美國金科夫市近海海洋能資源評估

［美國］G.L.亨寧 R.C.托馬斯 J.T.達雷爾 T.B.貝薩德 等

李紅梅 摘譯自美刊《水電評論》2009年第7期

美國近海地區(qū)對海洋能開發(fā)項目越來越感興趣，阿拉斯加州的金科夫市最近展開了一項調(diào)查研究工作，旨在尋找開發(fā)海洋能的合適站點，調(diào)查過程使用了一種稱為“桌面分析”的方法。該方法被證明是研究不同站點和技術(shù)的有效而經(jīng)濟的方法。

基于分析，研究人員提出潮汐能資源是有限的，然而，有兩個站點被確定為適合安裝波浪能發(fā)電裝置，能夠產(chǎn)出強大的電能。進一步分析這些站點，可以更精確地確定可獲得的能源、環(huán)境效果，以及建設(shè)的可行性。

1 海洋能開發(fā)

美國的金科夫市人口只有800多人，位于東阿留申自治市鎮(zhèn)(Aleutians East Borough)內(nèi)，從阿拉斯加半島的頂端延伸到阿留申群島的最東邊。該市一端接太平洋，另一端連接著白令海。

2007年7月，該市的新能源公司論證了在金科夫瀉湖入湖口利用潮汐能技術(shù)的可行性。這是該市首次對可能的海洋能源站點進行考察，美國阿拉斯加HDR公司承諾為該市提供工程服務，并受委托就海洋能電站選址做一個初步評估，作為評估的一部分，該公司也決定對城市附近可能的波浪能站點進行評估。

由于地理位置比較偏遠，金科夫市十分依賴昂貴的柴油發(fā)電。該市共有柴油發(fā)電廠4座，總裝機容量接近2.5 MW，為了減少過度依賴于柴油發(fā)電的不利局面，已建設(shè)了800kW的三角洲河流電站，電站于1994年12月開始運行。該市也正在論證在瀑布溪附近建設(shè)300kW水電站的可行性。該市對尋找其他能源來增加發(fā)電量，以減少柴油發(fā)電非常感興趣，因為這樣做既省錢，又能減少溫室氣體的排放。

市政府對所建議的潮汐發(fā)電的可能性也產(chǎn)生了興趣。2007年7月，HDR公司工程人員開始選擇能夠進行海洋能源開發(fā)的站點，并且提供目前可獲得海洋能源的相關(guān)評估，該評估可以用來確定海洋能開發(fā)的可能性。城市的決策制定者們將會使用該評估信息來確定海洋能源是否能為該市提供額外的可再生電能。

2 評估步驟

HDR工程公司所使用的評估過程包括4個步驟。步驟一:確定項目目標;步驟二:對可獲得海洋能源進行初步評估，以確定可獲得較多電能的系統(tǒng);步驟三:初步查看可能的環(huán)境效果;步驟四:仔細分析每一個被評估站點的可獲得電能、環(huán)境限制和其他方面。而這些分析并不是為了系統(tǒng)地解決所有的問題，而是更加注重于理解關(guān)鍵性問題，以作為進一步研究的依據(jù)。以下詳細介紹每一步的具體細節(jié)。

2.1 確定項目目標(步驟一)

任何工作的第1步都是確定目標。對于金科夫市來說，額外的裝機容量可以減少該市對柴油的依賴，評估目標是選擇蘊含有足夠多海洋能量的站點，并且作為進行進一步調(diào)查和安裝能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的依據(jù)。

2.2 分析可獲得能源(步驟二)

該步驟包括評估站點可獲得的海洋能源，通常所選擇站點有著明顯的可獲得能源優(yōu)勢。就金科夫市而言，該市有兩個條件優(yōu)越的海洋能站點，即金科夫瀉湖入口的潮汐能和靠太平洋沿岸的波浪能兩個站點。

站點條件最終決定能源可獲量。通常，直接預測某個站點潛在的海洋能數(shù)據(jù)是不太可能的。因此，有必要收集數(shù)據(jù)，并借助于數(shù)值模型和統(tǒng)計模型進行處理。通常是盡可能地使用實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析來預測未來情況。

2.2.1 潮汐能評估及技術(shù)

就金科夫市而言，可獲得的數(shù)據(jù)包括當?shù)氐乃?、海岸位置和潮汐。這些有限的數(shù)據(jù)決定了只能進行最基本的初步評估。這種方式計算的可獲得能量可為決策者進行進一步的分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

瀉湖與該市之間有一狹窄的海灣。需要該市附近全年的潮差分布觀測資料才能確定每個潮汐周期的平均流速。因此，研究人員使用了2006年以后的所有數(shù)據(jù)，利用瀉湖的面積與潮差近似地計算出了納潮量(tidal prism)。納潮量是指每次海潮進入瀉湖的水體總量。納潮量又被用于推求瀉湖進口處的流速分布，流速分布又可以用來計算進口處的能量分布，能量分布又可以確定平均能量。

如果了解了流場的知識，就可以評估潮汐能開發(fā)系統(tǒng)。大多數(shù)的系統(tǒng)要求要有較高的最小流速(大于0.70m/s)來進行發(fā)電。首先要考慮的技術(shù)是潮汐能轉(zhuǎn)換裝置，其中部分裝置只有在水面上才能工作，或者是裝在水上的一個結(jié)構(gòu)上，以確保發(fā)電機不會被水淹沒。大多數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計水深至少需要9 m以上，但是適合這種設(shè)計的發(fā)電機比較少。由新能源公司制造的發(fā)電機裝置，直徑大約為3 m，在15 m多寬的區(qū)域只能安裝幾臺這樣的發(fā)電機，其最大發(fā)電容量只有25 kW，系統(tǒng)的設(shè)計流速大約為2.7 m/s。制造商稱該設(shè)備能夠在1.5 m/s的水流流速中運行，但并非意味著在潮汐周期中的所有時間都能進行發(fā)電。假設(shè)用于發(fā)電的最小流量為0.9 m/s，則潮汐周期中大約有一半的時間不能進行發(fā)電。

因為流量大多集中在海灣內(nèi)，實際流速比簡化算法得出的流速大，但這并不等于潛在的能量可增大。由于安裝潮汐轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的空間有限，因而可獲得的能量也就有限，實際安裝的發(fā)電機容量平均都低于20kW。

另一個值得考慮的技術(shù)就是攔潮壩，在潮水漲落時通過攔潮壩蓄水，當達到一定的水位差時，就可通過水輪發(fā)電機發(fā)電。從建設(shè)成本考慮，需要有較大的潮差發(fā)出足夠的電力才算是合理的方案。在加拿大新斯科舍(Nova Scotia)省裝機18 MW的安納波利斯(Annapolis)項目就是一典型的例子，那里潮差超過9 m。

這種類型的發(fā)電站有著顯著的環(huán)境效應，包括對潮汐特征和魚道的影響。在上述地點建攔潮壩，會比直接利用潮汐發(fā)電裝置發(fā)更多的電。然而，建攔潮壩在經(jīng)濟和環(huán)境方面是否可行，應由建壩成本、潮差和環(huán)境影響決定。

2.2.2 波浪能評估及技術(shù)

波浪能可轉(zhuǎn)換為電能的比例取決于海浪波長、波浪持續(xù)時間和波浪能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計。目前，已有的波浪能發(fā)電裝置容量從40kW到超過4 MW不等。沿海岸可以建多個系統(tǒng)，以獲得所期望的裝機容量。波浪能發(fā)電裝置的最大缺點是目前該技術(shù)仍然處于早期階段，只是在金科夫市作為一種先導工程。

波浪能技術(shù)主要有兩類，一類是浮子式波浪能發(fā)電裝置，另一類是坐底式波浪能發(fā)電裝置。

另外，還有多浮子波浪能發(fā)電系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是能夠根據(jù)城市用電的需要增加浮子數(shù)量，其所產(chǎn)生的費用明顯低于初始安裝的費用。如果其中的一個浮子不能正常工作，該系統(tǒng)仍能繼續(xù)發(fā)電。系統(tǒng)能夠保持在水中，或者被拖到港口。

固定于海洋底部的設(shè)計裝置能夠?qū)⒉ɡ四苻D(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，主要是通過一個能隨波浪運動的設(shè)備實現(xiàn)的。其優(yōu)點在于在風暴潮中增強了穩(wěn)定性，因為系統(tǒng)的受沖擊負荷較小，并且對航運和景觀的影響也小。缺點是需要增加額外的維護費用和早期技術(shù)的不成熟性。

因此可知，水下波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)仍處于早期階段，存在不可預見的失敗的可能性，海下作業(yè)難度的加大可能會使金科夫市放棄使用該技術(shù)。

2.3 環(huán)境效應評估(步驟三)

因為項目潛在的環(huán)境效應深遠而廣泛，因此環(huán)境效應評估意義重大。初級調(diào)查旨在確認可能的情形，這些情形可能還需要進行進一步的調(diào)查。

初級評估的重點是確定影響波浪能轉(zhuǎn)換的可能障礙，這些障礙將會作為項目是否被批準的參考，通常，該過程包括項目可能位置的生態(tài)評估，注重對受威脅和瀕危物種的保護。這種粗略的環(huán)境評估能解決一些明顯的問題，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵性的事項，并且為未來環(huán)保工作提供方向。最終，一個項目可能還需要聯(lián)邦能源管理委員會(FERC)的許可，以及《國家環(huán)境政策法》第404條和第10條的許可，還要與《瀕危物種保護法》相一致，同時要考慮必要的魚類棲息地保護等。

在金科夫市，潮汐能發(fā)電系統(tǒng)主要的潛在影響是可能會造成河流上游流量特征的改變，以及對海洋生物的機械性損傷，或者與海洋流有關(guān)的傷害。受波浪能發(fā)電系統(tǒng)傷害的海洋生物主要是海洋哺乳動物。

2.4 站點的合適性評估(步驟四)

站點的合適性分析是確定技術(shù)的可能性和環(huán)境保護方面的可接受性，為未來階段工作進行詳細調(diào)查提供依據(jù)。主要考慮的因素有:

(1)波浪/潮汐和氣候;

(2)環(huán)境限制;

(3)可獲得電能;

(4)與海域其他用戶的沖突;

(5)網(wǎng)絡(luò)互連的可能性;

(6)輸電距離;

(7)遭遇風浪、冰，或者其他危險因素的幾率;

(8)建設(shè)和維護費用。

對站點的合適性評估是與可獲得能源和可能潛在的環(huán)境影響評估同時進行的。綜合考慮這些問題后，人們便可對適合開發(fā)海洋能的站點進行排序，擇優(yōu)選擇。

具體站點的適應性條件取決于當?shù)睾蜕鐓^(qū)的需要，在一些地方，不可能敷設(shè)新的輸電線，而只能使用海底電纜，而在另一些地方，由于環(huán)境條件敏感只能選用浮子式波浪能發(fā)電設(shè)施。

基于以上分析，雖然在金科夫市瀉湖入湖口的潮汐發(fā)電設(shè)施不能提供足夠的電力，但其主要優(yōu)勢是距離該市較近，便于接入電網(wǎng)。