海上能源開(kāi)發(fā)前景無(wú)限

□ 高 峰

每當(dāng)夏季來(lái)臨，各地因用電量激增頻響缺電警報(bào)，部分地區(qū)甚至拉閘限電，這個(gè)時(shí)候總有人會(huì)忍不住發(fā)問(wèn)：“既然電力緊張，為什么不多建幾座發(fā)電站呢？”

拋開(kāi)諸如資金、征地、施工建設(shè)等實(shí)際操作的問(wèn)題不談，僅僅進(jìn)行純“技術(shù)流”的討論，發(fā)電站也不是拍拍腦袋就能建的——建一座火電站，需要為其提供大量煤炭，還要提防它對(duì)周邊環(huán)境的污染；水電站沒(méi)有火電的污染問(wèn)題，但只能建在有落差的河道上，而為了筑大壩、修電站，可能會(huì)抬高河床、改變河道水文環(huán)境。此外，在降水變化大的地區(qū)，一到枯水期發(fā)電量就會(huì)減少。至于核電站，盡管有很多優(yōu)點(diǎn)，但在經(jīng)歷福島核泄漏事故后，不少國(guó)家已經(jīng)將核電站看做“不定時(shí)炸彈”……經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要更多的電能，然而因?yàn)槲廴局卫?、土地資源、運(yùn)輸瓶頸等限制因素，大多數(shù)國(guó)家在目前發(fā)電站規(guī)模的基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)的難度很大，這就形成了一個(gè)“又要馬兒跑，又要馬兒不吃草”的悖論。

幸好，除了土地與河道，我們還擁有廣闊的海洋；除了高污染的傳統(tǒng)發(fā)電站和前景模糊的核電，科學(xué)家正在為我們尋找到更多的“清潔”發(fā)電技術(shù)。兩者“聯(lián)姻”，“海上清潔發(fā)電站”的輪廓，正變得越來(lái)越清晰。

潮汐發(fā)電站：海中的工廠

在北愛(ài)爾蘭鄧恩郡，有一個(gè)名叫斯特蘭福特的海濱小鎮(zhèn)。小鎮(zhèn)的周邊點(diǎn)綴著幾座豐饒的小山，不時(shí)有陣陣清風(fēng)拂過(guò)，滿山的綠色隨之微微晃動(dòng)。在距離小鎮(zhèn)幾步之遙的地方，坐落著寧?kù)o的深藍(lán)色天然港灣斯特蘭福特灣。海灣長(zhǎng)30公里，總面積為150平方公里，是愛(ài)爾蘭海沿岸最大的一個(gè)。有人說(shuō)，斯特蘭福特灣“名副其實(shí)”，因?yàn)樗趧P爾特語(yǔ)中被稱為“Cuan”，意為“寧?kù)o的海灣”。但有時(shí)也會(huì)有深色的巨浪從外海氣勢(shì)洶洶地“劈”入海灣，這也就不難解釋，為什么曾在此定居的維京人會(huì)叫它“狂暴灣”了。特別的是，斯特蘭福特灣中不僅停泊有各式漁船，在離岸邊不遠(yuǎn)的海灣入口處，還能看見(jiàn)一截紅黑相間的鐵塔露在海面上——這小半截鐵塔尖，正是世界上首個(gè)商用潮汐發(fā)電站SeaGen的一小部分建筑。

發(fā)電站不影響海洋生物

SeaGen發(fā)電站形似倒置的風(fēng)車，主體建筑由塔身和兩個(gè)外置的渦輪發(fā)電機(jī)組成，于2008年投入使用，裝機(jī)容量1.2兆瓦，利用進(jìn)出海灣的潮汐發(fā)電，能滿足1 500戶家庭的用電需求。目前由一家名叫“洋流渦輪”的英國(guó)公司負(fù)責(zé)日常運(yùn)營(yíng)、維護(hù)。

SeaGen的發(fā)電主要靠那一對(duì)巨大的渦輪發(fā)電機(jī)，每個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)重27噸，風(fēng)車葉片般的渦輪葉片直徑長(zhǎng)16米，通過(guò)一組橫向構(gòu)件與直徑3米的塔身相連。與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中“風(fēng)力帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電流”的原理類似，潮汐能發(fā)電用的也是流體的動(dòng)能，只不過(guò)它用的是潮汐流或洋流。兩個(gè)渦輪葉片均可旋轉(zhuǎn)180度，這樣就意味著，不管洋流方向如何改變，這一對(duì)發(fā)電機(jī)都能夠通過(guò)調(diào)整葉片方向，確保每天發(fā)電20個(gè)小時(shí)。

在斯特蘭福特灣附近，通常人們?cè)诤Ｉ现荒芸吹剿?，看不到塔身和渦輪葉片——為了最大限度地利用洋流，以及不妨礙海面行船，渦輪葉片一般保持在距海面3米以下的位置，居民劃著小船從葉片上悠悠駛過(guò)，可能都不會(huì)注意到海面下的“異常”。如果要維修發(fā)電機(jī)也很簡(jiǎn)單，通過(guò)一個(gè)液壓升降系統(tǒng)，可以將連接渦輪葉片的橫向構(gòu)件提升至海面以上，然后維修人員就可以進(jìn)入發(fā)電廠了，塔身最多可以露出海平面20米。

其實(shí)，世界上第一個(gè)商用潮汐能發(fā)電站“落戶”斯特蘭福特灣并不是偶然的。首先，一個(gè)重要的原因是，海灣入口附近的海水比較淺，只有30米左右，有助于施工單位在海床上固定發(fā)電站。其次，在海水比較淺的地方，潮汐流速相對(duì)快。流速要達(dá)到至少每秒一米才能推動(dòng)電站的渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，而在斯特蘭福特灣入口處，洋流速度據(jù)測(cè)已經(jīng)達(dá)到每秒4米。

由于海灣中存在許多海洋生物，有人擔(dān)心，SeaGen的運(yùn)營(yíng)將危及海豹等海洋哺乳動(dòng)物的生存。對(duì)此，渦輪發(fā)電機(jī)的英國(guó)設(shè)計(jì)師弗倫克爾說(shuō)，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速不快，而海豹這類哺乳動(dòng)物行動(dòng)敏捷，渦輪機(jī)不會(huì)對(duì)它們?cè)斐赏{。

潮汐發(fā)電站前景無(wú)限

事實(shí)上，一直以來(lái)，潮汐能都被看做是一種未得到充分開(kāi)發(fā)的清潔能源。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)在評(píng)估全球潮汐能發(fā)電潛力時(shí)預(yù)測(cè)，如果能夠“物盡其用”，未來(lái)潮汐能將可以為全球2億5千萬(wàn)戶家庭供電。而之所以一直未能“物盡其用”，主要是因?yàn)槔贸毕艿募夹g(shù)目前還是各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的攻關(guān)對(duì)象。此外，在海洋中修建潮汐發(fā)電站也是一項(xiàng)非?！盁X”的工程，修建一座潮汐能發(fā)電站的高額成本，足夠修建兩座離岸風(fēng)力發(fā)電站。

盡管如此，潮汐能發(fā)電的前景依舊非常誘人：不僅因?yàn)樗且环N清潔無(wú)污染、不影響生態(tài)平衡的可再生能源；也不僅因?yàn)樗皇艿卦逻\(yùn)動(dòng)影響，很少受氣候、水文等其他自然因素的影響，不存在枯水年和枯水期。此外，潮汐能發(fā)電不用燃料，不受能源價(jià)格影響，運(yùn)行費(fèi)用低。只要漲退潮的幅度明顯、海岸地形能儲(chǔ)蓄大量海水并可進(jìn)行土建，到處都可以修建發(fā)電站……從這個(gè)角度出發(fā)，不管是蘇格蘭、法國(guó)、加拿大還是東亞各國(guó)，都具備建造潮汐能發(fā)電站的條件。

海上風(fēng)電場(chǎng)

除了潮汐發(fā)電，利用海上風(fēng)力資源發(fā)電的海上風(fēng)電場(chǎng)也被普遍看好。在化石燃料資源枯竭形勢(shì)日益嚴(yán)峻的情況下，各國(guó)均將眼光投向了風(fēng)力資源巨大的海域。與陸地風(fēng)電相比，海上風(fēng)電資源量多、品質(zhì)好、且用地相對(duì)寬松，已成為國(guó)際風(fēng)電發(fā)展的新方向。近幾年，歐洲多個(gè)國(guó)家已建立了多個(gè)規(guī)模巨大的海上風(fēng)力發(fā)電廠，中國(guó)也逐漸開(kāi)始涉及海上風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。

一秒發(fā)電量可燒6升水

任何一名想要前往技術(shù)員杰斯佩·莫雷心愛(ài)的“辦公室”拜訪他的訪客，必須具備以下三個(gè)條件：沒(méi)有恐高癥、不暈船，以及沒(méi)有幽閉空間恐懼癥。為了前往他的辦公室，人們必須在身上系上安全索、爬上狹窄的梯子，再乘坐有些搖晃的工程電梯，來(lái)到一座沒(méi)有窗戶的高塔的頂部。在那里，他會(huì)帶著參觀者進(jìn)入這座高塔內(nèi)最“神秘”的地方——海上風(fēng)力渦輪機(jī)的“心臟”，一個(gè)6米長(zhǎng)的圓柱形艙體。

一盞氖氣燈照亮了這個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的艙體，里面可以看到一個(gè)變速箱。通過(guò)變速箱，可以將外部葉片的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部發(fā)電機(jī)每分鐘1 500轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)就安裝在高塔的背部。而在這座“高塔”的外部，最顯眼的無(wú)疑是那幾片長(zhǎng)達(dá)45米的風(fēng)車葉片。一旦外部風(fēng)速達(dá)到每秒11米，風(fēng)車葉片尖端的運(yùn)行速度就可以達(dá)到每小時(shí)220公里，每小時(shí)能夠產(chǎn)生2 300度電，而每一秒產(chǎn)生的電能就可以燒開(kāi)6升的水。風(fēng)電機(jī)還可以根據(jù)風(fēng)力的大小、角度，調(diào)節(jié)風(fēng)車葉片的角度，以保持最佳的發(fā)電狀態(tài)。

莫雷負(fù)責(zé)維護(hù)的這部海上風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，屬于“合恩礁”二號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)。該風(fēng)電場(chǎng)位于北大西洋的北海東部海域，距離丹麥國(guó)土最西端約30公里，共裝有91臺(tái)風(fēng)電機(jī)，總裝機(jī)容量高達(dá)210兆瓦，足以為近14萬(wàn)戶家庭提供充足的生活用電。2009年9月，“合恩礁”二號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)完工，成為當(dāng)時(shí)世界上最大的海上風(fēng)電場(chǎng)。不過(guò)，僅僅過(guò)了一年，這個(gè)“世界第一”的頭銜，就被位于英國(guó)東南部海域、總裝機(jī)容量300兆瓦的塔奈海上風(fēng)電場(chǎng)奪走。

組裝一部風(fēng)電機(jī)需至少6小時(shí)

海上風(fēng)電場(chǎng)里風(fēng)車上的葉片，全部產(chǎn)自230公里外的奧爾堡工廠。工廠負(fù)責(zé)人尼爾森帶著他手下的800名雇員，一直致力于為遍布?xì)W洲的客戶制造著大型風(fēng)車葉片。在尼爾森的工廠里，隨處可以看到一排排整潔的巨型葉片被堆放在地上，甚至比噴氣式客機(jī)的翅膀還大。如果用手摸那些葉片，會(huì)發(fā)現(xiàn)葉片表面驚人的光滑，甚至連一絲縫隙都感覺(jué)不到，而葉片尖端的邊緣，又好像利刃一樣的鋒利。盡管很大，但即便空手也可以將這些符合空氣動(dòng)力學(xué)原理的葉片稍稍掰彎幾厘米。

這些大型風(fēng)車葉片的韌性非常驚人。比如，在一根3公里長(zhǎng)的橫梁一端擺一輛汽車，橫梁另一端所受的力，就差不多是這些葉片需要在強(qiáng)風(fēng)中承受的力。

如何將這些葉片從奧爾堡工廠運(yùn)送到海上風(fēng)電場(chǎng)上，再裝配成一座座白色的風(fēng)車，這絕對(duì)是門技術(shù)活。

首先，要將葉片裝上大型鉸接式卡車并固定好，從工廠運(yùn)往丹麥境內(nèi)北海油田的基地港艾斯堡港。在港口，一片片獨(dú)立的葉片將在轉(zhuǎn)軸上裝配好，然后和諸如塔身、艙體等風(fēng)電渦輪發(fā)電機(jī)的其他部分一道被吊裝至“海上霸主”號(hào)重吊船?！昂Ｉ习灾鳌币淮慰梢匝b載整整3個(gè)海上風(fēng)電機(jī)的全部零部件，貨物總重量超過(guò)了1 000噸。

滿載的“海上霸主”抵達(dá)北海指定位置后，組裝船便會(huì)圍攏上來(lái)施工。一切順利的話，組裝一部海上風(fēng)電機(jī)大約需要6至8個(gè)小時(shí)。首先，組裝船要用船上的吊車，依次將風(fēng)電機(jī)的鋼鐵塔身、圓柱形艙體、組裝好的葉片起吊并牢牢組裝在一塊事先鋪設(shè)好的黃色基座上——黃色基座深埋在海底沙質(zhì)的海床下20米，是整個(gè)海上風(fēng)電機(jī)的“地基”。

只有在天氣晴好的情況下，才可能在海上組裝這么一個(gè)大家伙。一旦海浪超過(guò)1.5米，工程就必須暫停了。施工人員的宿營(yíng)船就停泊在風(fēng)電場(chǎng)不遠(yuǎn)的地方，那里是所有負(fù)責(zé)組裝風(fēng)電機(jī)和鋪設(shè)電纜的工人的家。

丹麥：國(guó)家電力“風(fēng)電化”

盡管已不是世界第一，但仍無(wú)損“合恩礁”二號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)的先驅(qū)地位，因?yàn)樗淖鎳?guó)丹麥，是全世界最“懂”利用風(fēng)電的國(guó)家之一。說(shuō)起來(lái)即便在歐洲，丹麥也算不上一個(gè)大國(guó)，但在風(fēng)電領(lǐng)域，它卻已經(jīng)是毫無(wú)爭(zhēng)議的世界第一。目前丹麥已是世界上最主要的風(fēng)電機(jī)制造國(guó)，國(guó)內(nèi)用電總量的20%均由風(fēng)電來(lái)滿足。丹麥人鐘情于風(fēng)電有其特殊原因——因?yàn)榈準(zhǔn)且粋€(gè)多風(fēng)的國(guó)家，一年365天里面平均只有約十多天“風(fēng)平浪靜”。由于安裝了大量的風(fēng)電機(jī)，包括海上風(fēng)電場(chǎng)和陸地風(fēng)電場(chǎng)，一旦遇到大風(fēng)天，丹麥大大小小的“風(fēng)車”們可以提供國(guó)家所需的一半電量，而一旦遭遇暴風(fēng)天，“風(fēng)車”們就可以“扛”起整個(gè)國(guó)家所有的用電需求。

然而，風(fēng)電也并非十全十美。由于太依賴自然風(fēng)力、不確定因素很多，因此在制定長(zhǎng)期發(fā)電計(jì)劃時(shí)，人們總是很難給風(fēng)電定位。特別當(dāng)對(duì)電力需求上下波動(dòng)時(shí)，風(fēng)電由于無(wú)法隨心所欲地調(diào)節(jié)發(fā)電量，而其他類型的發(fā)電站則可以根據(jù)用電需求隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此風(fēng)電暫時(shí)無(wú)法在國(guó)家發(fā)電體系中取代其他類型的發(fā)電站。這也是為什么丹麥國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)行官表示，在選擇電力管理系統(tǒng)時(shí)，特別加入了多個(gè)天氣預(yù)報(bào)子系統(tǒng)，就是為了最大限度地減少風(fēng)電利用中的不確定因素。

此外，如果遇到大風(fēng)天，一時(shí)用不完的風(fēng)電會(huì)被“暫存”至挪威的抽水蓄能發(fā)電廠，等遇到無(wú)風(fēng)天時(shí)再調(diào)回丹麥國(guó)內(nèi)使用。盡管這個(gè)辦法再配合使用其他類型的一些發(fā)電站，目前已經(jīng)足夠應(yīng)付丹麥國(guó)內(nèi)的用電需求，但假借他人之手周轉(zhuǎn)電力的做法，終究不是長(zhǎng)久之計(jì)，特別是丹麥政府已計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電的利用強(qiáng)度。今年初，丹麥?zhǔn)紫嗬鼓律?，丹麥政府?jì)劃在波羅的海上建設(shè)一個(gè)有200座風(fēng)力渦輪機(jī)的巨型海上風(fēng)電場(chǎng)。計(jì)劃中的巨型風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量將達(dá)60萬(wàn)千瓦，可以為60萬(wàn)個(gè)家庭同時(shí)供電，建成后將和丹麥電網(wǎng)、德國(guó)電網(wǎng)和瑞典電網(wǎng)連接。

中國(guó)：籌建第二個(gè)海上風(fēng)場(chǎng)

在海上風(fēng)電的建設(shè)和利用這一領(lǐng)域中，中國(guó)也緊跟著丹麥、德國(guó)等歐洲強(qiáng)國(guó)，邁出了自己的步伐。

2007年11月，地處渤海遼東灣的海上風(fēng)力發(fā)電站正式投入運(yùn)營(yíng)。該發(fā)電站是世界上第一個(gè)專為海上油氣田供電的風(fēng)電站，位于離岸70公里的渤海綏中36-1油田，在該油田30米水深的一個(gè)導(dǎo)管架上安裝了一臺(tái)1.5兆瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并鋪設(shè)了一條5公里長(zhǎng)的海底電纜至綏中36-1油田的中心平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該平臺(tái)的并網(wǎng)發(fā)電。

而我國(guó)第一座大型海上風(fēng)電場(chǎng)，是位于上海東海大橋東側(cè)的上海市海域的東海大橋100兆瓦海上風(fēng)電場(chǎng)（一期）。該風(fēng)場(chǎng)由34臺(tái)單機(jī)容量為3兆瓦的國(guó)產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組組成，總裝機(jī)容量1 102兆瓦，設(shè)計(jì)年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)2 624小時(shí)，已于2010年6月實(shí)現(xiàn)34臺(tái)風(fēng)機(jī)全部并網(wǎng)發(fā)電，而風(fēng)場(chǎng)二期擴(kuò)建項(xiàng)目則有望在年內(nèi)開(kāi)建。

美好的前景

潮汐發(fā)電是水力發(fā)電的一種形式，它利用潮汐水流的移動(dòng)，或是潮汐海面的升降，自其中取得能量。雖然尚未被廣泛使用，但前景十分看好。

潮汐發(fā)電目前的主流形式是潮流式系統(tǒng)，它利用海水流動(dòng)的動(dòng)能推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)，與風(fēng)推動(dòng)風(fēng)車的方式類似?，F(xiàn)代渦輪技術(shù)的進(jìn)步有助于發(fā)電系統(tǒng)大量安裝在海中，支持電力的供應(yīng)。潮流式發(fā)電機(jī)可以安裝在水流匯集，速度高的區(qū)域，幾乎所有河川流入海灣或是匯流、水流集中的區(qū)域，都屬于這樣的地區(qū)。因?yàn)槌杀颈容^低廉，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響比較小，潮流式系統(tǒng)正受到各國(guó)政府和商業(yè)機(jī)構(gòu)越來(lái)越多的關(guān)注。