《Journal of Marine Science and Engineering》：Techno-Economic Analysis of Axial-Flow Current Turbines Applied to the US Virgin Islands
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小岛屿发展中国家（Small Island Developing States，SIDS）因其对进口化石燃料的依赖以及自然灾害发生率的上升而面临诸多能源挑战，导致高昂的电力成本和电网不稳定。尽管安装和维护成本较高，海洋海流能（Marine Current En
小岛屿发展中国家（Small Island Developing States，SIDS）因其对进口化石燃料的依赖以及自然灾害发生率的上升而面临诸多能源挑战，导致高昂的电力成本和电网不稳定。尽管安装和维护成本较高，海洋海流能（Marine Current Energy）仍是一种新兴能源技术；然而，巨大的资源可用性使其成为岛屿地区一种有前景的资源。本研究是一项针对专为浅水部署而设计的新型桥式支撑海洋海流能系统的技术经济评估，以美属维尔京群岛（U.S. Virgin Islands）作为案例研究。研究人员提出了一种桥式支撑结构，该结构有助于在当地系统内简化安装和维护。美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）参考模型4（Reference Model 4，RM4）被用作技术设计和成本估算的框架，并根据规模经济关系（economies-of-scale relationships）进行了调整。研究人员对一系列部署规模下的平准化能源成本（Levelized Cost of Energy，LCOE）进行了估算，并就海流流速校正因子（current velocity correction factor）、涡轮机尺寸和利率进行了敏感性分析。结果表明，在本案例研究中，三单元安装可实现1.13美元/千瓦时的LCOE，而100单元部署可将LCOE降至0.31美元/千瓦时。该技术在装机容量约10兆瓦时，与美属维尔京群岛当前0.42美元/千瓦时的电力成本达到经济竞争力。这些发现证明了桥式支撑海洋海流能系统在加强能源安全和支持加勒比地区及其他小岛屿发展中国家可再生能源转型方面的潜力。
# 桥式支撑海洋海流能系统应用于小岛屿发展中国家的技术经济可行性研究——以美属维尔京群岛为例
## 一、研究背景与问题提出
能源问题长期以来一直是岛屿国家面临的严峻挑战。小岛屿发展中国家（Small Island Developing States，SIDS）是由39个国家和18个准成员组成的群体，其90%的能源生产依赖进口石油，远高于全球21%的平均水平。这种对化石燃料的高度依赖使这些岛屿暴露于价格波动和潜在供应中断的风险之中，加之基础设施老化和自然灾害的长期影响，导致电网不可靠和恢复成本高昂。同时，传统可再生能源技术往往与岛屿条件不兼容：太阳能发电可用土地稀缺；热带和亚热带岛屿的风能资源相对较低；有限的淡水资源和平坦地形使得水电也难以推广。
然而，岛屿国家四面环海，蕴藏着巨大的海洋能源潜力。据国际可再生能源署（International Renewable Energy Agency，IRENA）估计，全球海洋和潮汐流资源潜力在每年20,000至80,000太瓦时之间。但现有海洋能源系统的资源评估通常将高平均流速和大于25米的水深作为选址的关键标准，而SIDS往往水流速度适中、水深较浅，这降低了传统固定底式或浮式潮汐技术的可行性，且这些技术因尺寸和重量需要专业船舶和基础设施进行安装，本地制造几无可能。此外，海洋能源的运行和维护支出（Operating and Maintenance Expenditures，OPEX）在可变可再生能源技术中最高，常因成本超预期和项目表现不佳而导致失败。
尽管如此，群岛地形常形成狭窄的岛间水道，加速局部海流，为重新审视适应岛屿环境的系统设计创造了契机。本研究正是在这一背景下，旨在评估一种针对SIDS条件设计的桥式支撑潮汐配置的技术可行性和经济性能。
## 二、关键技术方法
本研究采用了基于NREL RM4参考模型的技术框架，但针对SIDS的浅水环境进行了实质性修改。具体而言，研究人员将转子直径从33米缩小至3米，并将涡轮机数量增至29台，引入固定式Pratt桁架桥支撑结构以取代原浮式平台。案例研究选址美属维尔京群岛（USVI）圣托马斯和圣约翰区之间的三个水道，平均水深6至8米、平均流速1.4米/秒。海流速度数据来自美国加勒比区域海洋模拟系统（US Caribbean Regional Ocean Modeling System，USCROMS），并基于商业渔船声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）实测数据应用了4倍流速校正因子。成本估算以NREL RM4的资本支出（Capital Expenditures，CAPEX）和OPEX详细分析为基础，分别按涡轮半径、单位容量、质量和总装机容量四种方式进行规模缩放，涵盖了动力输出系统（Power Take-Off，PTO）、安装、支撑结构、开发和应急储备五个CAPEX类别以及年度保险、岸上运营和替换零件等OPEX项目。LCOE计算采用标准公式，假设利率7.5%、项目寿命25年，并对流速校正因子（1.5至6）、水深限制（决定涡轮尺寸和数量）以及利率（2%至20%）进行了敏感性分析。
## 三、主要研究结果
### 3.1 桥式支撑海洋能源系统技术设计
研究人员设计了总长150米的Pratt桁架桥支撑结构，包含264根钢构件，桥面高于平均海平面8米，以考虑未来100年海平面上升和极端波浪高度。涡轮机通过11米长的圆柱形空心塔架悬挂于桥基下方，塔架按悬臂梁模型进行挠度分析，选用Round HSS 16×0.438型钢满足最大挠度标准。29台涡轮机均匀布置于桁架节点处，转子直径3米，单台额定功率约8.2千瓦，单台桥式单元（即一架桥含29台涡轮机）总装机容量为239千瓦。轴向荷载分析采用节点法计算各构件受力，最大受力达3138千牛，选用W14×311工字梁满足屈服和屈曲要求。该设计将机舱和电力电子设备置于海平面以上，便于安装和维护，无需专业船舶装备。
### 3.2 资本与运营成本估算
在单单元配置下，该系统初始资本成本超过90美元/瓦，显著高于NREL RM4参考模型的26美元/瓦。成本的核心驱动因素是受水深限制导致的单单元装机容量偏小。成本结构分析表明，动力输出系统（PTO）和支撑结构在每千瓦容量基础上的成本下降幅度最小，主因是水道浅水深度对涡轮尺寸的限制以及支撑结构成本以钢材为主。对比1单元和100单元配置，每千瓦成本从约94,049美元降至约14,025美元，降幅约85%。
### 3.3 平准化能源成本分析
LCOE计算结果显示，单单元系统LCOE高达2.02美元/千瓦时，远超美属维尔京群岛现行居民电价。利用案例研究中全部三个水道部署三单元系统时，LCOE降至1.13美元/千瓦时；当部署规模增至50单元时，LCOE进一步下降81%至0.38美元/千瓦时，已低于当地0.42美元/千瓦时的电价；100单元部署可实现0.31美元/千瓦时的LCOE。研究确定该技术与USVI现有电价达到盈亏平衡的装机容量约为10兆瓦，相当于约41个单元。
### 3.4 敏感性分析
流速校正因子的变化对LCOE影响显著。在3单元案例中，校正因子取4（中心假设）时LCOE为1.14美元/千瓦时，取6时可降至0.50美元/千瓦时。水深限制通过决定涡轮尺寸间接影响LCOE：当平均水深增至18至20米时，可容纳8台直径9至10米的涡轮机，仅需三单元即可在USVI实现盈亏平衡；相较之下，NREL RM4的33米涡轮机需要65至70米的水深。利率从2%变化至20%时，3单元和100单元的LCOE均呈上升趋势，反映出海岛地区可再生能源项目融资成本的高度不确定性。
## 四、讨论与结论
本研究旨在评估将潮汐能技术应用于美属维尔京群岛及其他加勒比岛屿地区的技术经济可行性。结果表明，该海洋流体动技术在经济上的可行性主要由规模经济驱动。单单元桥式结构部署在经济上不具现实性，但随着单元数量增加，LCOE大幅下降，在装机容量10兆瓦时达到盈亏平衡，表明该技术最适合协调的多单元部署。USVI及整个加勒比地区存在大规模安装的机会——维尔京群岛周围有约100个较小陆块，且加勒比群岛的地理邻近性为跨多个地点协调开发更大规模的海洋能源装置创造了条件。国际上已有相关倡议支持此类联合开发，如美国国务院主导的"美加伙伴关系应对气候危机2030"和世界银行支持的"加勒比韧性可再生能源基础设施投资设施"等。
桥式支撑结构易于接近的特点降低了安装和日常维护对特殊机械的依赖，也为当地劳动力在建设和维护过程中的参与创造了机会，有利于提升能源韧性和自主性。未来研究可包括利用混凝土或木材等可在不同SIDS本地获取的材料进行结构稳定性模拟。水深对项目可行性具有实质性影响：在水深18至20米条件下仅需三单元即可实现盈亏平衡，而浮式RM4则需要65至70米水深。值得注意的是，该系统可能带来负面的环境和社会影响——建设和制造可能对沿海环境产生影响，桥结构可能妨碍水道的某些经济或娱乐用途。更全面的评估应纳入环境研究及与当地海洋社区和其他利益相关者的参与。
研究结论指出，可再生能源转型在全球范围内持续面临挑战，但对美属维尔京群岛及其他小岛屿发展中国家而言尤为艰巨，它们共同面临着特殊的环境和经济处境。本研究强调了海洋海流技术作为一种利用许多岛屿区域独特水道化流动条件的可再生资源的潜力。通过简化安装和维护并利用桥梁基础设施，所提出的概念解决了历史上限制SIDS及全球海洋海流能发展的若干障碍。这些发现为未来研究奠定了基础，并展示了创新支撑结构在扩大岛屿和沿海社区可再生能源机会方面的潜在作用。此外，本研究强调当地参与选址、项目开发、运营和维护，以支持长期能源可持续性、韧性和社区参与。
