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编译者:mall发布时间:Oct 18, 2018点击量:88625 来源栏目:采集报告

发布时间:2018-09-03

一、我国海洋能开发的背景

从能源结构看,我国是一个 “富煤、贫油、少气”的国家,1993年,我国首次成为石油的净进口国;2006年成为天然气的净进口国;2009年成为煤炭的净进口国。我国能源资源约束日益加剧,生态环境问题突出,调整结构、提高能效和保障能源安全的压力进一步加大,能源发展面临一系列新的问题与挑战。目前,我国非常规油气和深海油气资源开发潜力虽然较大,但海洋石油开发既是发掘能源的过程,也是消耗能源的过程。2011年,我国海洋石油产量突破5000万t,而为此消耗的天然气超过8亿m3,相当于4个上海市1年的燃气量。因此,以海洋波浪能、潮流能、温差能作为辅助能源或替代能源,既可降低石油开采耗气量、节约气源,又可减少二氧化碳排放、保护环境。此外,我国拥有6500多个岛屿,其开发所需的电力可利用海洋可再生能源供给,以“就地取能”的方式提供,对于边界岛屿,则有利于守海戍疆,维护国家主权。

《海洋可再生能源发展纲要(2013~2016年)》中提出,发展海洋能是确保国家能源安全、实施节能减排的客观要求。海洋能是可再生且储量丰富的清洁能源,海洋能的开发利用可实现能源供给的海陆互补,减轻沿海经济发达、能耗密集地区的常规化石能源供给压力。多种能源共同发展,可维护和保障我国的能源安全和经济社会的可持续发展,亦将有利于发展低碳经济和实现节能减排目标。

发展海洋能是提升国际竞争力的重要举措。随着海洋战略地位的日益凸显,海洋能源开发利用受到世界各国高度重视,多国相继制定了鼓励海洋能开发利用的法规、政策,以推进技术转化及产业实施。同时,发达国家正努力加强海洋能研发力度,为大规模利用进行技术储备。因此,与国际先进水平同步,抢占海洋能开发利用技术领域的制高点,掌握核心技术,有利于提升我国海洋科技的国际竞争力。

发展海洋能是解决我国沿海地区和海岛能源短缺的重要途径。我国沿海地区人口集中、资产密集、经济发达,且海岛地区因国防或人民生活需要有待开发,而电力缺乏将成为制约沿海特别是海岛经济发展的关键因素。因地制宜建设适用的海洋能发电系统,是补充沿海电力短缺和解决海岛居民及驻军用电问题的可行途径之一。

发展海洋能是培育我国海洋新兴产业的需要。海洋能属于新兴产业,具有较长的产业链,其发展将促进和带动装备制造、加工安装、新材料、海洋工程等一批产业和技术的进步,拉动经济发展,增加就业岗位。大力发展海洋能,对于促进我国经济结构转化、实现可持续发展具有重要的推动作用。

海洋能在全球海洋总储量巨大,资源分布极为广泛。我国沿岸和近海及毗邻海域的各类海洋能资源理论总储量约为6.1087×1011kW,技术可利用量约为9.81亿kW,见表1。

利用海洋能的主要方式是发电。小功率海洋能装置可用于海岛灯塔、航道灯标,以及海洋观测浮标系统;大功率海洋能装置可实现并网或独立供电,为偏远海岛及海洋资源开发设施等提供清洁能源。

表1 我国各类海洋能资源储量

二、我国潮汐能利用的发展

我国自1955年开始建设小型潮汐电站,20世纪50年代末~80年代先后建成沙山、白沙口、江厦等70余座潮汐电站,使我国成为世界上建成现代潮汐电站最多的国家。其中,1980年建成的浙江省温岭市江厦潮汐试验电站现总装机容量为4100 kW,是截至2016年底我国最大的潮汐电站,规模相对较大,装机规模在韩国始华潮汐电站(25.4万kW,2011年)、法国朗斯潮汐电站(24万kW,1967年)和加拿大安纳波利斯潮汐电站(2万kW,1984年)之后,位居世界第4;其余电站的规模都比较小。由于多处潮汐电站是在政治运动中建设的,受时代限制,缺乏严谨的科学态度,多数电站均因选址不当、设备简陋、与通航矛盾、淤积严重等原因,只运行几个月甚至几年就停止运行了。

在20世纪80年代末大电网未通到偏僻沿海和海岛时,我国曾有8座电站长期(10~30年)运行发电,为农(渔)村的农、渔、副产品加工,灌溉,照明等供电,对当地社会经济发展发挥了很好的促进作用,深受群众欢迎。但是,连接电网后,由于经济效益显著下降、上网电价的限制,以及经营困难等原因,电站也逐渐停止运行。目前仍在运行的仅有浙江的江厦和海山电站。

自20世纪80年代中期以来,我国先后对浙江和福建沿海开展了潮汐电站选址规划和可行性研究,选出了几处建设条件较好的站址,但均未能开工建设。虽然当前潮汐电站技术是唯一成熟的海洋能技术,但其发展停滞的原因主要有:1)在海湾口筑坝建电站与海湾内其他资源开发方式(如交通航运、港口码头等)存在矛盾;2)潮汐电站虽然社会和环境效益好,但建设周期长、单位装机造价高、上网电价高、经济效益低,故当地政府积极性不高。

三、我国近期研发的波浪能发电装置

波浪能是海洋表面海水吸收了风能后产生的波浪所贮存的动能和势能的总称,具有能量密度较高、分布面广等优点。捕获波浪运动的能量带动发电装置发电,将波浪的动能和势能转变为电能是波浪能发电的基本原理。目前波浪能技术分为振荡水柱技术、振荡体技术和越浪技术3种。近年来,我国对振荡体形式探索较多,出现了各种以不同振荡体为基本形式的装置。

1)鸭式波浪能发电装置。2009年,中科院广州能源所研制的第1台10 kW鸭式波浪能发电装置在广东大万山岛海域进行了海上测试。2010年,第2台鸭式装置“鸭式一号”完成海试。2012年,第3台鸭式装置“鸭式二号”进行了海上试验。2013年,装机容量100 kW的“鸭式三号”波浪能发电装置研制成功,实际最大输出功率达25 kW。

图1 鸭式波浪能发电装置

2)哪吒波浪能发电装置。2011年11月19日,中科院广州能源所研制的漂浮直驱式波浪能发电系统“哪吒一号”在珠海万山岛完成现场投放。该装置装机容量为20 kW,是我国第一套利用直驱方式将波浪能转化为电能的发电系统。2013年2月,经优化研制的“哪吒二号”海洋仪器波浪能基站开始海上实测,累计发电2050 h,最大输出功率达11.47 kW。

图2 哪吒波浪能发电装置

3)鹰式波浪能发电装置。2012年12月28日,中科院广州能源研究所研制的新型漂浮式波浪能发电装置“鹰式一号”在珠海市万山岛指定海域投放。该装置安装有两套不同的能量转换系统,总装机容量为20 kW,其中液压发电系统装机为10 kW,直驱电机系统装机为10 kW,两套系统均成功发电。

图3 鹰式波浪能发电装置

经优化后设计的鹰式装置“万山号”对称安装4个鹰式吸波浮体,并共用半潜船体、液压发电系统和锚泊系统。该装置整体长36 m,宽24 m,高16 m,在海上既可漂浮,也可下潜至设定深度。装置配备了大容量蓄电池、逆变器、数据采集与监控设备、卫星传输设备,可通过海底电缆向海岛供电,也可为搭载在其平台上的各种海上测量设备供电,还可通过卫星天线实现海上设备与陆上控制中心的双向数据传输。

图4 “万山号”鹰式波浪能发电装置

4)浮力摆式波浪能发电装置。2012年7月,国家海洋技术中心研制的浮力摆式波浪能发电装置在大管岛海域投放运行。该装置采用模块化设计,由两套独立发电系统和电控系统构成,装机容量为100 kW,实际最大输出功率为2 kW。

图5 浮力摆式波浪能发电装置

5)摆式振荡浮子波浪能发电装置。2012年7月,广东海洋与渔业服务中心和华南理工大学联合研发的摆式振荡浮子波浪能发电装置在南海海域投放测试。该装置由多个浮子组成,交错排列于浮式基础之上,采用锚链系泊系统,适用于低能流密度海域。

图6 摆式振荡浮子波浪能发电装置

6)“海龙Ⅰ号”筏式液压波浪能发电装置。2011年,中船重工701研究所开展了海龙Ⅰ号筏式液压波浪能发电装置的研究工作。2014年6月,装置总装调试工作完成;7月开始进行海上投放测试;8月中旬因海况超出设计工况导致部分设备发生故障,试验终止;8月底装置回收工作完成;11月开始进行检修加工改进,并再次开展了陆上联调工作;第2次海上试验仍在准备之中。

图7 “海龙Ⅰ号”筏式液压波浪能发电装置

7)自保护浮子式波浪能发电装置。2013年5月~2014年5月,浙江海洋学院制造的恶劣海况下自保护浮子式波浪能发电装置在舟山海域进行了海试。该装置由浮筒、液压油缸及蓄能器等组成,装配了2 kW、3 kW及5 kW 3台发电机,无故障运行时间达165天,能量转换效率超过16.4%。

图8 自保护浮子式波浪能发电装置

8)“集大1号”浮摆式波浪能发电装置。2011年,集美大学开始研制10 kW“集大1号”浮摆式波浪能发电装置。该装置包含波浪能发电装置和风能发电装置,由10个振荡式浮子、2个浮摆和1个垂直轴风机等部件构成。2014年6月,该装置开始在福建厦门小嶝岛海域进行海试,正常运行时间超过5000 h,实际最大发电功率达到3.6 kW,波浪能和风能的综合转换效率达15%。

图9 “集大1号”浮摆式波浪能发电装置

9)漂浮式液压发电装置。山东大学研制的漂浮式液压发电装置由硬仓及垂荡板模块、潜伏仓模块、立柱模块、发电室模块及系泊模块组成,总高度为30.77 m,约重93 t,装机容量为120 kW。2012年11月,该装置在山东成山头海域进行了海上试验。

图10 漂浮式液压波浪能发电装置

10)振荡浮子式波浪能发电装置。2014年,中国海洋大学研制的齿轮齿条振荡浮子式波浪能发电装置在青岛沙子口海域进行海上测试。该装置由浮子、阻尼板式潜伏体、配重块构成,机械式能量传递机构、电力转换及存储部件密封于浮子内部,装机容量1 kW,可实现浮子双行程运动下电能单向输出。

图11 1 kW齿轮齿条振荡浮子式波浪能发电装置

2014年1月10日,“海灵号”组合型振荡浮子式波浪能发电装置在青岛斋堂岛海域投放。该装置装机功率为10 kW,由4个圆锥型浮子组合而成,采用液压转换系统通过液压马达驱动发电机发电,配备螺旋升降器克服潮差的影响,底部采用斜拉缆绳锚固,工作水深40 m,海试运行时间超过1年。

图12 10 kW“海灵号”组合型振荡浮子式波浪能发电装置

四、我国近期研发的潮流能发电装置

潮流能发电水轮机是将从潮流能中获得的水流动能转换为电能的转换装置,其为潮流能发电系统的核心组成部分之一。潮流能发电水轮机转换能力的强弱是评价整个发电系统性能优劣的重要指标。目前,潮流能水轮机开发的主流方式为水平轴和垂直轴形式,此外,还有振荡水翼式、涡激振动式等新型技术。

近年来,在国家科技计划和专项资金支持下,我国研发了10余项潮流能发电试验装置,主要潮流能发电技术已全面进入海试阶段,基本解决了潮流能发电的关键技术问题,发电机组的关键部件也已基本实现国产化。现将我国近年来开发的主要潮流能发电装置列举如下。

1)“海能Ⅰ”潮流能发电装置。2012年8月,哈尔滨工程大学联合4家企业研发的垂直轴潮流能发电装置“海能Ⅰ”,装机容量为300 kW,安装于浙江省岱山县龟山水道测试运行。该装置为漂浮式,垂直轴水轮机组悬挂于双体船上,直驱发电机。

图 13“海能I”潮流能发电装置

2)“海能Ⅱ”潮流能发电装置。由哈尔滨工程大学研制,采用漂浮式2叶片水平轴变桨叶轮直驱发电机方案,装机容量为200 kW。由4套锚系固定的“中”字型载体搭载2台100 kW机组,可升降维护。2013年6月将其安装于青岛市斋堂岛海域,发出的电力通过1 km 海底电缆上岸接入500 kW海岛多能互补独立电力系统的中央控制室。

图14 “海能 II”潮流能发电装置

3)“海能Ⅲ”潮流能发电装置。“海能Ⅲ”潮流能发电装置采用漂浮式双层2叶片垂直轴叶轮方案,载体搭载2台300 kW机组;叶轮通过齿轮箱驱动发电机独立运行。该装置已于2013年8月完成海上安装。

图15 “海能III”潮流能发电装置

4)“海明Ⅰ”潮流能发电装置。由哈尔滨工程大学研制,是我国自行研制的第一座长期示范运行的坐底式水平轴潮流能独立发电系统,其额定发电功率为10 kW。2011 年9 月,“海明Ⅰ”于浙江省岱山县小门头水道进行了海试,所发电力经海底电缆输送至仙洲桥灯塔,为灯塔照明和供热。

图16 “海明I”潮流能发电装置

图17 5 kW柔性叶片水轮机潮流能发电装置

5)柔性叶片水轮机潮流能发电装置。柔性叶片水轮机潮流能发电装置是中国海洋大学研制的5 kW潮流能发电装置,于2008年11~12月在青岛市胶南斋堂岛水道成功进行了海试。该装置的水轮机转子叶片采用柔性材料制作,具有独特的水动力学性能,垂直安装时,转向由叶片的安装方向决定,而与水流方向无关,适合在各向潮流中应用,且具有较高的水动力学性能与较低的起转流速。

6)“海远号”百千瓦级潮流能发电机组。中国海洋大学研制了百千瓦级水平轴潮流能发电机组“海远号”,装机容量为2×50 kW,额定流速为1.5 m/s;采用变桨距控制技术和半直驱传动系统,可实现换向功能和机组运行状态的实时监测与控制;采用塔架式支撑结构和重力式基础,坐底式,保证整个结构的稳定性,避免了漂浮式载体的多维运动对机组性能的影响干扰及动载荷造成的疲劳破坏。2013年8月,该装置于青岛斋堂岛附近海域开始示范运行,电力通过1 km 海底电缆上岸接入500 kW海岛多能互补独立电力系统的中央控制室。运行结果表明:机组运行平稳,输出稳定;最佳获能桨距角时,启动流速为0.4~0.5 m/s;机组效率为36.1%。

图18 “海远号”百千瓦级潮流能发电装置

7)“海川号”轴流式潮流能发电装置。2015年6月,中国海洋大学研制的轴流式潮流能发电装置“海川号”,在青岛斋堂岛水道安装运行。该装置采用浮潜式载体结合龙门升降机构的水轮机支撑结构,保证了装置定位与固定的可靠,机组运转平稳,方便装置拖航、移址、回收及机组的维护保养;采用叶片变桨距技术和最大功率点追踪控制,可实现低流速起动并提高了水轮机获能效率;水下实时监控系统实现了机组的运行状况监测和变桨距控制,保证了机组安全运行;基于GPRS技术实现了装置的远程数据采集与控制。装机功率为20 kW,实现了跨年度正常运行。现场检测结果显示,机组叶轮能量捕获系数Cp达到43.3%,机组效率达到35.2%,启动流速约为0.5 m/s。

图19 “海川号”20 kW轴流式潮流能发电装置

8) 1 kW水下漂浮式水平轴及2 kW直驱式潮流能发电装置。东北师范大学先后研制了1 kW水下漂浮式水平轴潮流能装置和2 kW直驱式潮流能水下发电装置的样机。

图20 1 kW水平漂浮式水平轴和2 kW直驱式潮流能发电装置

9)水平轴自变距潮流能发电装置。东北师范大学研制了水平轴自变距潮流能发电装置,装置采用了摆尾式潮流发电机调向机构,适应双向潮流,提高了装置的适应性;水平轴叶片采用了非对称翼型,提高了低流速下的启动和带载能力,降低了透平重量;采用支撑塔架整体投放方式安装于海底;装机功率为20 kW,额定流速为1.5 m/s,启动流速为0.7 m/s,整机转换效率达26%,叶片直径为5 m。该装置于2013 年4 月于青岛胶南斋堂岛海域成功发电。

图21 水平轴自变距潮流能发电装置

另外,东北师范大学也在进行海洋观测平台5 kW 模块化潮流能供电技术研究。

10) 5 kW固定式水平轴及25 kW水平轴半直驱潮流能发电装置。浙江大学成功研制了5 kW固定式水平轴潮流能发电装置及25 kW半直驱水平轴潮流能发电装置。2009 年5 月在岱山县进行了25 kW 机组的海上试验。

图22 5 kW固定式水平轴及25 kW水平轴半直驱潮流能发电装置

11) 60 kW水平轴半直驱潮流能发电装置。浙江大学研制了60 kW水平轴半直驱潮流能发电装置样机,2014年5月开始,在舟山摘箬岛海域实现跨年度试验运行。现场检测结果表明:在额定工况下,该机组的叶片能量捕获系数Cp超过40%,系统效率达到39%,机组的低速启动性能优异,启动流速为0.6~0.8 m/s。该装置在海试过程中输出的最大功率达到118 kW,机组日输出电能100~300 kWh,累计发电量已超过20 MWh。

图23 60 kW水平轴半直驱潮流能发电装置

12)竖轴直驱式潮流能发电装置。大连理工大学开展研制了一种竖轴直驱式潮流能发电装置,装机容量为15 kW。2013 年10 月,装置样机于辽宁省大连市大、小长山岛之间的水道进行了海上试验,海试期间,最大输出功率可达8 kW,装置的能量转换效率超过25%。

图24 竖轴直驱式潮流能发电装置

13) 10 kW永磁直驱式潮流能发电装置。青岛海斯壮铁塔公司和哈工大威海分校研制了10 kW永磁直驱式潮流能发电装置。该装置采用坐底式固定水平轴方式,装机功率为10 kW,设计流速为1.5 m/s,获取能量效率大于25%。该装置于2014 年进行了海上试验。

图25 10 kW永磁直驱式潮流能发电装置

五、我国海洋能发展趋势展望

对于海洋能的利用,虽在可再生能源领域中发展较晚,但其在深远海开发中仍最具竞争优势。潮汐能当前在我国尚不具备大规模开发的前景,温差能与盐差能由于基础较弱,也未达到实用化阶段。因此,波浪与潮流能成为我国当前海洋能开发的主流。虽然海洋能必将占据越来越重要的地位,但就其目前的发展状态来看,远未体现其开发的先进性,如理论研究不足,能量摄取机理模糊;系统研究不完备,能量传递配合低下;风险估计不清,结构安全无法保障;开发模式单一,能量用途有欠灵活等。

海岛能源示范与深远海资源开发紧密结合,是我国海洋能开发技术的发展方向。与“陆能海送”相比,“海能海用、就地取能”从资源品质、生产使用成本、供给灵活度等各方面都具备明显优势。波浪能与潮流能的“多能互补、独立供能”,将是满足上述战略需求、解决海上能源供给的重要有效途径。海洋能跨越产业化门槛的重要标志是联网或独立为海岛军民供电,而在其之前的关键设施为海洋能测试场。

针对前述我国海洋能特点及海岛开发的重大需求,可将测试试场建为海岛电厂,既可为海岛供电,又可推广复制,将成熟技术应用于更多的海岛,形成全链条创新。以事关国计民生的重大战略需求为引导,聚焦海洋能发展过程中的关键瓶颈与壁垒,通过重点研发计划支持,切实提高我国海洋能产业核心竞争力,提高自主研发能力,攻克重大共性关键技术,创新产业模式,为海洋能的产业化与商业化发展提供持续性的引领与支撑作用。

通信作者:史宏达(1967—),男,博士、教授,主要从事海洋可再生能源实用化开发与战略研究方面的研究。hd_shi@ouc.edu.cn

文章来源:《我国海洋能技术的进展与展望》2017年第3期。

作者简介:史宏达 中国海洋大学;王传崑 国家海洋局第二海洋研究所。

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