海洋是能源之海。 海洋能永世不竭， 對人類永續發展意義不凡。
4月豔陽天， 東海之濱的舟山摘箬山島邊， 三座碩大的火紅色海流能發電平臺正平穩運行。
一個月來， 在浙江大學原創大長徑比半直驅水準軸120kW比例樣機基礎上， 國電聯合動力技術有限公司研製的300kW電氣變槳機組， 在舟山摘箬山海洋科技示範島浙大海流能發電試驗基地實海況發電成功， 實現270度變槳和並網運行！
“這台機組是工業級的樣機， 這次海試完善之後， 將成為我國第一個成型的海流發電裝備產品。 ”正在現場的浙江大學海洋研究院副院長、機械學院教授李偉介紹說。
從2004年開始， 李偉團隊即致力於海流能的開發利用， 迄今已成功研製了30kW-650kW系列化半直驅機組和涉海特種儀器專用50W- 500W直驅機組兩大系列化裝備， 率先形成水準軸機組列陣並網運行系統和海流能海島獨立穩定供電系統，
國際難題：高效性、可靠性、穩定性
所謂海流能， 主要是指由於月球的潮汐作用， 引起海底水道或海峽中的海水流動所產生的動能。 根據我國沿海130個水道、港口的觀測及分析資料顯示， 我國沿海海流能的年平均功率理論值約為1.4X107kW， 屬於世界上功率密度最大的地區之一。 特別是浙江舟山群島附近水道， 平均功率密度在20kW/m2以上， 開發環境和利用條件十分有利。
海流能發電的主要應用， 是滿足無電、無水、無人的‘三無’島嶼或一些遠離大陸海島的特殊供電需求， 實現就地取能、海能海用。
要從流動的海水中獲取動能發電， 關鍵在於捕獲轉換能量的裝備， 必須攻克作為能源機械的高效性、作為海洋服役環境裝備的可靠性和作為間歇能量供電單元的穩定性三大國際性難題。
“術業有專攻， 國內外同行在某一方面有他的專長， 解決了單個的問題。 但同時解決這三大問題的， 目前就屬浙大研製的大長徑比半直驅高效水準軸海流能系列機組。 ”李偉表示， 浙江大學提供了一個整體解決的方案， 形成了我國原創的新機型。
技術方案：大長徑比、半直驅、整機優化設計
海流發電裝備主要有水準軸、垂直軸和振動式3種基本形式， 浙江大學研發的海流發電機組屬於水準軸結構。 “和另兩種相比， 只有水準軸形式能冠以‘高效’。 海水流過去， 接近一半的能量可以提取出來。 ”李偉介紹， 垂直軸的優勢是可以“萬向”，
“歐美和國際上其他一些國家主要採用高效水準軸的技術路線， 特別是在大型機組中， 英、美、法、德、挪威等國的主要項目均無例外採用主流的水準軸結構形式。 ”
水準軸怎麼做， 其先進技術路線是什麼？李偉團隊在對比分析後發現， 在中大型的水準軸裝備中， 傳統高升速型與直驅型的裝備都有其局限性。
國際上傳統採用機械升速方案， 發電機轉速為每分鐘幾千轉， 而葉輪的轉速每分鐘只有幾十轉， 中間通過升速齒輪箱來匹配。
“如果採用直驅型， 取消齒輪箱， 可靠性相應提高， 這在風力發電中非常普遍。 但這個方案用於海流發電時有相當的局限性， 中小型的可以， 中大型不行。 為什麼？第一， 多級對數直驅型機組的徑向尺寸必然大， 無效擋水面就大， 效率就低；第二， 海水不能像空氣一樣能壓縮， 如果中間有阻擋， 必然要從旁邊流過去， 會造成流態變差， 增加葉片的力學載荷， 對可靠性產生影響；第三， 因徑向尺寸大， 發電機中心產生的熱量傳導至水冷外殼的距離較遠， 不利溫升的控制；第四， 就是密封問題， 這與溫升及其變化梯度、頻度有關， 溫度波動會加速水下密封材料的老化。 ”
針對上述傳統技術方案存在問題，浙大團隊另闢蹊徑，提出了“大長徑比約束半直驅整機優化”的設計思路，和“大長徑比（軸徑向比）”這一綜合性能表徵指標；揭示了同等功率機組，長徑比大者，性能更佳的規律。
“即根據使用者對發電效率的需求，對葉輪、低速齒輪箱和亞低速電機等主要部件徑向尺寸進行約束性優化設計，最終形成外形狹長流暢，內在性能優異的大長徑比半直驅新機型。”李偉介紹說。
同時，課題團隊還在變槳和密封兩個關鍵部件上進行創新。一是發明了在狹長葉輪輪廓裡具備大推力的液壓變槳機構，實現變槳對流增效、變速控制增效、安全發電增效三大功能。二是發明了基於壓差概念和三層組合密封結構的動密封技術，使機組水下執行時間達到世界領先水準。
“大長徑比、半直驅、高效水準軸”海流能裝備研究在國際國內產生了廣泛影響。在國際IEC/TC114標委會2017年、2018年主席團全體會議上，中國代表連續兩年把浙大原創機型及其進展作為亮點工作進行了專門介紹。
創新路徑：原理樣機、工程樣機、示範運行
浙大團隊從事海洋能裝備研究是從自選項目開始的。“當時我們想在機械與能源兩個領域實現學科彙聚和技術交叉，結合浙江沿海資源優勢和服務浙江的目標，將目光盯在海流能發電裝備這個研究方向上，在實驗室做出了一個5kW原理性樣機。”李偉說。
2006年，浙大研製的國內第一台水準軸“水下風車”問世，該裝備採用了機械傳動原理，在舟山岱山海域發電成功。
2009年，課題組得到國家自然科學基金重點專案資助，成功研製出30kW“半直驅”海流發電裝置原型機組，在舟山海域海試發電成功。
2010年，課題組得到國家863項目支持，研製出世界首台液壓傳動和變槳的海流發電機組。
2013年，浙江大學與國電建立戰略合作關係，合作研製系列半直驅高效水準軸的潮流能發電裝備。
2014年，課題組在國家科技部十二五重大專案課題、海洋局專項支持下，自主研製的60kW大長徑比半直驅水準軸機組，在新建成的摘箬山海洋科技示範島浙大海流能試驗平臺入海試驗。
“60kW機組項目獲得十多項國家授權發明專利，在‘大長徑比’約束條件下的整機優化設計、一次捕能機構（葉片）高效設計、動態密封結構設計等方面均有所創新。”李偉介紹，機組至今持續執行時間近四年，是目前國內實際執行時間最長的海流能發電機組，累計執行時間指標達到國際領先水準，海上試驗過程與結果被中國船級社驗證。
2016年，課題組在國家海洋局專項支持下120kW水準軸半直驅液壓變槳機組成功下海，實現了並網運行。該機組在國際上首次實現了在半直驅水準軸海流能發電機組狹長輪轂空間內的大驅力液壓變槳，在提高機組獲能效率和可靠性方面取得突破。
2017年，浙江大學課題組自主研製的大長徑比半直驅650kW機組成功海試並網發電，成為目前國內單機功率最大的海流能發電裝備。
2018年3月，由國家海洋局專項支援，國電企業（浙大為專案參加單位）研製的300kW工業級樣機在浙大摘箬山島海域發電成功。
如今，浙大摘箬山海洋科技示範島海流能發電裝備試驗基地已建成3個漂浮式海試平臺。經國家海洋局統籌，哈爾濱電機廠有限責任公司、杭州江河水電科技有限公司和國家海洋局海洋技術中心研製的裝備也將陸續來到基地進行實海況試驗。
(文/圖 高楚清)
”針對上述傳統技術方案存在問題，浙大團隊另闢蹊徑，提出了“大長徑比約束半直驅整機優化”的設計思路，和“大長徑比（軸徑向比）”這一綜合性能表徵指標；揭示了同等功率機組，長徑比大者，性能更佳的規律。
“即根據使用者對發電效率的需求，對葉輪、低速齒輪箱和亞低速電機等主要部件徑向尺寸進行約束性優化設計，最終形成外形狹長流暢，內在性能優異的大長徑比半直驅新機型。”李偉介紹說。
同時，課題團隊還在變槳和密封兩個關鍵部件上進行創新。一是發明了在狹長葉輪輪廓裡具備大推力的液壓變槳機構，實現變槳對流增效、變速控制增效、安全發電增效三大功能。二是發明了基於壓差概念和三層組合密封結構的動密封技術，使機組水下執行時間達到世界領先水準。
“大長徑比、半直驅、高效水準軸”海流能裝備研究在國際國內產生了廣泛影響。在國際IEC/TC114標委會2017年、2018年主席團全體會議上，中國代表連續兩年把浙大原創機型及其進展作為亮點工作進行了專門介紹。
創新路徑：原理樣機、工程樣機、示範運行
浙大團隊從事海洋能裝備研究是從自選項目開始的。“當時我們想在機械與能源兩個領域實現學科彙聚和技術交叉，結合浙江沿海資源優勢和服務浙江的目標，將目光盯在海流能發電裝備這個研究方向上，在實驗室做出了一個5kW原理性樣機。”李偉說。
2006年，浙大研製的國內第一台水準軸“水下風車”問世，該裝備採用了機械傳動原理，在舟山岱山海域發電成功。
2009年，課題組得到國家自然科學基金重點專案資助，成功研製出30kW“半直驅”海流發電裝置原型機組，在舟山海域海試發電成功。
2010年，課題組得到國家863項目支持，研製出世界首台液壓傳動和變槳的海流發電機組。
2013年，浙江大學與國電建立戰略合作關係，合作研製系列半直驅高效水準軸的潮流能發電裝備。
2014年，課題組在國家科技部十二五重大專案課題、海洋局專項支持下，自主研製的60kW大長徑比半直驅水準軸機組，在新建成的摘箬山海洋科技示範島浙大海流能試驗平臺入海試驗。
“60kW機組項目獲得十多項國家授權發明專利，在‘大長徑比’約束條件下的整機優化設計、一次捕能機構（葉片）高效設計、動態密封結構設計等方面均有所創新。”李偉介紹，機組至今持續執行時間近四年，是目前國內實際執行時間最長的海流能發電機組，累計執行時間指標達到國際領先水準，海上試驗過程與結果被中國船級社驗證。
2016年，課題組在國家海洋局專項支持下120kW水準軸半直驅液壓變槳機組成功下海，實現了並網運行。該機組在國際上首次實現了在半直驅水準軸海流能發電機組狹長輪轂空間內的大驅力液壓變槳，在提高機組獲能效率和可靠性方面取得突破。
2017年，浙江大學課題組自主研製的大長徑比半直驅650kW機組成功海試並網發電，成為目前國內單機功率最大的海流能發電裝備。
2018年3月，由國家海洋局專項支援，國電企業（浙大為專案參加單位）研製的300kW工業級樣機在浙大摘箬山島海域發電成功。
如今，浙大摘箬山海洋科技示範島海流能發電裝備試驗基地已建成3個漂浮式海試平臺。經國家海洋局統籌，哈爾濱電機廠有限責任公司、杭州江河水電科技有限公司和國家海洋局海洋技術中心研製的裝備也將陸續來到基地進行實海況試驗。
(文/圖 高楚清)