国内海洋能发电技术发展研究及合理建议

2015-01-13刘子铭李东辉

化工自动化及仪表 2015年9期

刘子铭李东辉

(大连交通大学电气信息学院，辽宁大连 116028)

提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护海洋权益，建设海洋强国是新时期我国海洋事业的发展方针[1]。由于两次石油危机和地球资源的持续锐减，各能源消费国加强了对可再生能源开发的重视，海洋能发电事业得到了快速发展。近年来，国内外关于海洋能源发电课题的研究逐步深入，英国、挪威、澳大利亚、日本、韩国及加拿大等国的海洋能发电装置已投运或商业化运营；我国海洋能源发展起步较晚，但针对具体海域情况和发展要求，在我国可再生能源政策的支持和引导下，部分海洋能发电站也已投运。

国外海洋能发电技术主要集中在欧洲，以英国为主，亚洲以日本为主，关键技术领先，掌握大量专利和知识产权，法国朗斯潮汐电站(年发电量为5.44亿kW·h)、英国塞汶电站(年发电量为720万kW·h)及加拿大芬地湾电站(年发电量为380万kW·h)[2]等均采用潮汐发电技术；潮流发电技术，如Marine Current Turbine公司的SeaGen潮流发电装置已在英国沿海投入运营[3]，单机功率达1.2MW，整机运行可达2MW；波浪发电技术方面，如日本的巨鲸号浮动型波浪发电站(120kW)已完全投入运营。表1为国外先进波浪发电技术的案例。在海洋温差发电技术上美国、日本是主要强国，日本佐贺大学2013年3月在冲绳县完成一种新型OTEC电站，并在4月开始试验，其主要目的是向公众证明有效性并展示模型。2014年7月，DCNS集团与Akuo能源合作，宣布由NER300计划资助NEMO项目，装机16MW、总输出达10MW的电厂将是迄今为止最大的OTEC电厂。盐差发电目前国外都处于实验室试验阶段，尚无成熟案例。

表1 国外先进波浪发电技术装置

(续表1)

2 潮汐发电

2.1 我国潮汐发电现状

潮汐发电，利用海水涨潮落潮时造成的高低水位差，带动水轮发电机组发电。根据蓄水库型可分为单库单向型、单库双向型和双库单向型。

我国潮汐发电开始于20世纪50年代后期，迄今为止建成8座电站，总装机量6 120kW。我国自主研制了单机容量500kW和700kW的灯泡贯流式水轮发电机组[8]。开发潮汐能一般在水深20～30m、距海岸线1km以内的海域。表2列出我国已建成的大型潮汐电站。

表2 我国已建成的大型潮汐电站

2.2 我国潮汐发电的主要技术难题

我国潮汐发电的主要技术难题有：工程投资大、水轮发电机组造价高；水头低、机组耗钢多；发电不连续；泥沙淤积问题；海水、海生物腐蚀和挂粘问题[9]。

2.3 合理建议

潮汐发电技术在我国发展最早，技术成熟，证明我国在此领域已具备大规模建设并投运的可能，在水工建筑物形式及施工方法等方面不足的原因是国内没有关于此方面的专业施工团队，在单位装机造价方面，应考虑更多的大范围公开招标，降低成本的同时使该技术更成熟，同时应借鉴英国在此技术方面的发展经验。

3 潮流发电

3.1 潮流发电的原理和关键技术

根据海洋潮流运动和风场流动的相似性，以风力发电技术为原型衍生出新型海洋能发电技术，该项技术的关键是水轮机的设计。由于水平式潮流发电水轮机效率很低，为了提高发电机组效率，通常加装辅助导流罩，这样不仅可以提高能源利用率，还可以减少海生物对设备的影响，如图1所示。潮流发电机组的固定装置将承受巨大的负荷力矩才能保证整个系统稳定运行，因此固定方式采用较多的有漂浮式、系泊式、基桩式及重力式等[9]。

图1 加装导流罩后的水轮机

3.2 我国潮流发电技术研究现状

由哈尔滨工程大学设计研制的“万向Ⅰ”型70kW潮流试验电站和“万向Ⅱ”型40kW潮流发电试验电站(垂直式)，分别被列入“九五”期间国家科技攻关计划和国家“863”计划。机械科学研究总院与中国海洋大学联合承接国家“863”计划项目海洋潮流能驱动的柔性叶片发电设备研究，该装置已在中国海洋大学进行了水槽模型试验，并获得了较好的试验效果。2014年，由哈尔滨工程大学协同中海油研究总院等多家单位研制，具有我国自主知识产权的“海能Ⅲ”号立轴潮流发电站在浙江岱山县龟山水道成功运行，“海能Ⅲ”号是世界发电量最大的漂浮式立轴潮流能示范电站，标志着我国潮流发电在关键技术上处于世界领先水平[10]。

3.3 合理建议

潮流能继承了潮汐发电中优势方面技术，应先建设百千瓦级示范装置，解决机组的水下安装、维护和海洋生态环境中的生存问题。和风力发电一样，应发展“机群”，以一定的单机容量发展标准化设备，从而达到工业化生产降低成本的目的。同时研究人员还应加强国际间的技术交流。

4 波浪发电

4.1 波浪发电的原理、分类和关键技术

波浪发电是利用波浪运动的位能差、往复力或浮力产生动力，通过发电机来产生电能。波浪发电的关键技术在于如何有效利用不规则运动的波浪能。

波浪发电技术按波浪发电机的种类被分为传统型和试验型。传统型波浪发电技术采用旋转式电机作为发电单元，目前大部分投运中或试验效果较好的装置都采用传统发电机作为发电单元，其技术相对成熟，运行相对稳定，但能量转换装置使能源利用率较低。试验型波浪发电装置采用各种新型发电装置作为发电单元，如直线电机、飞轮电池及各种切割磁感线装置等，其相应技术都处于试验或理论设计阶段，但其简化或省去了能量转换装置，提高了能源利用率。

振荡水柱式(OWC)波浪发电装置是当今世界最普遍的海洋波浪能转换器，其有效地将不规则波浪能转换为双向直线运动的气流，从而带动涡轮发电机发电，由于装置内气流双向运动，研制单向旋转的空气透平发电机成为其关键技术，图2所示为OWC波浪发电原理和双向冲击式透平。

图2 OWC装置原理和双向冲击式透平

4.2 我国波浪发电技术发展现状

近30年波浪发电的研究发展迅速，我国首先成功研制了气动式航标灯用微型波浪发电装置，在我国南北沿岸海域和大型灯船上广泛应用，弯管型浮标波浪发电装置已出口国外，这标志着我国在微型波浪发电技术和小型岸基式波浪发电技术上已进入世界先进行列。波浪能的并网方案和策略一直是国内研究的焦点[11]。为解决由于潮汐造成的水位差，波浪发电自适应装置的研究也成为国内主要的研究课题[12]。

由中国科学院广州能源研究所研制的“鹰式一号”新型海洋波浪发电装置于2012年12月28日在万山岛海域投放并成功运行，“鹰式一号”与现有波浪能装置相比具有较多优势，实现了小浪况下间断发电、大浪况下连续发电，并始终保持高效率运行[13]。装置在海洋中拖行或航行时，水阻小、稳定性好，可满足远距离拖行要求。投放与回收不需要海上工程船舶，装置回港维修或在海面检修时，装置整体上浮露出甲板，方便技术人员对其进行检修和保养。

4.3 波浪发电发展趋势

波浪发电技术是一个集合了机械、物理、力学、防腐及海洋科学等多领域的课题，目前关于波浪能发电技术的研究大部分还处于试验阶段，少数处于运营阶段，所以该方面的课题尚处于发散状态[14]。

多元发展和综合利用是波浪发电技术的另一个方向，结合防波堤等海洋工程设施建造波浪发电站，可减少开发成本。多种可再生能源的综合利用也具有较大的发展空间，如波浪发电、海风发电、海洋太阳能发电的结合，为海岛、海上钻井平台供电等[15]。

4.4 合理建议

我国波浪能发电事业应逐步发展为独立行业，近期主要以岸基式波浪能发电站为目标，但大规模利用要考虑发展漂浮式波浪发电站，鼓励制造水下装备经验丰富的传统企业与科研单位合作，缩短产业化的距离，发挥我国在制造成本上的优势，加强百千瓦级机组的商业化工作，经小范围推广后，再根据欧洲的波浪能资源，设计制造出口型装置。现阶段适合开发波浪能的地区为长江口以南沿海地区，以北海域由于全年浪低，波能功率密度较低[16]。

5 海洋温差发电

5.1 海洋温差发电原理和我国技术发展近况

海洋温差发电是利用深层海水与表层海水的温度差来汽化工作流体，带动涡轮机发电。根据循环方法不同分为闭式循环、开式循环和混合循环[17]。

我国海洋温差发电技术起步较晚，美国及日本等技术强国在此领域一直处于世界先进行列，近年来由于国家对可再生能源发电的政策支持，海洋温差发电快速发展，“十一五”国家科技支撑计划15kW海洋温差能发电装置所使用的国海循环发电效率达5.1%，而美国朗肯循环的发电效率为3.0%，日本上原循环的发电效率是4.9%，这表明我国已跻身海洋温差发电的世界前列，成为第三个独立掌握海洋温差发电技术的国家[18]。

5.2 前景展望与合理建议

海洋温差发电技术的优点是几乎不会排放二氧化碳，可以获得淡水，由于它可将深海富营养盐类的海水抽到上层来，将有利于海洋生物的生长繁殖。我国若将发电、海水养殖和淡水供应结合起来综合开发，将会取得更好的经济效益。

中国华彬集团与美国洛克希德马丁公司技术投入型签约，计划在我国南海建造海洋温差发电站，这标志着我国在新能源发电设备制造领域已达到世界先进水平，所以我国应扩大该技术在商业化领域的投入，加大同民营企业的技术合作。

6 海洋盐差发电

6.1 盐差发电原理

盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能，主要存在于河海交界处或淡水资源丰富的盐湖和地下盐矿。按发电原理分为渗透压法、蒸汽压法和反电渗析电池法[19]。

6.2 我国盐差发电技术成果与合理建议

西安建筑科技大学对水压塔系统进行了试验研究，上水箱高出渗透器约10m，用30kg干盐可以工作8～14h，发电功率为0.9～1.2W[20]。我国在盐差发电技术领域一直处于低速发展态势，据预算，反电渗析电池装置投资成本约50 000美元/(kW·h)，而渗透压法装置的发电成本也高达10～14美元/(kW·h)，蒸汽压能法装置研制更是无法估算。导致盐差发电装置造价昂贵的原因是渗透膜成本太高、使用寿命过短，我国现阶段还不适合大规模应用盐差发电装置，应在理论研究和渗透膜研制方面加大投入和支持。

7 海洋能综合发电系统

7.1 近海可再生能源综合发电技术

海洋能综合发电技术是将潮流发电技术、波浪发电技术及海上风力发电技术等结合在一起试验综合发电。目前在世界范围内对近海可再生能源综合发电系统的研究还很少。在混合发电系统的可行性、混合发电系统的控制策略、各个发电装置的最大功率跟踪控制及平滑功率波动等技术上还处于试验阶段[21]。

7.2 我国海洋能综合发电技术的近况

近年我国在海风力发电、波浪能发电及潮流能发电等近海可再生能源发电技术领域蓬勃发展，在此基础上，提出了融合近海风力发电、波浪能发电和潮流能发电的近海可再生能源综合发电系统的构建、建模和控制，在发电装置优化组合和空间布置、综合发电单元能量转换效率、交互性影响分析、能量管理、综合发电单元等效建模及建立含综合发电厂电网的分层次控制策略体系等方面都取得了相应的成绩[21]。图3所示为近海可再生能源综合发电系统结构示意图[22]。

7.3 合理建议

海上可再生能源综合发电系统在我国还是比较新颖的课题，目前国内对这个课题还只是理论研究和仿真模拟，我国海上可再生能源综合发电技术的主要问题还是并网策略问题，应借鉴我国风力及光伏发电等并网策略，进行部分试验装置的制造和投放，为灯塔、海标和海上各种平台进行供电试验。

图3 近海可再生能源综合发电系统结构示意图

8 国内外相关政策阅读

英国政府在2013年12月确定了对海洋能的固定上网补贴，项目装机容量在30MW以内，波浪能和潮汐能项目给予508.5美元/(MW·h)的补贴。美国的海洋能发电融资为0.41亿美元，较2012年增长20.6%，增幅具全球之首；中国海洋能发电融资较2012年仅增长0.01亿美元；法国和韩国海洋能发电融资较2012年基本持平，融资难也成为制约我国海洋能发电事业的一大主要问题。《2013年全球海洋能发电产业概况》指出，降低成本是海洋能发电产业未来发展的重要任务[23]。近日华东能源监管局对辖区内项目装机容量6MW(不含)以下的海洋能等新能源发电项目实行豁免电力业务许可，经营总装机6MW(不含)以下的海洋能新能源发电，可以简化相关发电类电力业务许可证申请要求[24]。2012年，我国海洋局908专项海洋能普查进行了波浪能重点开发利用区资源勘查和选划，为我国近海波浪能资源开发利用规划提供决策依据[25]。

9 结束语

我国若要实现海洋能发电商业化发展，必须突破技术难关，鼓励民营企业在海洋能发电技术领域进行科研投入，适当建立商用、民用、军用相互联系的合作关系，从而解决成本高的难题，可以引进国外少数关键技术，进行技术本土化，将资源优化后投放到攻关的技术难题上，实现与技术强国的同步。国家应大力提倡并支持海洋能发电事业发展，从而使融资额加大，着力解决技术攻关所需资金问题及开发周期过长等问题。在政策上适当放宽条件，给予更大装机容量和经营总装机容量的豁免许可并简化申请要求。国内研究者还应转变思想，着眼于国家未来发展。常规发电技术成本低，但80%左右来自火力发电(燃煤发电)，如果遇到用电量超额需启动补峰发电机，浪费大量石油资源，海洋能源发电技术成本虽高，但其优点是可再生、持续、清洁。与此同时国外已经开始对海洋能发电技术生态影响进行大量研究，我国在这方面几乎处于空白阶段，所以大力发展海洋能发电技术，对于优化我国能源消费结构，支撑经济社会可持续发展意义重大。

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