
2014年，课题组在国家科技部十二五重大项目课题、海洋局专项支持下，自主研制的60kW大长径比半直驱水平轴机组，在新建成的摘箬山海洋科技示范岛浙大海流能试验平台入海试验。
“60kW机组项目获得十多项国家授权发明专利，在‘大长径比’约束条件下的整机优化设计、一次捕能机构（叶片）高效设计、动态密封结构设计等方面均有所创新。”李伟介绍，机组至今持续运行时间近四年，是目前国内实际运行时间最长的海流能发电机组，累计运行时间指标达到国际领先水平，海上试验过程与结果被中国船级社验证。
2016年，课题组在国家海洋局专项支持下120kW水平轴半直驱液压变桨机组成功下海，实现了并网运行。该机组在国际上首次实现了在半直驱水平轴海流能发电机组狭长轮毂空间内的大驱力液压变桨，在提高机组获能效率和可靠性方面取得突破。
2017年，浙江大学课题组自主研制的大长径比半直驱650kW机组成功海试并网发电，成为目前国内单机功率最大的海流能发电装备。
2018年3月，由国家海洋局专项支持，国电企业（浙大为项目参加单位）研制的300kW工业级样机在浙大摘箬山岛海域发电成功。
如今，浙大摘箬山海洋科技示范岛海流能发电装备试验基地已建成3个漂浮式海试平台。经国家海洋局统筹，哈尔滨电机厂有限责任公司、杭州江河水电科技有限公司和国家海洋局海洋技术中心研制的装备也将陆续来到基地进行实海况试验。
(文/图 高楚清)
