可移动式海上风光互补新能源动力平台研究

李超 李德堂 谢永和

（1. 浙江海洋学院船舶与建筑工程学院，浙江舟山 316000；2. 浙江省(久和)船舶先进制造技术研发中心、浙江省船舶工程重点实验室，浙江舟山 316000）

1 引言

海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，为保证人类所需的能源得到稳定而持久的发展，世界各国均在努力使能源结构从单一的常规能源向多种新能源过渡；尤其近20多年来，海洋能开发取得了很大进步。但涉及到海上风能、太阳能的具体利用，基本都是以单一的形式进行开发，风光互补发电形式较少。

由于海上气候环境恶劣，特别是台风的巨大破坏力，使得在近岸区域的许多发电设备都会遭到毁灭性的打击。因此，对于海上风力发电这一绿色能源始终让人进退两难。目前，国内仅有中海油基地集团公司和上海东海风力发电有限公司在海上做过风力发电工程。由于风机基础采用的是固定式钢桩结构，先打下八根钢管桩，再在钢管桩顶部浇注成一个混凝土承台，来满足风机的承载、抗拔、水平移位等需要，海上施工难度相当大，恶劣海况下维护也非常困难，甚至沿岸风力发电装置也造成毁灭性破坏。如何可靠地开发海洋新能源，对保障我国能源安全，改变能源的消费结构，走可持续发展的道路，具有非常重大的社会意义，为此本文提出了可移动式海上新能源动力平台的设计思路。可移动式海上动力平台可以将风光互补的发电系统运用于远海而避免遭遇恶劣海况的打击。同时，该平台还可以有效地消除天气因素造成的间歇性发电的缺陷，提供不间断的能源供应。

2 风能与太阳能发电的国内外研究与应用状况

随着陆地矿物燃料日趋枯竭和污染已趋严重，世界上一些主要的海洋国家纷纷把目光转向海洋，投入了大量的人力物力，摸清资源状况，制定发展计划，组织科技项目到实用技术的试验。如：1990年瑞典（Nogersund）安装了世界上第一台海上风力发电机组-Windworld制造的220 kW风力发电机。英国从20世纪70年代以来，制定了强调能源多元化的能源政策，鼓励发展包括海洋能在内的多种可再生能源；美国把促进可再生能源的发展作为国家能源政策的基石，由政府加大投入，制定了各种优惠政策，经过长期发展，已成为世界上开发利用可再生能源最多的国家；日本在海洋能开发利用方面也十分活跃，已成立了海洋能转移委员会；印度面对能源供应不足、电力短缺的困境，在海洋能等可再生能源的开发利用上也逐渐加大投入，从减免所得税和关税、建立专门贷款机构、吸引外资以及加快折旧等多方面实施优惠政策，使其在短短的两三年内一跃跨入世界可再生能源开发利用的先进行列。

海上风电开发虽潜力巨大，但其运行环境相比陆上风电更复杂，技术要求更高，施工难度更大。目前，仅有中海油基地集团公司和上海东海风力发电有限公司在海上做过风力发电工程。其一是：2007年11月，中海油基地集团公司就曾在渤海绥中油田安装了一台1.5 MW直驱式风力发电机组，然而该机组没有并网投入商业运行。其二是：东海大桥海上风电项目位于上海市东海大桥东部海域，风力发电机组由大连重工起重集团提供，总装机容量102 MW，数量34台，风电机组的单机容量3 MW，该项目年发电量2.67亿千瓦小时，每年可为电网节约标煤8.59万吨，是上海市目前容量最大的新能源项目，也是目前国内单机容量最大的海陆两用兆瓦风力发电机组。

中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，中国光伏发电产业迅猛发展。到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到100 MW，从事太阳能电池生产的企业达到50余家，太阳能电池生产能力达到2900 MW，太阳能电池年产量达到1188 MW，超过日本和欧洲。西藏是我国太阳辐射能最多的地区，年均日照在3000 h以上，发展光伏电站具有得天独厚的优势。西藏已建成各类光伏电站近400座，各类太阳能光电设施总容量达9000 kW，太阳能光伏发电装机总容量居全国第一，太阳能产品已广泛在农牧民中推广应用。

一般白天风小夜晚风大，晴天风小雨天风大，夏天风小冬天风大。风能和太阳能在时间和季节上如此吻合的互补性，决定了风光互补结合后风电系统可靠性更高、更具有实用价值。由浙江省科技厅援建的科技合作项目——总投资 25万元的黄南藏族自治州泽库县和日乡叶贡多寄宿制完小4 kW风光互补发电系统，于去年6月完成系统安装调试并投入运行。据了解，4 kW风光互补发电系统由2 kW太阳能电池板光伏阵列及旋转式光伏阵列支架、2 kW风力发电机及支架、蓄电池、充电器、逆变器、控制系统等组成。该系统技术先进，性能稳定，操作简单，且运行成本低，在填补黄南州一项科技空白的同时，也解决了叶贡多寄校近200名师生的教学、生活用电问题。

综上所述，无论是风能还是太阳能，其单独应用都是成熟可靠的，如果将二者加以综合利用而应用于海上，将会有更大的发展空间。

3 可移动式海上风光互补发电系统设计

可移动式海上动力平台主要由主平台和发电系统两部分组成。它就是将上述两种成熟的能源在海上进行综合的利用。风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成。发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，既可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可作出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。其系统原理图如图1。

图1 海上新能源发电系统平台示意图

本系统的工作过程主要分为三个阶段：第一阶段是发电现场就位，先将可移动式海上新能源动力平台拖航至发电海域，然后是插桩，通过升降桩驱动装置将升降桩插入海底预定深度，再将平台体升至海面之上预定高度，完成现场就位工作。第二阶段是发电工作状态，天气晴朗时，通过变幅油缸调节太阳能光伏板的姿态，达到最佳状态接收光照，太阳能光伏板所产生电能进入配电间经整流后外输；天气有风时，根据情况调节太阳能光伏板姿态，避免海风造成太阳能光伏板的毁坏，此时风力发电装置进入发电工作状态，风力发电装置所产生的电能都进入配电间经整流后外输。由于平台体上设有吊机，使得风力发电装置的海上维护保养变得简单易行，平台体上的生活楼也方便了工作人员起居生活。第三阶段是撤离状态，当天气预报将有恶劣海况时，为避免风力海浪的破坏损失，尽早停止风和太阳能发电，通过升降桩驱动装置将平台体降至海面上，然后将升降桩从海底拔出，最后将可移动式海上平台拖航至海港内。

4 成果与展望

可移动式海上新能源动力平台已于2010年8月 11日通过国家发明专利授权，该平台可避免恶劣海况对发电装置带来的毁灭性破坏，具有非常高的推广应用价值。本系统可以为我国丰富的海洋能源的开发提供可靠、易行的新途径，从而攻克因恶劣海况无法正常利用海洋能源的难题，为风能、太阳能发电在海洋领域的扩大应用研究提供了技术支撑，具有重要的技术效益。同时也可以快速地带动相关产业的发展。

（1）可再生能源业。可带动风能、太阳能发电在海洋领域的发展，具有广阔的市场应用前景。随着我国能源需求逐年上升，本系统对逐步改善我国以煤炭为主的能源结构和电力供应结构，使我国能源、经济与环境的发展相互协调，将发挥出越来越大的作用。

（2）石油开采业。近年来，我国海洋石油的开发正在快速的发展，海洋钻井平台、采油平台、海底管线、海岸工程的数量随探明地质储量的增加而同步增长，但开发工程中钻探了许多边远的单井，无法集中投资开采。而采用该系统可以避免冒险投资，不仅节省投资固定导管架的制造费用，昂贵的安装费用，而且节省常年运转的电力投资费用。因此，运用该动力平台，将有效地解决目前边远石油单井的开采难题，具有非常大的社会和经济效益。

(3) 船舶行业。还可将该成果应用于船舶上。当船舶处于停泊状态时，可使船舶主机停止工作，充分利用本系统进行发电，这样可以大大减少用于发电的柴油消耗。同时也减少了 CO2的排放，环保节能，可以取得巨大的经济效益。

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