波浪和潮汐能开发技术的研发进展

[德] J.魏莱普

主要由于石油和天然气的涨价,导致对各种可再生能源的需求日益增加。即使海洋能源(波浪和潮汐能)的利用领域还处于萌芽状态,但人们对开发利用海洋波浪和潮汐能的兴趣与日俱增,尤其是已经引起欧美公用事业部门的注意。在他们看来,目前的可再生能源利用形式几乎不能满足其雄心勃勃的开发清洁能源的目标。20世纪 90年代以来,该行业主要由追求理想的发明家所推动,这种兴趣的增长对促进海洋能源的开发利用领域具有积极意义。

至今,只有几家公司拥有接近商业可行性的开发可再生能源的技术,还有约 20～30家公司掌握着有前景的产品开发的基本原理,不过,都还处于早期试验和原型机的阶段。几乎所有这些公司都是由政府、(法人的)风险资金、公用事业机构提供资金或自筹资金。对于大多数处于起步阶段的公司,却难以获得足够的资金。参与该领域的大型工业公司仍然寥寥无几。

预计海洋能源的生产成本高昂,尤其是对于规模比较小的公司,有时会感到力不从心。有几家开发商已经宣布了几个数兆瓦级的工程,但是,全球实际连网的额定容量几乎不超过 2～3MW。实际上,没有一个工程宣布能准时发电。通常至少要拖延 1 a,原因很多,比如:缺少资金;为争取租用海洋安装船只,不得不与石油和天然气部门进行日益激烈的价格竞争(以及即将与近海风电行业的竞争);最后是要应付苛刻的海洋环境的技术挑战。一般性问题还没有得到解决,甚至连问题本身都还没有弄清楚,大多数公司仍处在模索阶段,采用的是检误方法,曾经在试验中导致几个装置叶片掉落,甚至连装置本身也沉没了。

因此,每个开发商首先必须证明其基本原理的可靠性。尽管能源的生产成本很重要,但也必须考虑产品整个使用周期中的成本。一台便宜的海洋能源装置,如果每年要停产几次,并需要进行昂贵的海上维修工作,最终其成本要比基本上不需进行维护的坚固装置贵得多。该技术必须保证发电装置本身非常坚固与可靠。在运行期间,尚未实现的每项技术特性不能失效。

福伊特水电公司的子公司瓦弗根(Wa v e g e n)公司正在遵循该设计原则,利用固定桨距的韦尔斯(We ll s)水轮机功率输出装置开发出陆基振荡水柱技术。瓦弗根公司已经将该项技术移植到几种水轮机上,共获得超过 40000 h的连网发电时间。利用其最新的韦尔斯水轮机发电,其运行时间比已经超过了 90%。

1 商业上可行的波浪发电概念

1.1 陆基振荡水柱驱动韦尔斯涡轮机

将波力转化为电力,有几种基本原理。瓦弗根公司致力于振荡水柱(O WC)技术的研发。

水面用一个人工顶覆盖,在水线以下设有一些开口。通过这些开口,水可以进入空气室,因此,波浪可以传播进空气室。波浪运动引起水面升降,周期性地给水面与人工顶之间围成的空气柱加压与减压。用空气涡轮机将周期性压力变化转化为电能。因为空气的密度和粘度低(与水相比),这些空气涡轮机能以非常高的转速运行(最高 4000 r/m in)。因此,O WC技术不需要齿轮箱,还可用于非常小的发电机。

2000年以来,瓦弗根公司一直在运行着位于苏格兰艾莱岛上与电网连接的岸上利姆佩特波浪发电站(陆基海洋电力能源变换器)。O WC空气室用钢筋混凝土制造,倾斜角为 45°。水面上的空气通过几个圆形开口导向涡轮机。原先的利姆佩特电站配备有一台 500kW的涡轮机,其能量后来降级到 250kW。收集器的第 2个开口,用于试验较小的涡轮机(也与电网连接),以进一步优化和积累不同尺寸涡轮机的运行经验。

瓦弗根公司采用韦尔斯涡轮机技术,用空气流的动力发电。该空气涡轮机的主要难点是使之与周期性变化的气流速度和方向保持协调一致。可采用各种方法达到此目的。在每个波浪周期中,韦尔斯涡轮机既不改变旋转方向,也不改变叶片的浆距角(每年约有 300万个波浪周期！),而是将涡轮机调整到与气流的对称位置。为此,相对于旋转平面,转子断面必须对称;叶片既不发生扭转,也不以某个角度定向。韦尔斯水轮机不能自起动,必须先要将它加速到最低转速。正如图 1所见,合成空气流流速的速度三角形由旋转产生,空气室的叠加空气流沿旋转方向产生一个升力分量。如果空气流的方向改变,升力矢量在旋转平面反射,同时保留向前驱动的升力分量。因此,不管空气室是“吸入还是呼出”,均能使韦尔斯涡轮机加速。

图 1 韦尔斯涡轮机在相同方向旋转(a),与空气流方向无关(b)

利用这一简单的概念,可建造只有几个主动部件的非常坚固的涡轮机,因此,可将在海洋环境中运行时可能出故障的部件数目减到最少。但是,发生故障的可能性依然存在,因为关于这门新技术仍有许多未知的东西需要研究。瓦弗根公司目前的重点是在岸上应用该装置,因为方便易行,不需要任何专门的船只或其他海洋设备就可以操作。即使将技术工作原理已经研究得很透彻,但是如果马上就把它安装到海上运行,一个螺丝的松动或者一个熔断器的熔断,都可能造成长时间的停产,维护费用将十分昂贵。因此,这项新技术并非只是岸基的,但只有在岸上把试验研究做得彻底成熟,才能多快好省地在海上运用。

1.2 提高可靠性

在 1 a多的时间里,瓦弗根公司制造并成功地试验了 10台不同尺寸和额定功率的韦尔斯涡轮机。机组经过了高度优化和试验,其直径为 750mm,额定功率为18.5kW。在西班牙的穆特里库港,对 16台这种机组进行了试运行。在该港口将修建一条新的防浪堤,以保护港口。利用这条新建的防浪堤进行波浪发电项目试验,可以起到一箭双雕、互利双赢的效果,而且通过分摊投资,节约了试验成本。

显然,仅仅针对节省能源的生产成本而言,这样一个小项目(296kW)还不能在商业上推广。在市场商业机制条件下,该电站的业主巴斯克电业局倾向于在一个有厂房遮蔽的环境中试验该项技术。一旦技术成熟,大西洋沿岸(欧洲海浪资源最丰富的海域之一)的其他项目会接踵而来。

该工程本身得到了欧盟第 6框架(F P 6)研究计划的部分资金支持。土建工程和机电设备制造均按时完成。在这里值得一提的是,穆特里库工程是目前正在执行的F P 6计划中唯一的一项波浪发电项目。

这台装机容量为 18.5kW的机组在不同的发电条件下已成功并网运行了约 25000 h。而涡轮机的最新发电和生产型号,在 16000多个小时的时间段里,已达到 90%以上的不间断运行时间比(不计研发或其他试验活动所占的时间)。在业界内,其可靠性是最高的。但是,与其他开发商一样,瓦弗根公司在研发的初期,这个数字要低得多。图 2表示了多年来不间断运行时间比的发展。

1.3 锡亚达波浪电站工程

2006年以来,瓦弗根公司和德国能源集团因诺吉有限公司的英国可再生能源子公司——能源集团恩波韦尔可再生能源公司合作,开发了另一处苏格兰电站场址——外赫布里底群岛的刘易斯岛。其未来的发电潜力可能是目前发电量的 4～5倍。打算在一个新建的近岸防浪堤型波浪能量收集器中安装总额定功率为 4MW(40台 100kW的涡轮机)的发电机组。规划将该收集器布置在离海岸约 300 m的海中,宽约 210 m。其建筑物将由一条堤道连接到陆地,以保护电线。

图 2 在利姆佩特试验中不同型号的韦尔斯涡轮机发电的运行时间比

用于该波浪电站工程后期安装的 100kW的涡轮机正在制造之中,其转子直径为 1250mm。2008年 7月,在利姆佩特电站厂房制造了该涡轮发电机的首台原型机,并在现场完成了机组的安装和调试工作,目的是为了进行长期试验和优化。该型机组是瓦弗根公司设计并投入制造的一系列标准化参考机组型号中的第 2种。选取该型涡轮机的原因是其尺寸可以完全满足将来实际应用环境中波力的大小范围。如果说,穆特里库工程是瓦弗根公司走向海洋能源商业化的(也是波力发电工业的)里程碑,那么波浪电站工程的意义就更大了:它立足于自筹资金,并向苏格兰电力系统输电。另外,它还能在高能波浪的环境中运行,尤其是在风急浪高的情况下。

该技术所面临的下一个挑战是接受可靠性检测。对于恩波韦尔可再生能源公司来说,选择瓦弗根公司作为技术合伙人的主要原因,恰恰是经过长期的跟踪和实证,显示了瓦弗根公司技术的可靠性。

2 潮汐能发电技术的设计原理

虽然瓦弗根公司在波浪发电业务方面所具有的丰富经验可资借鉴,但是它在研发潮汐发电技术方面却历经了一波三折。开发潮汐能发电是福伊特水电公司拥有的第 2项海洋能源开发技术,其研发策略必须是基于从瓦弗根公司的波浪发电技术中尽可能多地吸取经验。这就意味着,工作重点使结构简单,并充分设想到各种困难因素,以此为从发点,然后再努力突破一切可能突破的障碍。

2.1 潮汐能发电简介

潮汐能的利用已经有很长的历史了,人们通过修筑大坝来锁住河口,利用周期性进出的水流的水头发电。最著名的例子是位于法国朗斯(R a n c e)河河口圣马洛(S t.M a l o)的拉朗斯(L a R a n c e)工程。该工程于1966年投入试运行,原理是利用潮汐贮存的动能发电。但是,水也通过岛屿之间的海峡进行周期性流动,最终流速可达到 4 m/s以上。水的密度为 ρ,流速为 v,断面积为 A,则功率为(与风电等同):

水流动能可用所谓的“自由流”涡轮机提取,它是一种可将水流的部分动能转换为电能的涡轮机。一台转子功率系数为cp,效率为 η的涡轮机,其额定功率为:

因为水的流速不能降低到零,功率系数 cp受到所谓贝兹极限(B e t s l i m i t)16/25=59%的限制。

仅此而言,用于潮汐能的水轮机与风轮机的物理学原理是相同的。但是,在量与方向上却有很大的区别:虽然海水密度约比空气密度大 840倍,然而潮汐流的流速要低得多。同时,对于风轮机来说,流动空气的方向较为发散,而潮汐流的流动方向相对集中。

图 3表示所谓的“潮汐椭圆”,显示在几个潮汐周期内速度矢量末端的分布情况。

图 3 在一个典型的潮汐流中速度矢量分布端点的潮汐椭圆

毫不奇怪,目前为利用潮汐能发电而开发涡轮机的技术,基本上与 20世纪 80年代用于风电场的涡轮机的相似。带有 2个、3个或多个转动叶片的水平轴水轮机,或垂直轴水轮机(H转子),主要是通过齿轮箱驱动发电机。某些机器被设计成完全浸没式,固定在海床上构筑的重力式基础之上,或者是固定在钻注桩或夯扩桩上。还有其他一些类型的机器则被设计为水面漂浮式。

利用潮汐能发电的技术已经达到与波浪能发电业相同的成熟度。额定功率为 300kW及以下的一些原型机已经在运行之中,部分已经连网供电。至今,几年中未见发表关于连续运行和连网供电方面的技术细节。2008年 4月以来,第 1个装机容量为1.2MW的商用规模的锡根工程已在爱尔兰安装完成。

有些人对用于潮汐能发电的机组与“水上风车”做了比较,结果认为,只是尺寸不同而已。初看起来,这种比较似乎合理,但是前者在技术上所面临的挑战却完全不同。例如,因为涡轮机是放置在潮汐流中,必须解决旋转轴密封的难题。因此,潮汐流涡轮机更像是风轮机和潜艇技术的结合物。

在潮汐发电机必须面对的主要挑战中,最重要的在于以下几个方面:

(1)适应于周期性变化的水流方向;

(2)腐蚀保护;

(3)水中旋转轴的密封;

(4)环境友好的、理想的无润滑油设计;

(5)电缆保护;

(6)最低的安装成本和收回成本,对于完全浸没式机组来说,要想修复它,必须能在水中再次找到它。

虽然潮汐能资源是高度可预测的,而且也能使潮汐能发电技术的原理更加简单,但是其主要挑战都是来自于发电机的运行环境。为了控制运行费用,对于在水中运行的发电机组来说,显然,其可靠性和坚固性才是最重要的。

2.2 潮汐能开发技术

潮汐能发电站有 3个主要功能群:基座结构、发电输出设备和安装维护设备。基座结构或基础领域中,一些高度专业化的研发公司目前正在兴起,以满足离岸风电技术的需求。基础的形式取决于现场条件,主要受土壤条件和水深的影响。因此,潮汐能开发商最好指定涡轮机发电机舱和基础之间的连接型式并使之标准化,而不要试图自行开发专门的基础。

因此,福伊特水电海洋流技术公司的基本思想是集中于涡轮机的开发,以及为顾客提供发电机舱的安装、收回和维护方面经济可行的解决方案,包括在基础设施较差、远离陆地的条件下。

用于潮汐电站的水轮机有完全浸没式、桩柱式以及采用的漂浮式,其原理不同,各有优缺点,还没有一种型式能够占据绝对优势。福伊特水电公司已决定选取完全浸没式,其优点是:从岸上看不见,标准化潜力很大,基座材料最省;最明显的缺点则是在修理和维护时,必须从油水中找回涡轮机。关于这一点,将在下面进行详细讨论。

2.2.1 电力输出

为了使可靠性和简易性最大化,开发的涡轮机结构的设计技术避免了任何复杂性。其基本特性如下:

(1)用转矩控制(可变速)技术代替带有水下电子器件的变节距装置。

(2)采用高性能优化的对称断面以及扩大的性能带宽,实现了双向水流都能发电。该涡轮机的断面类似一台水泵水轮机,它被优化为兼有水泵和水轮机两种模式、以相同的效率运行。该方法避免了采用偏航系统或(几乎)180°可变浆距角叶片。

(3)直接驱动,以免除齿轮箱的故障,也不需加齿轮箱润滑油。

(4)永久磁铁励磁,以避免静态励磁和集电环传送系统结构的复杂性。

(5)利用潮汐水流周围的水,直接冷却发电机定子。

(6)利用让水以受控方式流过涡轮机,故免除了旋转轴密封的问题。

(7)海水润滑轴承,不需要加润滑油脂。

(8)无油设计,实现了对环境造成的不利影响最小化。

所述系统只有 2个主动部件:涡轮机轴和安全用制动器(甚至有除去制动器的可能性,不但不危及安全,还可加强系统的坚固性)。图 4表示该涡轮机结构的横断面。其余部件均为静态或被动部件。

图 4 涡轮机原理剖面

2.2.2 安装、收回和维护的概念设计

在设计安装、修理和维护时,原则上是要求能使运行的成本低以及有专用船只可用。一般船只需作较小的改装,电站或发电场的业主起码应拥有至少一个像驳船那样的平台,用于到海中收回机器。对于拥有数百台机器的发电场,相对费用就很小。难点是,如何确定所需的海洋设备,使一个只有一台或为数不多的几台发电机的海上电场也能运作起来。

按福伊特水电公司的原理设计,要求有一艘平顶驳船,在外侧端部装一个起重架,其上安一个仪器箱,即所谓的“发电机回收模块”(N R M),它可用安装在甲板上的绞盘起吊。在维护操作之前,先将 2个浮筒连接到发电机的海床基座上,再将浮筒沉到海底。然后通过声学设备让浮筒重新浮上水面,其上各有一个导链,导链上系着发电机回收模块。由一个推进器为发电机回收模块提供动力,在照相机的支持下,发电机回收模块可沿导链找到涡轮机。一旦找到涡轮机,即将发电机回收模块调整到对准发电机舱,用液压卡钳夹住机舱并将其固定。然后,用绞盘将发电机回收模块从海床上安全地吊出来,同时通过解开一个湿式配对连接器将电缆断开。

收回涡轮机后,就用拖船将驳船拖到港口。在基础设施差的港口,码头边上可能没有足够的起吊能力。在这种情况下,驳船上可装备 A形构架,使驳船仅依赖甲板上的轨道系统就可起吊发电机舱。利用这种系统,可以容易地把发电机舱拆解成适当尺寸的部件,然后用简单的移动吊车吊运。用这种方法,可进行完全基于驳船的定期维护,因此可完全不依赖任何车间或装卸基础设施。

2.2.3 前 景

福伊特水电海洋流技术公司目前正在制造一台110kW的实验机组,其转子直径为5.6 m。该实验机组定于 2009年底到 2010年初在韩国安装。该机组的设计,旨在在真实工况下测试所有的新技术解决方案(即以水隙代替气隙,海水润滑轴承和双向叶片)。该试验的结果将反馈到原型尺寸的 1MW发电站的设计上。

3 结 语

如果能够得到支持,海洋能源的开发技术将得到更好的发展。海洋能源是最年轻的可再生能源,其开发利用水平已经达到风能在 20世纪 80年代时的技术开发水平。第 1个原型机概念正在进行商用阶段。企业正开始关注支持该行业的发展,可再生能源的需求正在刺激公用事业公司的兴趣,它们愿意承担很大部分的开发风险,以便取得第一手的经验,并确保它们在该行业中的份额。回顾 20 a前,当时风电行业以 50kW的风轮机起步,即可以预测未来几年的海洋能源行业的情景。最初的能源生产成本会很高,故障率也会很高,但这都是为了快速学习所付出的必要学费,随着经验的积累,技术会很快提高。所有这些努力将实现效率高、成本有竞争力的潮汐能电站的成功开发,就象目前世界上已普及的 2MW以上的岸上风力发电机一样。

但是,该过程对于海洋能源行业来说还是需要费些时日的。初期的成功对于发展速度很重要,因为成功的试验将会增加人们对这个新生行业的信任。开发商应致力于设备结构坚固性和简易性的设计,以赢得投资者或业主/运营者的信心。

最后,是富有吸引力的电网馈入系统。如在德国实施的风电和光伏系统,其可靠性使投资者拥有一个具有可控的、平衡的风险 -回报结构的经营项目,有利于加快研发技术的发展。