波浪能海堤發(fā)電技術(shù)研究

頡未鳳

(甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 嘉峪關(guān)735100)

1 波浪能使用現(xiàn)狀

1.1 背景及意義

隨著全球能源消耗量的增大,新興能源越來越受到重視,開地?zé)崮?、海洋能等新能源的研究也越來越多。其?海洋中波浪能的密度最大,也最具開發(fā)潛力,波浪能因此被認為是一種高質(zhì)量的海洋資源,其能量轉(zhuǎn)化效率也較高[1]。我國的海岸線長達上萬海里,波浪能密度平均可達3～7 kW/m,某些地方更高達20 kW/m,可開發(fā)的波浪能儲量非常豐富。全球很多機構(gòu)都在研究波浪能利用或發(fā)電甚至推進船舶的技術(shù),并取得了一定進展。最先利用波浪能的裝置是1799 年發(fā)明的。近年來,美歐日等地的波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速,而我國從20 世紀70 年代開始起步,并形成了一些科研成果,航標燈就是其中的研發(fā)成果[2],我國近期在浙江舟山研發(fā)建設(shè)的波浪能發(fā)電單機平臺,其功率達到了500kW。

圖1 國外波浪能發(fā)電裝置

1.2 波浪能發(fā)電的裝置及其原理

現(xiàn)代波浪能發(fā)電的裝置主要有振蕩式、海蛇式、搖擺式、鷹式等多種樣式[3],見圖1、圖2、圖3,主要通過波浪帶動漂浮裝置上下運動產(chǎn)生機械能,再將機械能轉(zhuǎn)化為電能。有一些將波浪能轉(zhuǎn)化為高壓空氣壓力,再噴射出來形成高速氣流,進行推動渦輪發(fā)電機產(chǎn)生電能。目前國內(nèi)外還設(shè)計出了波浪能發(fā)電船,將發(fā)電平臺與船體相結(jié)合,或直接給船提供前進動力。

2 目前波浪能發(fā)電面臨的技術(shù)問題

2.1 材料問題

海洋的鹽度非常高,且海水及鹽霧具有腐蝕性,裝置長時間在海水中工作會面臨生銹、老化等問題。影響材料強度和裝置壽命。因此波浪能發(fā)電裝置需要耐腐蝕材料制成,且要經(jīng)過長期鹽霧試驗的考驗,才能投入成熟化商業(yè)應(yīng)用[4]。

圖2 我國波浪能發(fā)電平臺

圖3 歐盟波浪能發(fā)電平臺

2.2 抗風(fēng)浪問題

海洋環(huán)境經(jīng)常面臨臺風(fēng)巨浪等惡劣環(huán)境,在這種環(huán)境下任何漂浮的平臺都難以幸存,同時也存在破損件污染海洋環(huán)境的可能,甚至對船舶的螺旋槳產(chǎn)生破壞,對航行安全構(gòu)成威脅。

2.3 成本問題

造價與發(fā)電量之比過高,且波浪能發(fā)電品質(zhì)不穩(wěn)定,難以儲存等問題直接影響了波浪能的現(xiàn)實化商業(yè)應(yīng)用。有關(guān)研究表面,波浪能發(fā)電成本是火電成本的10 倍左右,而且下海維護非常困難。

3 波浪能發(fā)電海堤技術(shù)方案

為解決波浪能發(fā)電存在的技術(shù)、成本、安全問題,本文設(shè)計了一種匯聚波浪能進行發(fā)電的海堤,該裝置與防波提共同組合工作,既起到加固海堤的作用,也能長期進行發(fā)電,綜合效益顯著。

3.1 波浪能發(fā)電海堤結(jié)構(gòu)

圖4 震蕩水柱式發(fā)電裝置

圖4 為震蕩水柱式海浪發(fā)電裝置,可以將波浪運動轉(zhuǎn)化為氣室高壓空氣的壓力,再集中釋放形成高速氣流,從而帶動氣體渦輪發(fā)電。由于渦輪發(fā)電機價格昂貴,提高了該形式的發(fā)電技術(shù)的建造成本。

圖5 波浪能海堤發(fā)電裝置

本文吸收了震蕩式水柱發(fā)電裝置的技術(shù)原理,在此基礎(chǔ)上進行改進,設(shè)計了一種波浪能發(fā)電海堤,結(jié)合氣體管道,可以匯聚波浪能成為壓縮氣體能,集中釋放,以達到發(fā)電集約化效果,降低其成本。如圖5,建設(shè)帶有氣體收集腔的海堤,海堤面臨海水一側(cè)的弧形坡度將水平方向的波浪能轉(zhuǎn)化為垂直方向上下起伏的水柱,水柱在接近垂直的氣腔中壓縮空氣,并通過單向閥門進入管狀氣體收集器,從而產(chǎn)生高壓空氣。許多獨立且并聯(lián)的收集腔內(nèi)產(chǎn)生的高壓空氣通過高壓空管道聯(lián)通,最終通過渦輪氣體發(fā)電機排向外界大氣,從而帶動渦輪發(fā)電機發(fā)電,流程見圖6。高壓空氣管道的直徑視發(fā)電功率的規(guī)?？梢栽O(shè)置φ為0.2m-2m 不等,管道材料以耐鹽霧腐蝕的不銹鋼管或耐腐蝕材料管道為宜。

圖6 波浪能海堤發(fā)電流程

3.2 對波浪能發(fā)電海堤電能產(chǎn)出的估計

波浪在深海區(qū)是上下起伏的橢圓運動,但由于近海海水深度的遞減,波浪會轉(zhuǎn)化為垂直于海岸線的水平往復(fù)運動,普通海浪在岸邊的水平運動可以達到5m/s,其動壓完全轉(zhuǎn)化為空氣壓力可產(chǎn)生1.1 大氣壓的壓縮空氣,高壓空氣經(jīng)高壓氣體收集通道再向外界大氣排出,可產(chǎn)生100m/s 的高速氣流,高速氣流帶動渦輪轉(zhuǎn)動,可產(chǎn)生大功率的電能。按波浪能平均密度3kW-10kW/m,整個系統(tǒng)綜合發(fā)電效率50%計算,1km 的海堤可以匯聚產(chǎn)生1.5MW-5MW 的發(fā)電功率。在北歐等波浪能資源豐富的國家,最高可以輸出50MW/km 的功率密度,接近于一個小型的火電廠的發(fā)電量。

3.3 波浪能發(fā)電海堤的使用維護

高壓空氣的收集有海堤自動完成,只有渦輪發(fā)電機與電器控制室需要人員集中維護。波浪能發(fā)電海堤還應(yīng)設(shè)置自動排水裝置,防止海水進入高壓空管道進而侵蝕渦輪發(fā)電機葉片。也應(yīng)設(shè)置過濾裝置,防止海藻或魚類沖入氣室。由于高壓空氣管道傳輸空氣的同時也起到了高壓容器的作用,即使自然界波浪強度存在短期波動,管道存儲的高壓空氣也能維持發(fā)電裝置一段時間的穩(wěn)定運行,從而提高電能輸出的品質(zhì)。如果利用波浪的往復(fù)運動增加低壓空氣管道,將渦輪發(fā)電機連接在高壓管道和低壓管道之間,可以增大發(fā)電功率,同時也會增加建設(shè)成本,是否增設(shè)低壓管道,仍需要權(quán)衡利弊。

3.4 波浪能發(fā)電海堤的經(jīng)濟效益

建成以后波浪能海堤非常穩(wěn)定,只有氣體單向閥和渦輪機是活動部件,其它設(shè)施可以長期應(yīng)用而免于維護,維護成本非常低,最昂貴的渦輪發(fā)電機可以減量集中安裝,僅需1-2 臺渦輪機就足夠了,由于發(fā)電機的集中化,維護相對變得簡單多了。按其發(fā)電能力,1km 波浪能發(fā)電海堤每年可產(chǎn)生約2000 萬度電能,還能起到防波作用,其建設(shè)成本需1000 萬左右,僅需1 年就能收回建設(shè)成本,綜合效益非常顯著。

4 結(jié)論

波浪能發(fā)電海堤是一種新的思路,相比其它發(fā)電裝置,免遭受波浪直接沖擊,從而增加了發(fā)電輸出的穩(wěn)定性,延長了設(shè)備的使用壽命,它在波浪能豐富區(qū)域尤其適用,經(jīng)濟效益更高,具有大范圍推廣價值。可以為沿海及海島能源緊缺地區(qū)提供可觀的能源輸入,尤其是邊遠海島如西沙群島、南沙群島等[5],同時可以采用風(fēng)、光、浪互補形式向大自然提取清潔能源。目前國內(nèi)外未見類似形式的研究報告,因此在我國具有一定起步優(yōu)勢。建議海洋能源研究機構(gòu)會同建設(shè)部門,開展實踐應(yīng)用研究,進一步成熟推廣。