# j. i* c# G" m& f
知乎圆桌期间补充：
比较成功的海洋能装置有哪些？ - 知乎用户的回答0 R- q" ~2 s5 N& t7 V9 x4 _
这是最近另外一个回答，介绍了海洋新能源国际上一些最新动态，对各种海洋能的前景做了一个比较分析，也说明了面临的挑战。
! T) y- g9 A+ N ---------------------原文---------------------------
% Z% L' U2 v% B K9 W* F! F9 t D+ f 看到这个题目很感兴趣，现在公司的R&D部门也在进行一些海洋可再生能源方面的研究。已有答案也提到了海洋能源的几种利用形式：风能、潮汐能、波浪能、温差能，还有人提出洋流、内波发电；矿产资源方面，除了传统的油气，还有深海水合物（gas hydrate）、锰结核, etc。
# I% l& a, H7 I, D
目前offshore风能、潮汐能都已经有成熟的商业化装置，波浪能、温差能也都有试验。深海水合物、锰结核理论上都可以开采，但距离商业化距离甚远。
4 ~' q) W2 O+ x% m 1. offshore风能
9 k- O) ?. X" R% P% Q
这算是本人最了解的，重点说一下。中国东海大桥附近已经建设了海上风电场，但工程设计上和陆上风场相差不大，仍然是座底式的。现在欧美的研究机构热衷于搞浮式的风机，可以建在更深的海域。以下是几种风机的示意图：
/ w9 b4 a# @* E2 X; j4 ~
1 T5 ~1 G2 _% c; z 浅水的风机和陆地上的差别不大，顶多再考虑一下波浪和潮流的荷载、导致的dynamic load和疲劳以及海水腐蚀等等。当大于50m时，座底式的就不经济了。浮式风机的难点在于会晃动的很厉害。这就需要station-keeping system能设计好。图上展示了目前几种类型。其概念其实都来源于海上石油平台几种浮体形式-tension leg platform(TLP), Spar, Semi（半潜式）。工程计算上就是将浮体水动力、锚泊系统力和上部风力荷载耦合起来。每个部分现在都有成熟的软件来做，比如水动力的wamit；锚泊系统就多了去了，简化成线性弹簧都可以；风力荷载有NREL(美国国家可再生能源实验室)的FAST。现在欧美日大部分offshore wind turbine的研究，大体上是研究怎么把这几个体系耦合起来，具体可参考MIT, TAMU, NTU等院所的博士论文和journal paper。
& ^1 H% f: d: J) _" n
6 s8 z( y& w/ D3 k' Y
# K1 o2 E) \7 @5 ~6 m4 u" ]6 J7 { 在浮式风机方面，日本和欧美是走在前列的。这是日本的semi式风力发电机组。西欧据说将来也要建造大量离岸风电场：
http://www.ewea.org/policy-issues/offshore/
. V1 L) k- z( Q. f7 ? 。
! g, a( F* u& x3 \; y2 _
以上所讲的offshore wind turbine，都是一个浮体对应一个风机。现在又提出一个multi-turbine hull的概念。就是一个浮体上安装一组风机，譬如这样：
# n0 X4 j9 B C3 s
+ `! i! R. y0 I* S# A4 }& q. F 还譬如这样：
5 @* O" D7 }7 W+ o0 L , X# S' E5 I% e. g/ o
也许有人要问为毛要往海里建，陆地上不行吗？如下是建在海上的好处。
2 G2 [5 C3 h0 e9 G6 {
有以下优点：（1）海上吹程长，摩擦力小，风速大。学过物理的都知道能量和速度的二次方成正比；所以如果海上风速是陆地上的1.5倍，输出功率则2倍多（当然对wind turbine的设计也提出了更高的要求）；（2）海上可以安装更大型的装置；船能运输、吊装更大的机组（3）近海风场往往距离沿海人口密集地区较近，减少了电力运输的损耗；（4）不会占用陆地的宝贵资源，尤其是西欧、东亚的沿海人口密集地区。
' ]6 c% t' y2 \0 a 当然仍是不少缺点的，否则早就大规模利用了：（1）成本仍然较高，甚至还高过陆上风电，毕竟浮体风机技术还不太成熟；（2）安装、维护成本高，只要开了船，银子就哗哗的上去了，工程船的日费可不是一般的高；(3)所有风电都存在的问题，譬如并网。这点就不多赘述了。
$ C# u( k# V* S, O 可以预见，在政府行为的干预下，海洋风能或许是海洋能里目前最有商业化可能的。但想像烧天然气、煤那样白菜价的发电，短期内我只能呵呵了。
+ R" J, Q8 G" R$ S. T 2. 潮汐能
& V) b: @ A' W, @9 w
已有商业化，参考法国Rance潮汐电站：
: a- c4 W% y# e
3 R# d: b; ^4 F* r# f
潮汐电站也有几种利用形式。一种是朗斯电站采用的形式，在涨潮的时候水从外海通过发电机组进入海湾或内河，落潮的时候海水以相反方向通过发电站，这样一来一去，潮水推动水轮机发电。当然这是适用于潮水比较急的地方。如果潮水比较缓，则可能采取类似水电站的方式，涨潮时开闸门，落潮时闭闸门，这样两边形成高度差发电。
) r1 d2 h$ ~ a. l 1 w. ~7 t+ P/ Y2 [. x/ Z/ n/ k% \+ J
第二种似乎是直接把水轮机置于潮流中发电，不建水闸了。这样问题比较多，搞过海洋观测的应该知道，一些流速仪放到水里经常被水藻缠住，还不谈海里那么多的泥沙和漂浮物.若是直接把水轮机放在潮流里，那实在是作死。置于怎么解决，应该也是目前研究的问题。细节不了解，就不多说了。
f( ]2 E+ ^. v: X& t2 ` 潮汐能的使用范围其实很有限，因为不是啥地方都能利用起来。有几个限制条件
1)潮差; (2)地形。潮差不够，不适合建，海域太开阔也不行。因此只有潮差大的海湾、河口相对合适。但要每个海湾都搞个潮汐电站，你看环保主义者不天天跳出来骂街。潮汐能利用对生态环境的影响也是很显而易见的。譬如类似水电站的模式，造成的后果就是该涨潮的时候不涨，该落潮的时候不落，那些鱼啊鸟啊什么的可惨了。至于水轮机对海底生态的影响，我想也是需要进一步论证的。
( r/ Q* o/ t7 R* y! y$ g 同理，个人认为潮汐能不会成为发电主流，但对Local起到补充作用还是可以的。
5 ?7 k T; Z6 k X! D
（3）波浪能
( ]" N9 I4 t8 h3 r 以前有同学研究过wave energy converter. 很简单的装置，貌似就是一个truncated cylinder插在海面上，圆筒里的自由液面随波浪上下动。圆筒的顶上开个小口，这样液面升的时候排气，液面低的时候进气，推动turbine发电。呵呵，是不是很山寨的感觉。其实和这个很接近：(Oscillating Water Column)
9 h4 u5 @5 b {* ~# P
0 v$ {1 a: F2 q! g: W 还有一种利用浮标的上下往复运动来带动发电机：（Point Absorber Buoy）
8 g& x9 o- p' l4 o* t" t
+ i# D: h- m; m; M, r% l5 u% D
Surface Attenuater： 这是一种蛇形的波浪能转换装置，随波扭动，带动内部的机械传动装置进行发电。
- J. R* g8 @/ d3 j
+ }! w0 e* m2 r" v' _8 H* i; n4 Y 2 o4 b5 ?/ l, k3 u, m3 S. I7 I
overtopping device: 波浪传递过程中，波峰的水涌进浮体的reservoir，与mean sea level形成高度差。水向下流通过turbine驱动发电。
5 f/ k7 d& B0 r' n3 } / X7 `( p* Z, U! t
Oscillating wave surge converter： 一端固定在海底，一段随波浪摆动，通过hydaulic pump驱动发电机。
( L$ v8 G8 _ Z0 j
/ b: u7 G( m- R
前几年佐治亚理工有科学家还研制成功一种很fancy的波浪纳米摩擦发电机。具体原理可以百度。
/ J1 D1 j0 j9 o9 P0 L6 P 波浪能有个较大的优点就是随时都有，全世界哪片海没波浪的，而且这玩意儿昼夜不停。缺点则是好多新能源的通病——能量密度太低、输出不稳定。另外这些装置会产生电磁场，对海洋生物产生一些不良的影响。
0 n6 a$ N& S/ _! `; g- y' A
具体可参考wave power维基百科词条：
Wave power
9 V( Q# g& Z3 X1 U3 P9 t （4）温差能
- G3 y: L( I6 P8 `, k( a 利用海表和海底的温度差，传热介质在海表加热，在海底冷凝，构成循环，推动turbine发电。如图所示工作原理简图。
6 J5 o, Q( a0 p% d: N5 ~
1 y+ [7 D$ \6 n; V& t 在理论上也是没什么问题的。还是那句话，成本太高。
; W" ]7 l! z2 I9 m6 l9 o Lockheed Martin (没错就那家造战斗机的军火巨头)曾设计过一个装置：Ocean Thermal Energy Converter：
Ocean Thermal Energy Conversion · Lockheed Martin+ d2 z8 v5 g. O# _( E, t
把其无码大图搬运过来：
7 m; ^" a" k% p* } q5 J! Z6 E) ~
2 I' Y% k3 q/ g
有木有感觉很写意？
" A) i1 y6 v2 Z( A hehe，估计人家也不会把详细的图给放上来的。不过在读硕士时参加过一个seminar，是一个洛克希德马丁曾参与过这个项目的专家。他向我们展示了一些内部资料。这个玩意儿外形上和半潜式平台很像，但这个上面挂了细细长长的圆筒状物，挂到海底，名曰heat exchange unit。里面应该是流着那种能在室温汽化但又能在4度左右液化的气体（maybe氟利昂？）（有一位好心同学提醒可能是液氨）。至于这些unit的设计分析，和海洋工程中广泛利用的生产立管（riser）非常接近。大概就是有限元建个模再加上wave\current的荷载算一算。软件模拟、图纸上都很好看，可是成本啊成本！
9 {5 i- D, A F, C 5. 矿产资源
/ B; R( R) u2 [% p2 O. A" l 关于天然气水合物（传说中的可燃冰），请看链接：
可燃冰技术进展如何，哪些国家领先，离大规模应用还有多远？ - 电力
% H' Z: E8 Y$ ] 地球化学的人先做前期论证。置于商业开采需要的工程技术，等常规天然气、页岩气用的差不多了再说也不迟啊。
& d' \" G2 `8 |4 L9 D6 h
有机会再来补充吧！
5 J8 z, p. A# a2 o Q0 E9 Y H
------------------------------------------------
* z* U9 z5 ]: f1 \
Updated 03/21/2015
$ d8 G: k1 a( s& O 前几天看资料想起来一个特别有意思的发电方式，来补充下第六点
& g" u" F. i; U. P. y$ b m
6. 涡激振动发电 （Vortex Induced Vibration，所谓VIV）
* @$ @ w6 w" R# b8 S) ] 所谓VIV, 通俗解释：想象一个圆柱置于流水中，水流会绕过去.理想无粘无旋的情况下，流场会很稳定，能得出解析解（平行流流场势+偶极子流场势）；而实际情况，流体是有粘度的，因此会在圆柱表面减速，形成边界层，所谓boundary layer separation。圆柱两侧边界层的发展是不对称的，因此产生了不对称的lift force，导致了和流动垂直方向上的分力。在这种力的作用下，如果恰好和圆柱的某个自然频率相吻合，则会激发剧烈的振动。
' B& A! s' h* p9 V; f" _4 f. l& G 目前工程应用上总是要千方百计地减少VIV，因为VIV高频，如果被激发就很剧烈，十分影响疲劳寿命。但如果换一种思路，倘若设计一种装置，激发出VIV，那这种振动是否可以用来发电呢？
7 G4 |! |7 A' c( {" @4 ^
答案是可以的。
8 ]! m% @$ s% s3 N; z. t
密歇根大学有研究组在做VIV发电. youtube上有视频，我不确定国内的同学是否能看到。
https://www.youtube.com/watch?v=IcR8HszacOE8 N+ i$ {* o% K- z0 D! w% X! }
就贴张他们实验的截图吧。
5 l- h' a* B$ k; B
0 t: f! e0 t1 B p' |# O
这是他们做的实验。流速为2.74节，从左往右。他们布置了四个横向的柱子。在VIV的作用下，这四根柱子做上下往复运动，带动连杆以及水槽上方的机械传动装置进行发电。看起来还是很fancy的说。
2 x7 n; v6 u9 o0 ]1 h# U- W
这是一张网上的概念图，有密集恐惧症者慎看。。
$ B$ `* x# n: o- a9 z
, ^) P U% M: }$ v. X) Q 这种VIV发电方式据说能量密度比用水轮机和波浪发电效率更高，1一方米的水可以发51瓦特的电，并且在流速低于1节时就可以。其实以前也和导师探讨过VIV发电的问题，不过他倒很不以为然。。VIV非常难预测，湍流至今是流体力学领域里一个悬而未决的问题。这种方式仍处在实验室阶段。湍流随机性太高，难以得到精确解。这就需要数学、流体力学等各学科研究人员不懈的努力了。
/ |" f8 Z* Y) d" w6 g# B3 S1 C, w
