波浪能海堤发电技术研究

颉未凤

(甘肃钢铁职业技术学院,甘肃 嘉峪关735100)

1 波浪能使用现状

1.1 背景及意义

随着全球能源消耗量的增大,新兴能源越来越受到重视,开地热能、海洋能等新能源的研究也越来越多。其中,海洋中波浪能的密度最大,也最具开发潜力,波浪能因此被认为是一种高质量的海洋资源,其能量转化效率也较高[1]。我国的海岸线长达上万海里,波浪能密度平均可达3～7 kW/m,某些地方更高达20 kW/m,可开发的波浪能储量非常丰富。全球很多机构都在研究波浪能利用或发电甚至推进船舶的技术,并取得了一定进展。最先利用波浪能的装置是1799 年发明的。近年来,美欧日等地的波浪能发电技术发展迅速,而我国从20 世纪70 年代开始起步,并形成了一些科研成果,航标灯就是其中的研发成果[2],我国近期在浙江舟山研发建设的波浪能发电单机平台,其功率达到了500kW。

图1 国外波浪能发电装置

1.2 波浪能发电的装置及其原理

现代波浪能发电的装置主要有振荡式、海蛇式、摇摆式、鹰式等多种样式[3],见图1、图2、图3,主要通过波浪带动漂浮装置上下运动产生机械能,再将机械能转化为电能。有一些将波浪能转化为高压空气压力,再喷射出来形成高速气流,进行推动涡轮发电机产生电能。目前国内外还设计出了波浪能发电船,将发电平台与船体相结合,或直接给船提供前进动力。

2 目前波浪能发电面临的技术问题

2.1 材料问题

海洋的盐度非常高,且海水及盐雾具有腐蚀性,装置长时间在海水中工作会面临生锈、老化等问题。影响材料强度和装置寿命。因此波浪能发电装置需要耐腐蚀材料制成,且要经过长期盐雾试验的考验,才能投入成熟化商业应用[4]。

图2 我国波浪能发电平台

图3 欧盟波浪能发电平台

2.2 抗风浪问题

海洋环境经常面临台风巨浪等恶劣环境,在这种环境下任何漂浮的平台都难以幸存,同时也存在破损件污染海洋环境的可能,甚至对船舶的螺旋桨产生破坏,对航行安全构成威胁。

2.3 成本问题

造价与发电量之比过高,且波浪能发电品质不稳定,难以储存等问题直接影响了波浪能的现实化商业应用。有关研究表面,波浪能发电成本是火电成本的10 倍左右,而且下海维护非常困难。

3 波浪能发电海堤技术方案

为解决波浪能发电存在的技术、成本、安全问题,本文设计了一种汇聚波浪能进行发电的海堤,该装置与防波提共同组合工作,既起到加固海堤的作用,也能长期进行发电,综合效益显著。

3.1 波浪能发电海堤结构

图4 震荡水柱式发电装置

图4 为震荡水柱式海浪发电装置,可以将波浪运动转化为气室高压空气的压力,再集中释放形成高速气流,从而带动气体涡轮发电。由于涡轮发电机价格昂贵,提高了该形式的发电技术的建造成本。

图5 波浪能海堤发电装置

本文吸收了震荡式水柱发电装置的技术原理,在此基础上进行改进,设计了一种波浪能发电海堤,结合气体管道,可以汇聚波浪能成为压缩气体能,集中释放,以达到发电集约化效果,降低其成本。如图5,建设带有气体收集腔的海堤,海堤面临海水一侧的弧形坡度将水平方向的波浪能转化为垂直方向上下起伏的水柱,水柱在接近垂直的气腔中压缩空气,并通过单向阀门进入管状气体收集器,从而产生高压空气。许多独立且并联的收集腔内产生的高压空气通过高压空管道联通,最终通过涡轮气体发电机排向外界大气,从而带动涡轮发电机发电,流程见图6。高压空气管道的直径视发电功率的规模可以设置φ为0.2m-2m 不等,管道材料以耐盐雾腐蚀的不锈钢管或耐腐蚀材料管道为宜。

图6 波浪能海堤发电流程

3.2 对波浪能发电海堤电能产出的估计

波浪在深海区是上下起伏的椭圆运动,但由于近海海水深度的递减,波浪会转化为垂直于海岸线的水平往复运动,普通海浪在岸边的水平运动可以达到5m/s,其动压完全转化为空气压力可产生1.1 大气压的压缩空气,高压空气经高压气体收集通道再向外界大气排出,可产生100m/s 的高速气流,高速气流带动涡轮转动,可产生大功率的电能。按波浪能平均密度3kW-10kW/m,整个系统综合发电效率50%计算,1km 的海堤可以汇聚产生1.5MW-5MW 的发电功率。在北欧等波浪能资源丰富的国家,最高可以输出50MW/km 的功率密度,接近于一个小型的火电厂的发电量。

3.3 波浪能发电海堤的使用维护

高压空气的收集有海堤自动完成,只有涡轮发电机与电器控制室需要人员集中维护。波浪能发电海堤还应设置自动排水装置,防止海水进入高压空管道进而侵蚀涡轮发电机叶片。也应设置过滤装置,防止海藻或鱼类冲入气室。由于高压空气管道传输空气的同时也起到了高压容器的作用,即使自然界波浪强度存在短期波动,管道存储的高压空气也能维持发电装置一段时间的稳定运行,从而提高电能输出的品质。如果利用波浪的往复运动增加低压空气管道,将涡轮发电机连接在高压管道和低压管道之间,可以增大发电功率,同时也会增加建设成本,是否增设低压管道,仍需要权衡利弊。

3.4 波浪能发电海堤的经济效益

建成以后波浪能海堤非常稳定,只有气体单向阀和涡轮机是活动部件,其它设施可以长期应用而免于维护,维护成本非常低,最昂贵的涡轮发电机可以减量集中安装,仅需1-2 台涡轮机就足够了,由于发电机的集中化,维护相对变得简单多了。按其发电能力,1km 波浪能发电海堤每年可产生约2000 万度电能,还能起到防波作用,其建设成本需1000 万左右,仅需1 年就能收回建设成本,综合效益非常显著。

4 结论

波浪能发电海堤是一种新的思路,相比其它发电装置,免遭受波浪直接冲击,从而增加了发电输出的稳定性,延长了设备的使用寿命,它在波浪能丰富区域尤其适用,经济效益更高,具有大范围推广价值。可以为沿海及海岛能源紧缺地区提供可观的能源输入,尤其是边远海岛如西沙群岛、南沙群岛等[5],同时可以采用风、光、浪互补形式向大自然提取清洁能源。目前国内外未见类似形式的研究报告,因此在我国具有一定起步优势。建议海洋能源研究机构会同建设部门,开展实践应用研究,进一步成熟推广。