可移動式海上風(fēng)光互補新能源動力平臺研究

李超 李德堂 謝永和

（1. 浙江海洋學(xué)院船舶與建筑工程學(xué)院，浙江舟山 316000；2. 浙江省(久和)船舶先進(jìn)制造技術(shù)研發(fā)中心、浙江省船舶工程重點實驗室，浙江舟山 316000）

1 引言

海洋能源通常指海洋中所蘊藏的可再生的自然能源，為保證人類所需的能源得到穩(wěn)定而持久的發(fā)展，世界各國均在努力使能源結(jié)構(gòu)從單一的常規(guī)能源向多種新能源過渡；尤其近20多年來，海洋能開發(fā)取得了很大進(jìn)步。但涉及到海上風(fēng)能、太陽能的具體利用，基本都是以單一的形式進(jìn)行開發(fā)，風(fēng)光互補發(fā)電形式較少。

由于海上氣候環(huán)境惡劣，特別是臺風(fēng)的巨大破壞力，使得在近岸區(qū)域的許多發(fā)電設(shè)備都會遭到毀滅性的打擊。因此，對于海上風(fēng)力發(fā)電這一綠色能源始終讓人進(jìn)退兩難。目前，國內(nèi)僅有中海油基地集團(tuán)公司和上海東海風(fēng)力發(fā)電有限公司在海上做過風(fēng)力發(fā)電工程。由于風(fēng)機基礎(chǔ)采用的是固定式鋼樁結(jié)構(gòu)，先打下八根鋼管樁，再在鋼管樁頂部澆注成一個混凝土承臺，來滿足風(fēng)機的承載、抗拔、水平移位等需要，海上施工難度相當(dāng)大，惡劣海況下維護(hù)也非常困難，甚至沿岸風(fēng)力發(fā)電裝置也造成毀滅性破壞。如何可靠地開發(fā)海洋新能源，對保障我國能源安全，改變能源的消費結(jié)構(gòu)，走可持續(xù)發(fā)展的道路，具有非常重大的社會意義，為此本文提出了可移動式海上新能源動力平臺的設(shè)計思路?？梢苿邮胶Ｉ蟿恿ζ脚_可以將風(fēng)光互補的發(fā)電系統(tǒng)運用于遠(yuǎn)海而避免遭遇惡劣海況的打擊。同時，該平臺還可以有效地消除天氣因素造成的間歇性發(fā)電的缺陷，提供不間斷的能源供應(yīng)。

2 風(fēng)能與太陽能發(fā)電的國內(nèi)外研究與應(yīng)用狀況

隨著陸地礦物燃料日趨枯竭和污染已趨嚴(yán)重，世界上一些主要的海洋國家紛紛把目光轉(zhuǎn)向海洋，投入了大量的人力物力，摸清資源狀況，制定發(fā)展計劃，組織科技項目到實用技術(shù)的試驗。如：1990年瑞典（Nogersund）安裝了世界上第一臺海上風(fēng)力發(fā)電機組-Windworld制造的220 kW風(fēng)力發(fā)電機。英國從20世紀(jì)70年代以來，制定了強調(diào)能源多元化的能源政策，鼓勵發(fā)展包括海洋能在內(nèi)的多種可再生能源；美國把促進(jìn)可再生能源的發(fā)展作為國家能源政策的基石，由政府加大投入，制定了各種優(yōu)惠政策，經(jīng)過長期發(fā)展，已成為世界上開發(fā)利用可再生能源最多的國家；日本在海洋能開發(fā)利用方面也十分活躍，已成立了海洋能轉(zhuǎn)移委員會；印度面對能源供應(yīng)不足、電力短缺的困境，在海洋能等可再生能源的開發(fā)利用上也逐漸加大投入，從減免所得稅和關(guān)稅、建立專門貸款機構(gòu)、吸引外資以及加快折舊等多方面實施優(yōu)惠政策，使其在短短的兩三年內(nèi)一躍跨入世界可再生能源開發(fā)利用的先進(jìn)行列。

海上風(fēng)電開發(fā)雖潛力巨大，但其運行環(huán)境相比陸上風(fēng)電更復(fù)雜，技術(shù)要求更高，施工難度更大。目前，僅有中海油基地集團(tuán)公司和上海東海風(fēng)力發(fā)電有限公司在海上做過風(fēng)力發(fā)電工程。其一是：2007年11月，中海油基地集團(tuán)公司就曾在渤海綏中油田安裝了一臺1.5 MW直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組，然而該機組沒有并網(wǎng)投入商業(yè)運行。其二是：東海大橋海上風(fēng)電項目位于上海市東海大橋東部海域，風(fēng)力發(fā)電機組由大連重工起重集團(tuán)提供，總裝機容量102 MW，數(shù)量34臺，風(fēng)電機組的單機容量3 MW，該項目年發(fā)電量2.67億千瓦小時，每年可為電網(wǎng)節(jié)約標(biāo)煤8.59萬噸，是上海市目前容量最大的新能源項目，也是目前國內(nèi)單機容量最大的海陸兩用兆瓦風(fēng)力發(fā)電機組。

中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀(jì)70年代起步，90年代中期進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展時期。太陽電池及組件產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增加。經(jīng)過30多年的努力，已迎來了快速發(fā)展的新階段。在“光明工程”先導(dǎo)項目和“送電到鄉(xiāng)”工程等國家項目及世界光伏市場的有力拉動下，中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。到2007年年底，全國光伏系統(tǒng)的累計裝機容量達(dá)到100 MW，從事太陽能電池生產(chǎn)的企業(yè)達(dá)到50余家，太陽能電池生產(chǎn)能力達(dá)到2900 MW，太陽能電池年產(chǎn)量達(dá)到1188 MW，超過日本和歐洲。西藏是我國太陽輻射能最多的地區(qū)，年均日照在3000 h以上，發(fā)展光伏電站具有得天獨厚的優(yōu)勢。西藏已建成各類光伏電站近400座，各類太陽能光電設(shè)施總?cè)萘窟_(dá)9000 kW，太陽能光伏發(fā)電裝機總?cè)萘烤尤珖谝唬柲墚a(chǎn)品已廣泛在農(nóng)牧民中推廣應(yīng)用。

一般白天風(fēng)小夜晚風(fēng)大，晴天風(fēng)小雨天風(fēng)大，夏天風(fēng)小冬天風(fēng)大。風(fēng)能和太陽能在時間和季節(jié)上如此吻合的互補性，決定了風(fēng)光互補結(jié)合后風(fēng)電系統(tǒng)可靠性更高、更具有實用價值。由浙江省科技廳援建的科技合作項目——總投資 25萬元的黃南藏族自治州澤庫縣和日鄉(xiāng)葉貢多寄宿制完小4 kW風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，于去年6月完成系統(tǒng)安裝調(diào)試并投入運行。據(jù)了解，4 kW風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)由2 kW太陽能電池板光伏陣列及旋轉(zhuǎn)式光伏陣列支架、2 kW風(fēng)力發(fā)電機及支架、蓄電池、充電器、逆變器、控制系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，性能穩(wěn)定，操作簡單，且運行成本低，在填補黃南州一項科技空白的同時，也解決了葉貢多寄校近200名師生的教學(xué)、生活用電問題。

綜上所述，無論是風(fēng)能還是太陽能，其單獨應(yīng)用都是成熟可靠的，如果將二者加以綜合利用而應(yīng)用于海上，將會有更大的發(fā)展空間。

3 可移動式海上風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

可移動式海上動力平臺主要由主平臺和發(fā)電系統(tǒng)兩部分組成。它就是將上述兩種成熟的能源在海上進(jìn)行綜合的利用。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光電板、小型風(fēng)力發(fā)電機組、系統(tǒng)控制器、蓄電池組和逆變器等幾部分組成。發(fā)電系統(tǒng)各部分容量的合理配置對保證發(fā)電系統(tǒng)的可靠性非常重要。同時，風(fēng)電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的造價可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的用電負(fù)荷情況和資源條件進(jìn)行系統(tǒng)容量的合理配置，既可保證系統(tǒng)供電的可靠性，又可降低發(fā)電系統(tǒng)的造價。無論是怎樣的環(huán)境和怎樣的用電要求，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)都可作出最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計方案來滿足用戶的要求。其系統(tǒng)原理圖如圖1。

圖1 海上新能源發(fā)電系統(tǒng)平臺示意圖

本系統(tǒng)的工作過程主要分為三個階段：第一階段是發(fā)電現(xiàn)場就位，先將可移動式海上新能源動力平臺拖航至發(fā)電海域，然后是插樁，通過升降樁驅(qū)動裝置將升降樁插入海底預(yù)定深度，再將平臺體升至海面之上預(yù)定高度，完成現(xiàn)場就位工作。第二階段是發(fā)電工作狀態(tài)，天氣晴朗時，通過變幅油缸調(diào)節(jié)太陽能光伏板的姿態(tài)，達(dá)到最佳狀態(tài)接收光照，太陽能光伏板所產(chǎn)生電能進(jìn)入配電間經(jīng)整流后外輸；天氣有風(fēng)時，根據(jù)情況調(diào)節(jié)太陽能光伏板姿態(tài)，避免海風(fēng)造成太陽能光伏板的毀壞，此時風(fēng)力發(fā)電裝置進(jìn)入發(fā)電工作狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電裝置所產(chǎn)生的電能都進(jìn)入配電間經(jīng)整流后外輸。由于平臺體上設(shè)有吊機，使得風(fēng)力發(fā)電裝置的海上維護(hù)保養(yǎng)變得簡單易行，平臺體上的生活樓也方便了工作人員起居生活。第三階段是撤離狀態(tài)，當(dāng)天氣預(yù)報將有惡劣海況時，為避免風(fēng)力海浪的破壞損失，盡早停止風(fēng)和太陽能發(fā)電，通過升降樁驅(qū)動裝置將平臺體降至海面上，然后將升降樁從海底拔出，最后將可移動式海上平臺拖航至海港內(nèi)。

4 成果與展望

可移動式海上新能源動力平臺已于2010年8月 11日通過國家發(fā)明專利授權(quán)，該平臺可避免惡劣海況對發(fā)電裝置帶來的毀滅性破壞，具有非常高的推廣應(yīng)用價值。本系統(tǒng)可以為我國豐富的海洋能源的開發(fā)提供可靠、易行的新途徑，從而攻克因惡劣海況無法正常利用海洋能源的難題，為風(fēng)能、太陽能發(fā)電在海洋領(lǐng)域的擴(kuò)大應(yīng)用研究提供了技術(shù)支撐，具有重要的技術(shù)效益。同時也可以快速地帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（1）可再生能源業(yè)。可帶動風(fēng)能、太陽能發(fā)電在海洋領(lǐng)域的發(fā)展，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。隨著我國能源需求逐年上升，本系統(tǒng)對逐步改善我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)和電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)，使我國能源、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的發(fā)展相互協(xié)調(diào)，將發(fā)揮出越來越大的作用。

（2）石油開采業(yè)。近年來，我國海洋石油的開發(fā)正在快速的發(fā)展，海洋鉆井平臺、采油平臺、海底管線、海岸工程的數(shù)量隨探明地質(zhì)儲量的增加而同步增長，但開發(fā)工程中鉆探了許多邊遠(yuǎn)的單井，無法集中投資開采。而采用該系統(tǒng)可以避免冒險投資，不僅節(jié)省投資固定導(dǎo)管架的制造費用，昂貴的安裝費用，而且節(jié)省常年運轉(zhuǎn)的電力投資費用。因此，運用該動力平臺，將有效地解決目前邊遠(yuǎn)石油單井的開采難題，具有非常大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

(3) 船舶行業(yè)。還可將該成果應(yīng)用于船舶上。當(dāng)船舶處于停泊狀態(tài)時，可使船舶主機停止工作，充分利用本系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，這樣可以大大減少用于發(fā)電的柴油消耗。同時也減少了 CO2的排放，環(huán)保節(jié)能，可以取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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