基于波浪能技術(shù)為海島供電的方案研究

吳 清 邢 濤 張小店 方連航 洪同慶

（1、海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司創(chuàng)新管理部，海南 海口570100 2、海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司三沙供電局安全生產(chǎn)部，海南 ?？?70100）

我國是海洋大國，擁有300 多萬平方公里的海疆,星羅棋布的島礁達(dá)上萬個(gè)。其中,面積大于500 平方米的島嶼有6500 多個(gè),有常駐居民的島嶼有450 多個(gè)。海島是開拓發(fā)展空間、壯大海洋經(jīng)濟(jì)的重要依托，是保護(hù)海洋環(huán)境、維護(hù)生態(tài)平衡的重要平臺(tái)，是捍衛(wèi)國家權(quán)益、保障國防安全的戰(zhàn)略前沿[1]。由于海島遠(yuǎn)離陸地，為保證海島正常的生產(chǎn)生活，為海島提供能源與淡水是極其重要的。隨著海島開發(fā)的逐步深入，用電需求量逐漸增加。而目前，海島依然采用傳統(tǒng)的化石能源，發(fā)電量遠(yuǎn)不能滿足用電需求。因此，能源結(jié)構(gòu)改善需求迫切。島礁周圍擁有豐富的可再生能源，有效利用海島清潔能源，將其轉(zhuǎn)化為電力、儲(chǔ)能、淡水、交通動(dòng)力等復(fù)合資源，建立可獨(dú)立平穩(wěn)運(yùn)行的遠(yuǎn)洋海島群綜合能量供給系統(tǒng)，對(duì)保障海島能源供應(yīng)，促進(jìn)海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推進(jìn)國家遠(yuǎn)洋海島海洋戰(zhàn)略的實(shí)施，具有重要的意義[2]。

本文以典型遠(yuǎn)海島礁為例，概括了海島能源供給現(xiàn)狀，分析了采用海洋可再生能源為海島供電的優(yōu)勢(shì)及波浪能為海島供電的發(fā)展現(xiàn)狀，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面對(duì)波浪能為海島供電方案開展了評(píng)估，探討了波浪能為海島供電的可行性，為波浪能技術(shù)在遠(yuǎn)海島礁的應(yīng)用提供參考。

1 海島能源供給現(xiàn)狀

我國共有海島11,000 余個(gè)，截至2017 年底，全國實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)海島僅801 個(gè)，其中24 小時(shí)供電的716 個(gè)。隨著我國海洋強(qiáng)國建設(shè)的逐步深入，遠(yuǎn)海島嶼能量供給困難的問題必會(huì)解決。

目前，主要采取架設(shè)海底電纜，或依靠柴油發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等常規(guī)化石燃料機(jī)組等方式解決海島供電問題。由于海底地形復(fù)雜，海島與大陸架之間距離較遠(yuǎn)，鋪設(shè)海底電纜工程量大、周期長、費(fèi)用高；此外，海底電纜由于常受海流和內(nèi)波的影響，經(jīng)常出現(xiàn)移動(dòng)的現(xiàn)象，維護(hù)工程難度極大。利用柴油供電雖然具有設(shè)備成熟和易于安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在燃料運(yùn)輸困難、發(fā)電成本高、噪音污染大等缺點(diǎn)，同時(shí)柴油機(jī)排放的溫室氣體會(huì)破壞脆弱的海島生態(tài)環(huán)境，給海島帶來嚴(yán)重的污染問題。

2 可再生能源為海島供電優(yōu)勢(shì)

海島具有得天獨(dú)厚的風(fēng)能、太陽能、海洋能資源，隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，實(shí)現(xiàn)以可再生能源發(fā)電為主的海島群能量供給系統(tǒng)在技術(shù)上是完全可行的。由于可再生能源本身是不計(jì)成本的，只需要考慮可再生能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的投資成本，在經(jīng)濟(jì)性方面也具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。在海島供電系統(tǒng)的電源方面，Senjyu T 提出了由風(fēng)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能和柴油發(fā)電綜合的海島電網(wǎng)[3]；Katsaprakakis D A 設(shè)計(jì)了一種以風(fēng)能和太陽能為主要能源，以柴油發(fā)電為后備能源的海島能源供應(yīng)模式，并從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)相結(jié)合的角度分析了包括光伏發(fā)電和柴油發(fā)電的海島供電方案[4]；Georgilakis P S 提出了100%可再生能源為海島供電的可靠性分析[5]；葛福余探討了海島太陽能利用的方式，分析了海島光伏利用存在的問題[6]。

近年來，許多海島嘗試?yán)锰柲芄夥骞╇?，但需要占用寶貴的島礁面積，且太陽能發(fā)電量小，日發(fā)電時(shí)間短，不足以滿足海島日常用電量。因此要長效解決能源供應(yīng)這一問題，只能利用不占用島礁陸地面積的海洋能源，就地發(fā)電，就近使用。

波浪能是綠色可再生能源，其能量利用轉(zhuǎn)換過程完全是一種物理過程，不存在化學(xué)反應(yīng)，不排出有害氣體，對(duì)環(huán)境的影響幾乎為零。與其它海洋能源相比，開發(fā)利用波浪能有以下優(yōu)點(diǎn)：a.波浪能能量品質(zhì)較好，可就地取材、就地使用；b.波浪能蘊(yùn)藏豐富，實(shí)際可開發(fā)量較高，我國波浪能的理論存儲(chǔ)量為7000 萬千瓦左右，開發(fā)前景廣闊；c.波浪能分布廣泛，是一種全天候的能源，各季節(jié)間能源密度差距較?。籨.波浪能利用對(duì)環(huán)境友好，利用波浪能不破壞當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境，不產(chǎn)生污染，對(duì)自然地理環(huán)境無特殊要求；e.波浪能利用具有現(xiàn)實(shí)工程意義，利用波浪能裝置建立浮島、防波堤或護(hù)岸，形成遠(yuǎn)海的無浪區(qū)，可實(shí)現(xiàn)波浪能裝置的功能多元化；f.波浪能利用裝置一般結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，建造和維護(hù)方便，便于群體化、密集型開發(fā)。

3 波浪能為海島供電方案分析

3.1 波浪能發(fā)電技術(shù)介紹

波浪重現(xiàn)期短、資源分布廣泛。近年來，波浪能已成為最熱門的海洋能利用技術(shù)，隨著各國投入大量資金進(jìn)行波浪能發(fā)電裝置的研究，波浪能技術(shù)得到了迅速發(fā)展。波浪能技術(shù)的多種問題具有關(guān)聯(lián)性：提高可靠性與提高轉(zhuǎn)換效率存在矛盾，因此出現(xiàn)了各有側(cè)重的不同方案，導(dǎo)致了波浪能技術(shù)的多樣性和發(fā)散性，尚未進(jìn)入技術(shù)收斂期。根據(jù)美國能源部海洋和水動(dòng)力數(shù)據(jù)庫（MHD），全球有16 個(gè)國家在進(jìn)行波浪能發(fā)電研究，英國、中國、美國、澳大利亞、丹麥和西班牙等國的波浪能開發(fā)技術(shù)和應(yīng)用規(guī)模居世界領(lǐng)先地位。

隨著全球環(huán)境的逐漸惡化和可再生能源發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步，太陽能、風(fēng)能等綠色電力的占比快速增大，歐洲主要通過發(fā)展可再生能源來擴(kuò)大國家電力裝機(jī)。海島和臨近海岸的大陸均在積極擴(kuò)展海上風(fēng)能和海洋能。英國為島嶼國家，其周邊海域波浪能、潮流能、風(fēng)能資源豐富，該國在大力擴(kuò)大海上風(fēng)能裝機(jī)，并建成了海上波浪能發(fā)電場(chǎng)，多種裝備在開展示范應(yīng)用；半島國家西班牙在其西部沿海建成了國家級(jí)波浪能發(fā)電場(chǎng)，通過海底電纜輸送波浪能電力至陸地；丹麥在海上建成了集風(fēng)力發(fā)電與波浪能發(fā)電為一體的海上多能互補(bǔ)電站。

我國的波浪能技術(shù)研究開始于1979 年。近年來，我國對(duì)于海洋能開發(fā)戰(zhàn)略日益重視，出臺(tái)了一系列激勵(lì)政策和措施，“十一五”以來，國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃首次在先進(jìn)能源技術(shù)領(lǐng)域設(shè)立了“可再生能源技術(shù)專題”，特別是在2010 年，國家設(shè)立海洋能專項(xiàng)資金。這些政策和措施都極大的刺激了國內(nèi)對(duì)于包括海洋能技術(shù)在內(nèi)的可再生能源的研究和發(fā)展。目前，國內(nèi)對(duì)于鴨式波浪能裝置、鷹式波浪能發(fā)電裝置、浮力擺式波浪能裝置、蕩浮子式漂浮液壓海浪發(fā)電站、擺式振蕩浮子波浪能裝置筏式等波浪能發(fā)電裝置的研究已取得一定成果。

3.2 波浪能為海島供電現(xiàn)狀

在島嶼波浪能供電相關(guān)理論研究方面，國內(nèi)包括中國海洋大學(xué)、中科院廣州能源所等相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)理論和方法的研究，但因國內(nèi)波浪能起步較晚，大型波浪能發(fā)電平臺(tái)技術(shù)在近年才取得重大突破，因而在具體實(shí)踐方面的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)還不多。國外波浪能研究和發(fā)展較早，二十世紀(jì)九十年，日本、英國、挪威等國家已經(jīng)開始建設(shè)波浪能發(fā)電裝置為海島供電，但試點(diǎn)島嶼一般為大型或較大海島，在海島邊緣建設(shè)固定式波浪能發(fā)電裝置（岸式）；2002 年，英國建造750kW 的“海蛇”離岸漂浮式波浪能發(fā)電裝置，在葡萄牙北部海岸投入使用；近年來，由于在相關(guān)方面技術(shù)沒有重大關(guān)鍵突破，建設(shè)熱度有所降低。

在相關(guān)資源與配套比較充分的大型島嶼，建設(shè)岸式波浪能發(fā)電開展并網(wǎng)供應(yīng)具備較高可行性。我國島嶼眾多，但大島少，小島多。對(duì)個(gè)別常住人口多，經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求高的島嶼，能源供應(yīng)模式可選擇性高。但對(duì)于遠(yuǎn)離大陸的諸多小島，在海島上開展基礎(chǔ)建設(shè)和維護(hù)成本高，建設(shè)難度大。在離岸漂浮式波浪能發(fā)電平臺(tái)技術(shù)取得重大突破之前，開展海島波浪能綜合開發(fā)應(yīng)用可行性較低。目前，中科院廣州能源研究所在大型離岸漂浮式波浪能發(fā)電平臺(tái)技術(shù)方面取得了關(guān)鍵突破并開始試點(diǎn)應(yīng)用[7]，這為在大量中小型島嶼開展波浪能源開發(fā)與利用成為可能。

在海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司支持下，中科院廣州能源研究所承擔(dān)了“含波浪能發(fā)電系統(tǒng)的海島智能微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究及示范應(yīng)用（任務(wù)一、三、六部分）”項(xiàng)目，其研建的大型漂浮式波浪能發(fā)電裝置“先導(dǎo)一號(hào)”實(shí)現(xiàn)了在西沙永興島并網(wǎng)供電，如圖1。該裝置裝機(jī)容量為260kW，包括200kW 波浪能及60kW 太陽能。其中主體波浪能模塊可在波況為0.5-5 米范圍內(nèi)捕獲波浪能并轉(zhuǎn)換，在理想波況2-3 米范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換效率大于20%，處于全球領(lǐng)先水平。如圖2，為該裝置實(shí)海況發(fā)電曲線。

圖1“先導(dǎo)一號(hào)”在西沙海面運(yùn)行

圖2“先導(dǎo)一號(hào)”實(shí)時(shí)發(fā)電功率（2018 年8 月10 日10:00-11:00）

3.3 含波浪能技術(shù)應(yīng)用的海島微電網(wǎng)

波浪能發(fā)電的輸出功率依賴于氣候條件，具有極高的間歇性及不可控性，同時(shí)電能質(zhì)量不高，難以滿足用戶需求，因此需要采用多能源互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)，同時(shí)配備功率型及能量型儲(chǔ)能裝置，加之可靠的電力電子變換裝置(整流器、逆變器等)，通過各發(fā)電單元及儲(chǔ)能之間的協(xié)調(diào)控制為居民用戶等負(fù)載端提供可靠穩(wěn)定的、電能質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)的電能，從而確保在波浪能、太陽能等源端能量輸出不穩(wěn)定或者負(fù)載波動(dòng)較大的情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以保證在一定時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)的穩(wěn)定性及不間斷性[8][9]。

從全球范圍看，日本、美國以及歐洲等發(fā)達(dá)國家已有商業(yè)化海島微網(wǎng)項(xiàng)目投入運(yùn)行，技術(shù)相對(duì)于中國較為成熟。美國阿拉斯加Metlakatla 島上用一套基于VRLA 的1.4MWh 蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為離網(wǎng)式水力發(fā)電系統(tǒng)的后備電源，可以800KW 的功率提供90 分鐘的應(yīng)急電能。希臘愛琴海基克拉迪群島微網(wǎng)示范工程研究了在幾種運(yùn)行狀態(tài)下，微網(wǎng)從并網(wǎng)穩(wěn)定切換到孤島狀態(tài)的可行性，并分析了微型燃?xì)廨啓C(jī)與柴油發(fā)電機(jī)組在孤島模式下的相互影響以及切負(fù)荷控制策略。我國海島微電網(wǎng)多以風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏發(fā)電為主，且離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)多配備柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，儲(chǔ)能多以蓄電池為主，偶爾配置超級(jí)電容。但是為了能源的綠色利用，需要進(jìn)一步發(fā)展海洋波浪能裝備，提高海島電網(wǎng)的供電質(zhì)量和供電可靠性。

我國南海海島眾多，在已建立獨(dú)立微電網(wǎng)的海島，波浪能發(fā)電平臺(tái)模塊可通過整流、穩(wěn)壓后接入海島微電網(wǎng)，與本島其他能源模式，包括傳統(tǒng)柴油發(fā)電、光伏發(fā)電、風(fēng)電等能源，接受電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度和應(yīng)用，保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)于較多尚未建立獨(dú)立微電網(wǎng)海島，應(yīng)綜合考量島上能源的需求量及其應(yīng)用模式。若以小用戶為主，可考慮以波浪能發(fā)電模塊為基礎(chǔ)，在海島建立獨(dú)立微小調(diào)度模塊，將波浪能電力接入后通過調(diào)度模塊向島上用戶輸送；若本島存在較大電量用戶，可考慮直接將波浪能模塊接入用戶用電單元，直接用電?！跋葘?dǎo)一號(hào)”波浪能發(fā)電裝置通過10kV 海底電纜，將利用波浪能產(chǎn)生的電力并入永興島微電網(wǎng)中，是海島的電力能源的一個(gè)重要補(bǔ)充，如圖3所示。

3.4 適用性與經(jīng)濟(jì)性分析

受特殊地理位置和環(huán)境因素制約，能源供給是限制我國海洋開發(fā)的難題之一?，F(xiàn)階段我國南海島礁能源供給以柴油機(jī)為主，供電方式單一、成本高昂，且存在污染，能源結(jié)構(gòu)急需優(yōu)化。與此相比，波浪能發(fā)電清潔無污染，可大幅度減少海島供電產(chǎn)生的碳排放，符合我國海島開發(fā)新趨勢(shì)。

圖3“先導(dǎo)一號(hào)”發(fā)電裝置接入永興島微電網(wǎng)

我國南海地區(qū)波浪能資源豐富，波浪能的總儲(chǔ)量為84079kW·h/m，有效儲(chǔ)量為66336kW·h/m[10]，年發(fā)電小時(shí)數(shù)可超過2000 小時(shí)，優(yōu)于風(fēng)機(jī)的1700 小時(shí)和光伏發(fā)電的1000 小時(shí)。在波浪能開發(fā)中，通常波高大于1.3 m 時(shí)可用，4.0 m 以上大浪具有較大的破壞能力，不利于發(fā)電裝置的運(yùn)行與安全，在此將波浪能開發(fā)的可用波高限制在1.3-4.0 m 之間可用波高的出現(xiàn)頻率分別是衡量波浪能豐富程度的重要指標(biāo)。鄭崇偉[9][10]等人統(tǒng)計(jì)南海海域波浪能流密度的月變化特征、可用波高出現(xiàn)的頻率，結(jié)果如圖2 所示。南海海域在能源最貧乏的4-5 月，本文研究海域的波浪能流密度在2.2 kW/m 以上，僅是在4-6 月可用波高出現(xiàn)頻率在50%以下，其余月份可用波高出現(xiàn)頻率都在50%以上。因此可以認(rèn)為，研究海域全年都可進(jìn)行波浪能資源開發(fā)。南海究海域6 級(jí)以上大浪頻率整體較低，浪向都很有規(guī)律，這對(duì)于延長波浪能裝置的壽命、防災(zāi)減災(zāi)是有利的。另外，波浪能發(fā)電質(zhì)量穩(wěn)定，短期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)，利于海島微電網(wǎng)的運(yùn)行安全。同時(shí)，波浪能裝置投放在海上，不僅不占用島礁面積，還可以成為島礁向外拓展的基站，可有效促進(jìn)海島周邊資源的開發(fā)和利用。

隨著波浪能技術(shù)成熟度的逐步提高，單位功率造價(jià)隨著裝機(jī)容量的增大而減小，未來仍有進(jìn)一步降低的空間。結(jié)合現(xiàn)階段波浪能裝置的建造（如圖4）、運(yùn)維等成本和發(fā)電量，預(yù)計(jì)波浪能發(fā)電度電成本可降低至3.35 元/kWh，與現(xiàn)階段海島用柴油機(jī)發(fā)電成本對(duì)比已有明顯優(yōu)勢(shì)，如表1 所示。同時(shí)，波浪能發(fā)電裝備批量化應(yīng)用將整體降低裝置的建造和運(yùn)維成本，度電成本將進(jìn)一步降低。

圖4 波浪能流密度的月變化特征（左）、可用波高出現(xiàn)的頻率（右）

圖5 波浪能發(fā)電裝置單位功率造價(jià)（萬元/kW）

同時(shí)，根據(jù)海島相關(guān)發(fā)展規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，現(xiàn)有波浪能技術(shù)可拓展養(yǎng)殖、旅游服務(wù)等業(yè)務(wù)，在此基礎(chǔ)上開展波浪能綜合開發(fā)與應(yīng)用將具備較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效應(yīng)。同時(shí)，利用大型漂浮式波浪能發(fā)電裝置，可針對(duì)不同海域固有特征，開展包括海上休閑服務(wù)、科學(xué)監(jiān)測(cè)觀測(cè)等在內(nèi)的海上服務(wù)，以此拓寬海上波浪能源的服務(wù)對(duì)象和應(yīng)用廣度。

4 結(jié)論

為解決海島不斷增長的負(fù)荷用電需求，全面、高質(zhì)量促進(jìn)我國海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展，本文以海島能源現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)波浪能為海島供電為研究目標(biāo)，進(jìn)行了技術(shù)及經(jīng)濟(jì)方面的探討，得到的主要結(jié)論如下：

表1 波浪能與柴油發(fā)電機(jī)度電成本對(duì)比

4.1 采用海洋可再生能源中的波浪能為海島供電，符合海島自然環(huán)境特點(diǎn)，能緩解海島能源緊缺問題，可實(shí)現(xiàn)保護(hù)海島環(huán)境，促進(jìn)海島發(fā)展的需求。

4.2 波浪能發(fā)電技術(shù)在逐步成熟，現(xiàn)有的波浪能裝置為孤立海島微電網(wǎng)供電的成功案例，證實(shí)采用波浪能為海島供電的方案在技術(shù)上是可行的。如在波浪能發(fā)電功能以外拓展其他功能，采用波浪能為海島供電的方案在經(jīng)濟(jì)性上也是可行的。

4.3 采用波浪能發(fā)電技術(shù)為海島供電的方案具有可操作性，建議在我國孤立海島進(jìn)行大力推廣。