向海洋要能源，是人类进入21世纪以来最为迫切的需求之一。一方面，传统化石能源的大规模使用，使全球变暖、极端天气、环境退化等问题日趋凸显，另一方面，传统化石能源似乎也很难再持续支撑人类社会更长远的发展需求，因此加快找寻和开发利用新型清洁可再生能源来填补能源缺口乃至替代传统化石能源是实现能源转型的必然趋势，其中具有储量大、可再生、无污染、可综合利用等特点的海洋能，就蕴藏在占地球面积超过70%的汪洋大海之中。

据国际能源署(IEA)海洋能系统(OES)给出的定义，海洋能是指依附于海水中的能量，主要能种包括潮汐能、潮流能、波浪能、温差能和盐差能。据联合国教科文组织1981年出版的Harvesting Ocean Energy一书中的估计，全球海洋能理论可再生总储量为766亿千瓦，但技术上可开发利用的储量仅为64亿千瓦。目前，开发利用潮汐能、潮流能和波浪能的技术成熟度相对较高，在国际上已有多家单位研制了相应装置并完成商业化尝试。

我国现状

在资源评估方面，国外在20世纪末就已建立潮汐能、潮流能资源评估的技术方法体系，并将发电水头及切入/切出流速用于特征量估算。我国海洋能资源具有储量大、分布广、密度低的特点，因此更需要精准的资源评估技术和体系。此前，我国虽在海洋管理部门的组织下进行过多次海洋调查，但获取的大量数据并未与海洋能技术属性相结合，缺乏特征值和指向性，难以精准区分开发储量、划分重点海域。

在技术研发方面，潮汐能、潮流能和波浪能具有各自的技术研发路线和水平。

潮汐能利用属于低水头水力发电技术，技术相对成熟。国外多在大潮差(高于10米)处建设装机容量较大的电站，如法国朗斯潮汐电站以及韩国始华湖潮汐电站，其一般采用灯泡贯流机组，具有复杂的内流道结构，通过较高水头来弥补效率较低的问题，装机容量超过百兆瓦。江厦潮汐电站是我国第一座双向潮汐电站，同样采用灯泡贯流机组，但由于潮差较低(约6米)，装机容量仅在兆瓦级，度电成本较高。目前，西安理工大学提出将双向全贯流技术用于潮汐能发电的方案，并探索研制了双向性能较好的贯流式低水头转轮。

潮流能利用在国外收敛于水平轴技术，但进入示范或商业化运行的机组基本针对高流速海域，例如，挪威、英国等国使用的装机容量在兆瓦级以上的机型均有流速高、惯量大、密封损耗大等特征，而且启动流速需高于0.7米/秒。不同的是，低流速潮流广泛分布于我国四大海域，资源储量丰富，技术研发需求高。为此，中国海洋大学、浙江大学、东北师范大学等单位已先期对低流速下的百瓦级和千瓦级机组进行了探索性研究。目前，国内装置多为固定式，效率依赖于流向，虽可利用变桨距控制技术，但可靠性较低，具备自主对向功能的机组应用尚不成熟。

波浪能利用目前可主要归纳为振荡水柱、越浪、振荡浮子这三大类技术。国外的波浪能装置大多依照窄谱波场设计，这种波场具有波浪能量多集中于某一特定波浪频率的特点，并催生了诸如英国的“鸭式”(Duck)和“海蛇”(Pelamis)、芬兰的“企鹅”(Penguin)、美国的“动力浮标”(PowerBuoy)等装置，装机容量接近兆瓦，整体效率接近20%。在国内，中国科学院广州能源研究所的鹰式波浪能装置亦适用于窄谱大浪区，中国海洋大学的组合型振荡浮子式装置以及碟型越浪式装置、华南理工大学的组合浮力摆式装置等则适用于小波能海域，效率接近18%。目前，波浪能装置的获能体自由度不多于3个，效率尚有较大提升空间。

在试验测试方面，英国的爱丁堡大学(建有海浪模拟水池“FloWave”)以及欧洲海洋能源中心(EMEC)拥有目前国外最先进的试验测试条件。我国尚未形成专门的试验测试体系，缺乏类似的测试场，而这在很大程度上制约着我国海洋能装置研发创新与试验实践。当前，为提供高水平海洋能源研发及测试公共服务，瞄准EMEC等国际高水平海洋能测试场，建设国内领先、国际一流的高水平海洋能测试平台，中国海洋大学正同青岛海洋科学与技术试点国家实验室协力建设海洋能研发测试平台。平台现已建设完成海洋能海上综合试验场一期工程，并形成基本测试能力，将能满足潮流能和波浪能装置大比尺(原型)现场测试要求，为国内外海洋能装置研发提供支撑。

当前，依托国家重点研发计划，中国海洋大学牵头并联合鲁东大学、西安理工大学、大连理工大学、华南理工大学等12家单位组建项目团队，立足于我国资源特性，聚焦潮汐能、潮流能和波浪能的高效利用，在资源评估、技术研发和试验测试等方面开展了大量相关研究和技术创新研发，取得多项重要进展，例如，构建海洋能大数据库平台，精准评价我国海洋能重点区域资源特征;通过机理创新，以提高转换效率为核心目标，研制适合于我国资源特征的低水头双向全贯流潮汐能原理样机、悬浮轮辋转子潮流能发电装置样机、多自由度波浪能装置样机等，整机转换效率处于国内领先、国际先进水平;研制海洋能装置性能评估实验室集成测试系统;建立海洋能全生命周期实海况综合测试技术等。

资源评估

为形成更为实用的资源评估体系，团队引入了潮汐的纳潮能、潮流的单宽能流通量、波浪的获能谱等用于指导海洋能资源技术评估和开发的物理概念，理论认知程度国际领先。为解决我国重点开发海区海洋能长期时空分布数据尤其是波浪能储蓄量数据严重缺乏的问题，团队通过对合成孔径雷达(SAR)影像、卫星高度计等大量数据的联合处理和应用，研发了先进的时空分布数据提取方法，并成功提取了我国海域波浪能储蓄量的时空分布数据。

对于潮汐能和潮流能资源评估，团队基于前期工作积累及相关研究成果，通过收集采集和分析我国海域的相关数据和历史资料，开展深入研究，确定资源重点海区，并在重点海区应用研发的高精度潮流-波浪耦合模型，以精确评估其蕴含量;对于波浪能资源评估，团队基于长期波浪再分析数据，对我国海域波流能的时空分布规律进行定量描述，并在重点海区应用WW3和SWAN相互嵌套的波浪模式，对我国沿海波流能的时空变化进行高精度模拟。

为全面描述我国海洋能资源特征，精确评价重点区域储量分布，团队进一步构建了海洋能大数据平台。具体而言，团队基于研发的海洋能大数据智能处理技术，构建了动态模型，为预测未来分布态势提供数据支撑;研发了多源海洋能大数据时空异构存储模型体系，建立了跨模态海洋数据的普适存储模型体系，建立了矩阵式、智能化、层次化的存储访问优化策略，开发了面向分布式数据存储系统的高可靠同步调度方法，构建了高可用、弹性可扩展的存储架构;探索突破了千万核规模并行数据传输、高精度可视显示、远程可视化、原位并行可拓展绘制、自适应特征增强绘制等技术，并基于云地理信息系统(GIS)和空间大数据计算环境，研发了海洋能大数据展示系统。

此外，团队通过综合考虑全球气候变化及技术发展，合理分析我国海洋能长期走势，绘制了2025年我国海洋能发展路线图;研究了我国海洋能发展未来20～50年情景模拟分布，生成我国近海地区的海洋能开发量分布图、海洋能开发技术发展趋势图、海洋能开发综合趋势图等。

技术研发

潮汐能为克服常规水轮机转轮设计方法无法均衡水轮机双向运行时水力性能的问题，提高低水头潮汐能双向全贯流式水轮机的能量转换效率，团队提出了可均衡提升水轮机正、反向运行性能的双向高效全贯流水轮机转轮的全三维设计理论。同时，为克服传统水轮机过流部件优化设计方法冗余的问题，提升双向全贯流式水轮机优化设计的自动化和智能化水平，团队建立了兼顾正、反向性能的贯流式水轮机智能优化设计体系。这两项创新成果是决定潮汐能大规模高效开发利用的关键技术，而其在国内外却普遍缺乏研究。

双向全贯流机组内部的水压力脉动是诱发机组外在振动的主要原因之一，而其机理仍不清晰，多因素影响规律尚缺乏研究，致使机组的水力振动难以在水力设计阶段得到有效控制。为此，团队综合理论分析及试验测试方法辨识获得双向全贯流机组内部水压力脉动的产生根源，并探明水压力脉动对机组外在振动烈度的影响规律，从而阐明机组水力激振的产生机理，这将为全贯流机组的稳定运行提供可靠保障。

潮汐水头的剧烈变化导致发电机输出功率变幅大，即使采用变频控制后电流波形仍存在大量谐波，这会显著影响电网稳定性。此外，双向全贯流机组工况转换频繁，转轮叶片和轴系经常受到交变力矩的冲击，这会影响机组的使用寿命。为提升双向全贯流机组的电能输出质量，降低工况转换对机组的冲击，改善机组的使用寿命，团队研发了可双向运行的高效率永磁同步发电机，并首次提出采用四象限变频器提高工况转换过程中的机组偏工况效率和稳定性的技术方法。

潮流能团队创造性地提出了自动对向悬浮式载体的设计方案，其利用系泊悬浮方式实现水轮机在双向潮流中的自动对向，并与涵道导流结构结合，实现对潮流流速的加速，提高潮流的利用效率，降低水轮机的外部启动流速，以契合我国潮流能资源特点。团队创新提出了轮辋转子一体化技术，其充分利用轮辋结构发电，适合涵道内的流速分布，利用叶片根部获能，同时通过新型发电机拓扑结构，实现转子和叶片的集成设计，取消了动密封装置，大幅降低启动转矩，能够显著改善发电机的运行效率，提高发电机的可靠性。这两项成果均为国内首创，可实现低速启动和高效获能发电，具有推广和应用示范的价值，团队也据此研发了海试样机。

波浪能团队揭示了波浪能在获能体多自由度运动下的空间分布及相互作用规律，证明了存在各自由度最优的能量摄取机构(PTO)。团队建立了装置在受约束条件下的多自由度能量转换数学模型，应用线性PTO分析并推导轴对称振荡体沿3个自由度的运动响应，得到各自由度的相互影响与相应的最优阻尼系数，并研究了装置形状、吃水等参数对附加质量、辐射阻尼系数和波浪扰动力的影响;考虑装置非线性粘性阻尼系数，结合随机波理论，建立了装置运动时域计算数学模型，得到装置的运动响应及输出功率;验证了装置的最佳几何参数与重量。

团队提出了多向联动复合PTO的设计方案，其将锥型齿轮与滚珠丝杆相结合，具有高效传动、随动避险等功能，且具有完全自主知识产权。该方案选用机械式PTO，可以消除液压传动系的泄漏风险和损耗，减少管线布设的复杂性，提高可靠度。基于多向联动复合PTO的设计原理，在汇集并摄取获能体多自由度运动能量的同时，将PTO反力作为获能体的反馈，用以修正波浪响应、更准确地预测捕获-转换效率;新增的主动控制单元，可根据所处海况实时调整PTO参数，实现瞬时波能转换效率最大化。

Rolling装置是团队提出的全新概念，也是团队研发的具有完全自主知识产权的新装置。团队根据水动力响应，经过数值模拟和模型试验，设计装置外形，以达到尺寸-阻尼-质量的最优匹配。在前期多自由度获能装置研究的基础上，团队通过理论分析、数值计算、水槽试验等方式，建立装置的物理与数值模型，在空载与配载工况下获取波浪响应，得到显著频响范围，并作为装置质量与几何参数选择的依据，进行获能体设计;采用成熟的数值模拟技术，分别建立捕获、摄取、储能、发电模块，确定能量传递变量及其传递关系，以全程效率最大化为目标，通过反馈-耦合运算得到波浪能-电能的合理匹配，并据此设计工程样机，预期效率可达20%。

试验测试

团队提出了“虚实结合”的验证模式及全过程模拟测试技术，所选方法涵盖从物理模型试验到实海况测试的全部验证过程，其中“虚”是指数值计算与模型试验的结合，“实”是指环境输入与电力输出的比较。

团队在原理上创新提出了协调各相似准则的新方法，突破模型试验的离散性与间断性，平滑联接能源输入端与电力输出端，从而完成全过程模拟的准则一体化，并研发了国内首套潮流能、波浪能室内模型试验的PTO加载系统，使其具备通用性与可调性;研制了国内首套海洋能装置性能评估实验室集成测试系统，构建了海洋能装置资源-电源全程匹配测试体系。此外，团队给出了从资源到电源的全程测试方案，确定了实海况测试的电力质量评价方法与导则，提出了海洋能全生命周期电力质量综合测试方案，测试水平达到国际先进、国内领先，为今后我国相关规范制订、装置样机研发等提供了重要的技术依据。

自项目启动以来，团队已取得多项进展，例如，完成海洋能评价方法分析;完成多源海洋能数据时空异构存储模型体系建立;完成基于矩阵式、智能化、层次化存储访问优化策略的海洋能大数据库的结构设计、数值建模、实测数据收集;完成20千瓦潮汐能样机方案及结构设计、水轮机总成设计及制作委托;完成50千瓦潮流能样机1套，完成装置优化、设计及制作委托;完成10瓦波浪能装置样机1套，开展物理模型试验，并依据其结果完成Rolling装置优化、设计及制作委托;完成模型试验加载、控制及数据系统的模块设计;完成实验室集成测试系统的PTO加载;完成海洋能电能质量的环境输入-电力输出测试方法等。下一步，团队将按计划完成潮流能装置、波浪能装置海试样机的研制，开展海上测试试验，继续为我国海洋能高效利用的研究和发展贡献力量。