海洋能發(fā)電技術(shù)研究

【摘要】海洋能是取之不盡、用之不竭的清潔能源。海洋能多種多樣，主要包括波浪能、潮流能、潮汐能和溫差能等。利用海洋能發(fā)電能夠改善能源結(jié)構(gòu)和環(huán)境，有利于海洋資源開(kāi)發(fā)，受到許多國(guó)家的重視。文中對(duì)各種海洋能發(fā)電系統(tǒng)的主要技術(shù)原理、特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀作了綜述，最后指出海洋能利用的意義和前景。

【關(guān)鍵詞】海洋能;海洋能發(fā)電;可再生能源

Abstract：This paper presents the elements and the characteristic of the Ocean Energy Generation Technology，and recommend the actuality of the Ocean Energy Generation Equipment.

Key word：Ocean Energy;Ocean Energy Generation Technology;reproducible Energy

1.引言

2008年全球一次能源消費(fèi)量為143851TWh，其中81.2%來(lái)自化石燃料。隨著礦物燃料的日趨枯竭，世界主要海洋國(guó)家紛紛將目標(biāo)轉(zhuǎn)向蘊(yùn)藏豐富能源的海洋，不斷加大科技和資金投入，以期在海洋可再生能源開(kāi)發(fā)利用的“爭(zhēng)奪戰(zhàn)”中搶得先機(jī)。海洋能主要指波浪能、潮流能（海流能）、潮汐能、溫差能和鹽差能等可再生能源。海洋能總量是巨大的，據(jù)估計(jì)與全球一次能源消費(fèi)能源的50%相當(dāng)，其中，全球海浪發(fā)電的理論儲(chǔ)量為29500TWh/年左右，全球潮汐（含潮流）發(fā)電的理論儲(chǔ)量為7800TWh/年左右，全球海洋熱發(fā)電轉(zhuǎn)換的理論儲(chǔ)量為44000TWh/年左右，全球鹽差能的理論儲(chǔ)量估計(jì)為1650TWh/年左右。雖然海洋能源分布不均勻，但在每一個(gè)海岸，往往不止一種形式可以供應(yīng)當(dāng)?shù)氐碾娏π枨?。我?guó)重視海洋可再生能源的開(kāi)發(fā)利用，將包括海洋能在內(nèi)的新能源產(chǎn)業(yè)視為引領(lǐng)我國(guó)未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的七大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。近年來(lái)，我國(guó)先后設(shè)立了“908專項(xiàng)（我國(guó)近海海洋可再生能源調(diào)查與研究項(xiàng)目）”和“海洋可再生能源專項(xiàng)資金”支持計(jì)劃等，支持海洋能的海島獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)示范工程、關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化、新技術(shù)研究試驗(yàn)以及公共支撐服務(wù)體系建設(shè)等，并擬在海洋能資源豐富地區(qū)建設(shè)海洋能示范電站，開(kāi)展萬(wàn)千瓦級(jí)潮汐電站建設(shè)工作。

2.國(guó)外海洋能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 波浪能發(fā)電技術(shù)

現(xiàn)階段，波浪能發(fā)電技術(shù)的基本原理是：利用物體在波浪作用下的升沉和搖擺運(yùn)動(dòng)將波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或利用波浪的爬升將波浪能轉(zhuǎn)換成水的勢(shì)能。波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)一般包括三級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)：一級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將波浪能轉(zhuǎn)換成某個(gè)載體的機(jī)械能;二級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將一級(jí)能量轉(zhuǎn)換所得到的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)械能;三級(jí)能量轉(zhuǎn)換通過(guò)發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。根據(jù)一級(jí)能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的原理，波能發(fā)電技術(shù)可分為振蕩水柱技術(shù)、筏式技術(shù)、收縮波道技術(shù)、點(diǎn)吸收（振蕩浮子）技術(shù)和鴨式技術(shù)等。振蕩水柱技術(shù)是利用空氣作為轉(zhuǎn)換介質(zhì)的，其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不與海水接觸，防腐性能好，安全可靠，維護(hù)方便;其缺點(diǎn)是二級(jí)能量轉(zhuǎn)換效率較低。目前，國(guó)外建成的振蕩水柱發(fā)電裝置有英國(guó)的LIMPET電站（500kW固定式）、葡萄牙的400kW固定式電站和澳大利亞的500kW漂浮式裝置。應(yīng)用筏式技術(shù)的發(fā)電裝置主要由鉸接的筏體和液壓系統(tǒng)組成，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備抗浪性能較好，缺點(diǎn)是設(shè)備成本高。目前，國(guó)外建成的筏式發(fā)電裝置有英國(guó)Cork大學(xué)和女王大學(xué)研究的McCabe波浪泵波力裝置和蘇格蘭Ocean Power Delivery公司的Pelamis（海蛇）波能裝置。

應(yīng)用收縮波道技術(shù)的發(fā)電裝置主要由收縮波道、高位水庫(kù)、水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，其優(yōu)點(diǎn)是一級(jí)轉(zhuǎn)換沒(méi)有活動(dòng)部件，可靠性好，維護(hù)費(fèi)用低，在大浪時(shí)系統(tǒng)出力穩(wěn)定;不足之處是小浪下的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率低。目前，國(guó)外建成的收縮波道發(fā)電裝置有挪威350kW的固定式收縮波道裝置以及丹麥的WaveDragon。

應(yīng)用點(diǎn)吸收技術(shù)的發(fā)電裝置主要由相對(duì)運(yùn)動(dòng)的浮體、錨鏈、液壓或發(fā)電裝置組成，其主要特點(diǎn)是點(diǎn)吸收式發(fā)電裝置的尺度與波浪尺度相比很小。目前建成的點(diǎn)吸收式發(fā)電裝置有英國(guó)的AquaBuOY裝置、阿基米德波浪擺、PowerBuoy以及波浪騎士裝置。

應(yīng)用鴨式發(fā)電技術(shù)的發(fā)電裝置的橫截面成鴨蛋形，發(fā)電效率很高，在短波時(shí)的一級(jí)轉(zhuǎn)換效率接近于100%，但抗風(fēng)浪能力有待提高。

2.2 潮流能（海流能）發(fā)電技術(shù)

潮汐是一種周期性海水自然漲落現(xiàn)象。在太陽(yáng)和月球引力作用下，海水作周期性的運(yùn)動(dòng)，它包括海面周期性的垂直升降和海水周期性的水平流動(dòng)。垂直升降部分為潮汐的位能，被稱為潮差能;水平流動(dòng)部分為潮汐的動(dòng)能，被稱為潮流能。潮流能的主要特點(diǎn)是：

①較強(qiáng)的規(guī)律性和可預(yù)測(cè)性;

②功率密度大，能量穩(wěn)定;

③潮流能的利用形式通常是開(kāi)放式的，不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成大的影響。

一般說(shuō)來(lái)，最大流速在2m/s以上的水道，其潮流能均有實(shí)際開(kāi)發(fā)的價(jià)值。

新型潮流能發(fā)電裝置作為一種開(kāi)放式的海洋能量捕獲裝置，無(wú)需巨額的前期投資;利用該裝置發(fā)電時(shí)，由于葉輪轉(zhuǎn)速慢，不產(chǎn)生大的噪聲，不影響人們的視覺(jué)環(huán)境，各種海洋生物仍可以在葉輪附近流動(dòng)，因此可保持良好的地域生態(tài)環(huán)境。潮流能發(fā)電裝置根據(jù)其透平機(jī)械的軸線與水流方向的空間關(guān)系可分成水平軸式和垂直軸式2種結(jié)構(gòu)。垂直軸式發(fā)電裝置研究起步較早，目前國(guó)外主要的設(shè)備樣機(jī)有加拿大Blue Energy公司的Davis四葉片垂直軸渦輪機(jī)、意大利Ponte di Archimede International SpA公司和Naples大學(xué)航空工程系合作研發(fā)的Kobold渦輪垂直軸水輪機(jī)（130kW）、美國(guó)GCK Technology公司的螺旋形葉片的垂直軸水輪機(jī)和日本Nihon大學(xué)的垂直軸式Darrieus型水輪機(jī)。水平軸式發(fā)電裝置是近10多年才興起的，與垂直軸式結(jié)構(gòu)相比，水平軸式潮流能發(fā)電裝置具有效率高、自啟動(dòng)性能好的特點(diǎn)。目前國(guó)外主要的設(shè)備樣機(jī)有英國(guó)Marine Current Turbine公司的1.2MW雙葉輪結(jié)構(gòu)的“Seagen”樣機(jī)、挪威Hammerfest Strom公司的300 kW并網(wǎng)型潮流能發(fā)電原型樣機(jī)。

2.3 潮汐能發(fā)電技術(shù)

潮汐能發(fā)電與水力發(fā)電的原理、組成基本相同，也是利用水的能量使水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。潮汐能發(fā)電技術(shù)研究始于歐洲，早期的潮汐能電站有德國(guó)（1912年）的布蘇姆潮汐電站和法國(guó)（1966年）的朗斯河口潮汐電站，其中朗斯電站的建成及其近40年的成功運(yùn)行證實(shí)了潮汐電站技術(shù)的可行性，它使潮汐電站進(jìn)入了實(shí)用階段。目前，在英、加、俄、印、韓等13個(gè)國(guó)家運(yùn)行、在建及擬建的潮汐電站達(dá)139座，進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)的10余座潮汐電站均為100MW～1000MW級(jí)。據(jù)資料顯示，韓國(guó)正在建設(shè)世界上最大的潮汐電站——Shihwa湖大型潮汐電站。

2.4 溫差能發(fā)電技術(shù)

熱帶海洋表層與千米深處存在著基本恒定的20℃～25℃的溫差，這就提供了一個(gè)量大且穩(wěn)定的能源。海洋溫差能是利用海洋表面的溫海水（26℃～28℃）加熱某工作介質(zhì)并使之汽化，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)獲取動(dòng)力;同時(shí)，利用從海底提取的冷海水（4℃～6℃）將做功后的乏氣冷凝，使之重新變?yōu)橐后w。按照工作介質(zhì)及流程的不同可分為開(kāi)式循環(huán)、閉式循環(huán)、混合式循環(huán)。開(kāi)式循環(huán)的工作介質(zhì)是表層溫海水，其優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)生電力的同時(shí)可進(jìn)行海水淡化，缺點(diǎn)是設(shè)備尺寸大，機(jī)械能損耗高，單位功率的材料占用大，施工困難。閉式循環(huán)的工作介質(zhì)是氨等低沸點(diǎn)物質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備尺寸小、機(jī)械耗能低、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高，缺點(diǎn)是不能進(jìn)行海水淡化?；旌鲜窖h(huán)同時(shí)包括開(kāi)式循環(huán)和閉式循環(huán)，其特點(diǎn)是效率高、設(shè)備造價(jià)低，且可實(shí)現(xiàn)海水淡化。目前，溫差能發(fā)電技術(shù)和裝備尚處于示范試驗(yàn)階段，國(guó)外主要有美國(guó)奎爾哈公司的開(kāi)式循環(huán)OTEC溫差能電站、印度海洋技術(shù)國(guó)家研究所的陸基溫差能電站和日本佐賀大學(xué)的混合溫差能電站。

3.國(guó)內(nèi)海洋能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 波浪能發(fā)電技術(shù)

我國(guó)波浪能發(fā)電技術(shù)研究已有30多年的歷史，先后研建了100千瓦振蕩水柱式和30千瓦擺式波浪能發(fā)電試驗(yàn)電站，利用波浪能發(fā)電原理研制的海上導(dǎo)航燈標(biāo)已商業(yè)化并出口。目前，國(guó)內(nèi)處于試驗(yàn)階段的設(shè)備主要有：國(guó)家海洋技術(shù)中心開(kāi)發(fā)的浮力擺波浪能發(fā)電系統(tǒng)、廣州能源研究所開(kāi)發(fā)的鴨式波浪能發(fā)電裝置（10kW）和點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置（10kW）、華南理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的擺式振蕩浮子式波浪能發(fā)電系統(tǒng)和七一〇研究所開(kāi)發(fā)的筏式波浪能發(fā)電系統(tǒng)。

3.2 潮流能（海流能）發(fā)電技術(shù)

“八五”和“九五”期間，我國(guó)研建了70千瓦和40千瓦的潮流實(shí)驗(yàn)電站。在 “十一五”科技支撐計(jì)劃和海洋能專項(xiàng)資金支持下，我國(guó)啟動(dòng)了一項(xiàng)百千瓦級(jí)垂直軸潮流能示范試驗(yàn)電站、一項(xiàng)小型水平軸潮流能示范電站和多項(xiàng)潮流能示范工程建設(shè)。

目前，國(guó)內(nèi)處于試驗(yàn)階段的設(shè)備主要有：浙江大學(xué)的25kW水平軸潮流發(fā)電裝置、哈爾濱工程大學(xué)的萬(wàn)向系列垂直軸潮流發(fā)電裝置（70kW和40kW）和東北師范大學(xué)的5kW模塊化潮流能發(fā)電裝置。

3.3 潮汐能發(fā)電技術(shù)

我國(guó)大陸海岸線長(zhǎng)（達(dá)18000km），海灣、河口多（近200個(gè)），可開(kāi)發(fā)潮汐能年總發(fā)電量大（約60TW·h），裝機(jī)總?cè)萘靠蛇_(dá)20GW。近五十年來(lái)，中國(guó)在有關(guān)潮汐電站的研究、開(kāi)發(fā)方案及設(shè)計(jì)方面做了許多工作，但建成投運(yùn)的潮汐電站數(shù)量很少，目前正常運(yùn)行或具備恢復(fù)運(yùn)行條件的電站有8座，總裝機(jī)容量不及可開(kāi)發(fā)總量的1%，開(kāi)發(fā)潛力巨大。

3.4 溫差能發(fā)電技術(shù)

2004～2005年，天津大學(xué)完成了對(duì)混合式海洋溫差能利用系統(tǒng)的理論研究課題，并就小型化試驗(yàn)用200 W氨飽和蒸汽透平進(jìn)行了研究開(kāi)發(fā)。在“十一五”科技支撐計(jì)劃支持下，國(guó)家海洋局第一研究所和華電青島發(fā)電有限公司正開(kāi)展15千瓦閉式溫差能電站研建工作。

4.結(jié)束語(yǔ)

海洋溫能作為一種清潔、可再生的能源，具有很好的發(fā)展前景。其開(kāi)發(fā)、利用對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的提高具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)海洋能發(fā)電技術(shù)及其裝備的研究，是一項(xiàng)可持續(xù)能源需求的高技術(shù)投資項(xiàng)目，關(guān)系國(guó)家能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，經(jīng)濟(jì)前景廣闊，現(xiàn)實(shí)意義重大。

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作者簡(jiǎn)介：劉文麗（1982—），女，講師，主要研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃與新能源技術(shù)。