潮流發(fā)電前景初探

姚齊國,劉玉良,李 林,唐志波

(1.浙江海洋學(xué)院機電工程學(xué)院;2.科研處,舟山 316000)

0 引言

20世紀以來,我們對煤炭、石油、天然氣等化石燃料的大規(guī)模開發(fā)和利用,一方面創(chuàng)造了人類歷史上空前繁榮的物質(zhì)文明,另一方面,也造成了大量的資源浪費和污染物、溫室氣體的排放。當前,作為常規(guī)能源的化石燃料其儲量正在一天天減少,而空氣污染、全球變暖、臭氧空洞等環(huán)境問題也在一天天加重。開發(fā)新能源、研究新的節(jié)能技術(shù),走可持續(xù)發(fā)展道路己成為社會各界的共識。

海洋能源是地球上最大的儲備能源,是不需要燃料的理想能源,是不污染環(huán)境的清潔能源,是可再生能源。利用海洋能發(fā)電既經(jīng)濟,又不占用土地,不受氣候影響,也不污染環(huán)境,實為利用價值極高、潛力巨大的新能源。海洋能源主要包括波浪能、潮汐能、潮流能、溫差能、鹽差能等。據(jù)世界能源委員會統(tǒng)計,全世界僅沿海地帶便于開發(fā)的波浪能有2.0×1010kW,沿岸和近海區(qū)的潮汐能1.7×1010kW。據(jù)計算:當潮流速度為2.0 m/s時,在1m2水流面上1 a可得到2.0×104kW·h左右的電力[1-4]。

因此,開發(fā)潮流能對于引導(dǎo)我國海洋可再生生產(chǎn)基地的培育、裝備制造業(yè)和人才培養(yǎng)基地的建設(shè),提升我國潮流能發(fā)電系統(tǒng)研發(fā)能力和技術(shù)水平并形成國際競爭優(yōu)勢,都具有重要的社會和經(jīng)濟意義。

1 潮流發(fā)電技術(shù)概述

潮流能源于太陽和月球的引力,與波浪、潮汐、太陽和風(fēng)能一樣,屬于一種可開發(fā)利用的自然能源。潮流的能量儲存形式是流體動能,將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?就需要在海上建立潮流電站。潮流電站可建在海底,也可泊于水中或浮于海面,既不需像潮汐電站那樣建壩,也不影響航運。運行穩(wěn)定、可靠、高效的潮流電站,是集船舶與海洋、機械、自動控制與電力等工程領(lǐng)域的先進技術(shù)于一體的高新科技產(chǎn)品。因此,潮流能的開發(fā)利用屬于海洋高技術(shù)領(lǐng)域。

水輪機是潮流能發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分之一,水輪機性能和水輪機布置方式一直是國內(nèi)外研究的重點和熱點。目前國外技術(shù)上相對比較成熟的潮流發(fā)電裝置有軸流式、混流式、振蕩水翼式和套管式[5-7]。

(1)軸流式

軸的安裝方向與水流方向平行,水流方向與旋轉(zhuǎn)軸平行,利用水流推動葉輪槳葉旋轉(zhuǎn)發(fā)電。一般用于水深大于25 m的流層。如MCT(Marine Current Turbines)公司制造的水輪機SeaGen,如圖1所示。圖2是愛爾蘭OpenH yd ro公司的OCT潮流發(fā)電裝置。

圖1 MCT公司的SeaGen潮流發(fā)電機組

圖2 OpenHydro公司的OCT潮流發(fā)電機組

圖3 Kobold水輪機

(3)振蕩水翼式

通過震蕩懸臂驅(qū)動高壓液體流動而帶動高壓液流系統(tǒng)中的渦輪機發(fā)電。振蕩水翼式可以在相對較淺的海域布置機組,因此預(yù)期的應(yīng)用領(lǐng)域更廣。這一技術(shù)的主要代表包括英國的脈動生能(Pulse Generation)公司以及澳大利亞的生物電力(BioPower)公司研制的產(chǎn)品,分別見圖4和圖5。

4 Pulse Generation公司的振蕩水翼機組

圖5 BioPower公司的振蕩水翼機組

(2)混流式

軸的安裝方向與水流方向垂直。如意大利Ponte di A rchimede公司設(shè)計的三葉片Kobold水輪機,水輪機轉(zhuǎn)向與水流方向無關(guān),如圖3所示。

(4)套管式

這類裝置相當于在橫軸或縱軸葉輪的外部增加一個文丘里管,使通過渦輪的水流能量更加集中,驅(qū)動轉(zhuǎn)換效率更高。這一技術(shù)的主要代表有英國月能(Lunar Energy)公司的 RTT(the Rotech Tidal Turbine)技術(shù),海王星可再生能源(Neptune Renew ab le Energy)公司的 NP(The Nep tune Proteus)技術(shù)。如圖6和圖7。

圖6 月能公司的RTT潮流發(fā)電機組

圖7 海王星可再生能源公司的NP

另外,發(fā)電裝置的安裝固定也是潮流發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一,主要方式有重力基、海底打樁(包括單立柱和雙立柱型)和錨泊式,其原理略。

2 潮流發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

與其他海洋能相比,潮流能的研究起步較晚,美國科學(xué)家首先于1973年大規(guī)模利用佛羅里達潮流能的方案。

日本1975年開始利用黑潮動能發(fā)電的資源調(diào)查,但研究進展不快。英國IT動力公司1994年夏季在蘇格蘭近海對一種水下風(fēng)車式、水平軸潮流發(fā)電裝置進行了試驗。意大利阿基米德橋公司1996年開始進行墨西拿海峽潮流發(fā)電研究,2003年挪威在其最北端的城鎮(zhèn)哈默弗斯特建成300 kW潮流電站,采用座海底式結(jié)構(gòu)方案。

2003年春,MCT公司在英格蘭德文的Lynm outh外海安裝了一臺300 kW的Seaflow海流渦輪原型機。同年11月,Hammerfest Strom公司在挪威哈默菲斯特以南的克瓦爾松外海也安裝了一臺300 kW 的原型機。2007年4月,Verdant Power公司在紐約城的東河(the East River)建設(shè)并運行美國第一個重要的潮流發(fā)電示范項目。2008年4月,MCT公司采用SeaGen技術(shù)在北愛爾蘭斯特朗福德湖(Strangford Lough)安裝投運了一臺全尺寸原型機,2008年12月該機組達滿發(fā)電量,單機容量超過1.2×103kW,已經(jīng)投入商業(yè)運行,它是目前世界上唯一的商業(yè)運行機組[8-9]。

2009年4月底,加拿大將在芬迪灣(the Bay of Fundy)建設(shè)一個1.0×103kW潮流能示范項目。

最近,美國試驗在墨西哥灣流中安裝直徑大于91.44m的巨型螺旋漿式水輪機發(fā)電,目前正在進行水力模型和海上穩(wěn)定性實驗。

我國潮流發(fā)電研究始于20世紀70年代末,在省、地科委支持下,1978年3月浙江舟山的何世鈞在舟山西侯門港進行第一次潮流發(fā)電試驗,其目的是為了證明潮流能發(fā)電的可行性。該試驗采用直徑為2m的螺旋漿式水輪機,經(jīng)液壓傳動裝置驅(qū)動額定功率為8 kW的發(fā)電機,成功地發(fā)出了5.6 kW的電力,帶動了小型電機,并點亮了數(shù)十只電燈。1979年10月機組經(jīng)過改造,何世鈞又進行了第二次潮流發(fā)電試驗。這2次潮流發(fā)電的成功,說明了潮流發(fā)電具有可行性,潮流能可以取代一部分常規(guī)能源,達到節(jié)約常規(guī)能源的目的。通過試驗積累了一定的經(jīng)驗并找出了存在的問題,為進一步研究潮流能發(fā)電提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

1982年初期,哈爾濱工程大學(xué)朱典明教授帶領(lǐng)的研究生與科研組首先開展水輪機水動力性能理論和試驗研究,在實驗室進行了60W、100W直葉自調(diào)角和擺線水輪機模型試驗,在葉片控制(如連桿、凸輪彈簧、雙凸輪式)等方面作了大量的工作。1985年開始電站的設(shè)計研究,1989年1 kW直葉片河流發(fā)電裝置在黑龍江省龍鳳山水庫進行了兩個月發(fā)電試驗。1997年擺線水輪機獲國家專利。20世紀90年代末,開始研究潮流實驗電站的相關(guān)技術(shù),1995年完成10 kW潮流實驗電站技術(shù)方案。1996年“70 kW潮流實驗電站”列入國家“九五”重點科技攻關(guān)項目,由哈爾濱工程大學(xué)承擔,岱山縣科技局協(xié)作參加。70 kW潮流實驗電站是一座海上潮流能轉(zhuǎn)換裝置,建于浙江省岱山縣龜山水道,該項目得到浙江萬向集團的支持,電站命名為“萬向”號。繼“萬向”號之后,哈爾濱工程大學(xué)和意大利 Ponte di A rchim ede公司正在合作研制水面漂浮式垂直軸潮流發(fā)電裝置。東北師范大學(xué)目前正在研制一種1 kW水下懸浮式水平軸潮流能發(fā)電機。

2005年12月21日,由哈爾濱工程大學(xué)研制、浙江省岱山縣科技局協(xié)助建造的國家“863”計劃的40 kW潮流發(fā)電實驗電站實用化項目,在岱山縣建成發(fā)電[10]。這是目前世界第二、亞洲第一座潮流能發(fā)電站,總投資180萬元,它的建成標志著我國在潮流能發(fā)電方面的重大進展。

近幾年來,哈爾濱工程大學(xué)、東北師范大學(xué)、中國海洋大學(xué)和浙江大學(xué)在潮流能發(fā)電領(lǐng)域做了大量的研究工作。中國海洋大學(xué)研制的10 kW級基于柔性葉片獲能裝置的海試樣機,于2008年12月在青島膠南市齋堂島成功完成了海試。針對該樣機,還設(shè)計了較完整的檢測控制系統(tǒng),實現(xiàn)了無人值守功能,能夠自動存儲大量的數(shù)據(jù),用于研究基于柔性葉片獲能裝置的性能,滿足了試驗?zāi)康?并保證在當?shù)氐暮Ａ鳝h(huán)境下,該潮流能發(fā)電系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定的運行,提高了系統(tǒng)的發(fā)電效率。

綜觀上述,潮流能開發(fā)利用毫無疑問已經(jīng)發(fā)展到了一個全新的階段,取得了很多積極的成果。但是不可諱言,目前潮流能開發(fā)利用中仍存在一些瓶頸亟待解決:(1)潮流能轉(zhuǎn)換裝置的效能及穩(wěn)定性有待進一步提高;(2)海洋環(huán)境復(fù)雜多變,為能量轉(zhuǎn)換裝置的安裝和維護提出了更高的工程技術(shù)要求;(3)規(guī)模較大的潮流能能量轉(zhuǎn)換裝置可能對附近的海洋生態(tài)環(huán)境造成不利影響;(4)轉(zhuǎn)換后的能源存儲及運輸成本較高;(5)并網(wǎng)運行時,對電網(wǎng)電壓的擾動有一定影響[11-12],等等。

針對這些難題,目前世界上對潮流能研究開發(fā)的重點領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)主要有:適應(yīng)于潮流雙向運動特性的能量捕獲與高效轉(zhuǎn)換技術(shù);惡劣海洋環(huán)境下潮流發(fā)電機組安全性與保護技術(shù);潮流發(fā)電系統(tǒng)運行、檢測與低成本維護技術(shù);電能穩(wěn)定變換與并網(wǎng)技術(shù);潮流電站支撐結(jié)構(gòu)、葉輪葉片材料及其關(guān)鍵部件的設(shè)計與制造技術(shù);基于潮流發(fā)電站建設(shè)的海洋環(huán)境測量與分析、潮流電站系統(tǒng)安裝、海上施工工藝與技術(shù);齒輪箱傳動技術(shù);大扭矩大承載能力的軸承研究;抗腐蝕水密封;電站總體低成本設(shè)計;流體動力性能與載荷預(yù)報;葉輪載荷測試與監(jiān)測以及防銹防腐防污、防臺風(fēng)、防泥沙磨損技術(shù)等等[13-14]。

3 我國潮流發(fā)電前景展望

我國瀕臨太平洋,海疆遼闊,擁有綿長的海岸線和廣闊的海域面積,沿海潮流能資源較為豐富。據(jù)對130個航門水道統(tǒng)計,我國的潮流能理論平均發(fā)電功率為1.4×107kW。浙江、福建沿海是世界上潮流能最豐富的地區(qū)之一。著名的潮流高能密度區(qū)有渤海海峽鐵山水道,杭州灣北側(cè),舟山群島的金塘水道和西候門水道等。尤其是舟山群島的1 339個大小島嶼星羅棋布,島嶼間水道眾多,受地形影響,大部海域流速在2m/s,其能流密度相當于20～40 m/s(即9級～12級以上風(fēng)能的能流密度),具備開發(fā)利用潮流能的優(yōu)越條件。而且具有水道縱橫交錯,四通八達,開發(fā)利用站址選擇余地大,與交通航運和其他海洋開發(fā)工程不會相互影響,各水道多受島嶼保護,海況較平穩(wěn),海岸多為基巖岸等得天獨厚的開發(fā)環(huán)境條件。這一優(yōu)越資源一直被國內(nèi)海洋能專家所矚目。根據(jù)調(diào)查資料統(tǒng)計,舟山的26條水道合計理論功率約3.826×109kW,占全省的53.6%,其中14處海灣狹窄處及島嶼之間的水道潮流流速,除長白水道2.1 m/s外,其中有4處達2.6 m/s以上,9處達3.1m/s以上,響礁門達 3.3 m/s,最大的一處西侯門流速為3.6 m/s,估計開發(fā)利用功率為7.7×105kW,平均每天可發(fā)電12～16 h。尤其是岱山附近的龜山水道潮流流速大,增長速度快,流速持續(xù)時間長,平潮期短(一般不到0.5 h),風(fēng)浪小,專家們認為:龜山水道不僅是安裝直葉擺線式水輪發(fā)電裝置的理想地點,也是建造100 kW潮流發(fā)電機群的理想場地。這一優(yōu)勢引起了聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織的關(guān)注,2006年11月,由聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織牽頭,中國與意大利在羅馬簽訂了開發(fā)潮流能發(fā)電項目的合作協(xié)議,在岱山開發(fā)120 kW潮流能發(fā)電站,預(yù)算投資約400萬元[15]。

科學(xué)開發(fā)與利用潮流能,不應(yīng)只是岱山一個地區(qū)的呼喚與行動,而是當今能源短缺與環(huán)境危機并存時代,全人類的共同責(zé)任。能源是國民經(jīng)濟發(fā)展的命脈,而價值巨大的海洋潮流能量在潮漲潮落間無聲地流逝,令人扼腕。岱山作為潮流能開發(fā)利用條件最為理想的地區(qū),潛在用戶與應(yīng)用市場巨大。在岱山建成獨立發(fā)電系統(tǒng),不僅可以改變海島缺電少電狀況,解決海島生活生產(chǎn)用電問題,與國家電網(wǎng)聯(lián)接后,還可以促進浙江乃至華東地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。同時,隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施,潮流發(fā)電將對彌補能源短缺、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、緩解環(huán)境污染起到重要作用。龜山水道120 kW潮流能發(fā)電站的建成為我國自行研制一些關(guān)鍵設(shè)備和產(chǎn)品,配套應(yīng)用于潮流電站并逐漸形成生產(chǎn)能力,乃至商業(yè)化電站(群)的建造,對解決我國東南沿海地區(qū)電力缺口、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和改善環(huán)境污染狀況等都具有重要的實際意義和廣闊的應(yīng)用前景。再者,由于潮流能電站發(fā)電設(shè)施的特殊性和前沿性,在發(fā)電同時也可提供旅游觀光的功能,可作為重要的旅游景點和科普基地,讓人們更進一步了解潮流發(fā)電的重要性和必要性,為潮流能開發(fā)利用走向產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用開辟途徑。

4 結(jié)語

潮流發(fā)電是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉?。中國潮流能開發(fā)經(jīng)過30多年的研究,在潮流水輪機的水動力性能理論、模型試驗、機構(gòu)設(shè)計及電站總體設(shè)計等方面均取得了較大的進步,并積累了豐富的經(jīng)驗,水輪機性能的研究已達到國際先進水平。10 kW級潮流發(fā)電裝置處于示范階段,已進入世界先進行列,100 kW級潮流發(fā)電裝置研制已經(jīng)起步。雖然在潮流能開發(fā)過程中必然會碰到上述諸多困難和問題,但我們必須對潮流能的開發(fā)和利用保持樂觀積極的態(tài)度,相信隨著投入的加大和研究的持續(xù),潮流能一定能夠成為我國能源戰(zhàn)略中的重要組成部分。

為促進海洋能的大規(guī)模開發(fā),加速我國潮流能技術(shù)向商業(yè)化發(fā)展的步伐,建議再進一步宣傳海洋能,讓更多的人認識和了解海洋能的同時,緊緊圍繞國際上潮流能開發(fā)的重點領(lǐng)域展開突破,并從技術(shù)層面上完善潮流發(fā)電的設(shè)計方法、提高水輪機性能、擴大單機容量、電力并網(wǎng)技術(shù)、多能互補聯(lián)網(wǎng)運行、電站群體化技術(shù)及在急流和強風(fēng)浪下,水輪機、載體、錨泊系統(tǒng)的運行可靠性、安全性等方面展開深入研究。

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