我国海洋能进展

我国海洋能进展

[作者:游亚戈]

[发布时间:20070925]

[来源:《中国科技成果》2007年第16期中国科学技术信息研究所加工整理]

海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通过各种物理过程或化学过程接收、储存和散发能量，这些能量以波浪、海流、潮汐、温差等形式存在于海洋之中。
海洋能是取之不尽、用之不竭的可再生能源。因此，海洋能研究在世界上已经明显升温。本文简述近年来我国在海洋能利用方面的进展，并对海洋能利用提出一些建议。

1 波浪能
我国的波浪能研究始于1982年。经过25年研究，共研发了下列波能装置。
（1）10W航标灯用振荡水柱装置[1]。该装置由广州能源研究所研制，可以将航标灯浮标周围的波浪能转换成电能，为航标灯供电。1987年研制出第一台样机，经实海况测试，装置效率较高，但叶轮结构和工艺存在问题，在转速过高时出现断裂；此外还存在着密封、锈蚀等问题。1990年解决了叶轮断裂和密封问题。2000年解决了锈蚀问题。目前共生产700余台，其中22台出口菲律宾、2台出口日本、1台出口英国。
（2）岸式振荡水柱装置。由广州能源研究所研制，共3个，装机容量分别为3kW、20kW、100kW。
“七五”期间在广东省珠海市大万山岛研建的3kW振荡水柱装置是我国第一个千瓦级波能装置。该装置采用4米长的喇叭口前港，4米宽、3米纵深的气室，0.8米直径的Wells空气叶轮和3kW永磁同步交流发电机。研建工作于1988年开始，1990年结束。在实海况运行期间发现，3kW岸式振荡水柱装置的转换效率较高，达到了岸式振荡水柱装置的世界先进水平。但存在着装机容量偏小，大浪时无法工作；气室结构偏矮，大浪时水柱抨击气室顶，危机空气叶轮及发电机；机房位置偏矮，大浪时海水直接进入机房，危害设备安全以及发电输出不稳定等问题。
“八五”期间研建的20kW岸式振荡水柱装置是我国第一个10千瓦级波能装置。装置研建得到国家科技攻关计划支持，旨在解决3kW装置存在的问题，研制10千瓦级装置，提高输出稳定性。该装置将原3kW装置的机房改造成气室的一部分，将机房建在水上16米处，气室顶部安装安全阀，避免大浪对设备的危害；发电机采用变速恒频技术，与柴油发电机实现电力合并，提高系统输出的稳定性。研建工作于1992年开始，1995年结束。经五个月连续运行发现，20kW岸式振荡水柱装置仍保持了3kW装置高效率的优点；经过改造，20kW装置比3kW装置的抗浪性能有大幅度提高；将波能发电装置与柴油发电机的电力合并，一定程度上提高了系统输出电功率的稳定性，但仍未达到用户直接使用的水平。
“九五”期间，在广东省汕尾市研建的100kW岸式振荡水柱装置[2]是我国第一个百千瓦级波能装置。装置的研建得到国家科技攻关计划的支持，旨在发展百千瓦级装置，解决波能并网发电技术。装置采用6米长的喇叭口前港，直径6.4米的圆柱形气室，直径1.2米Wells空气叶轮，与电网直联的100kW异步发电机。研建从1998年开始，2001年结束。实海况试验发现，装置的水动力学效率较高，但装置总效率不高；发电不稳定，在平均发电功率较小的情况下，峰值功率却时常超出额定功率；空气叶轮和发电系统自身能耗较大。经分析发现，空气叶轮效率低是系统总效率低的主要原因——Wells空气叶轮在往复气流作用下的平均转换效率仅为20%左右；采用空气叶轮以及与电网直联的异步发电机是输出不稳定和系统能耗大的主要原因。为改善上述问题，将Wells空气叶轮改为冲动式空气叶轮，将异步发电机改为同步发电机，在空气叶轮和发电机之间增加液压传动和蓄能装置，大大改善了输出稳定性及抗浪能力，降低了系统能耗。但空气叶轮的效率仍然不高。
（3）百千瓦级振荡浮子式波浪能独立发电系统[3]。它是广州能源研究所在“十五”期间研制的。研究人员对振荡水柱波能装置所存在的效率不高、制造难度大等问题做了仔细研究后，提出了一种新想法，即采用振荡浮子吸收波浪能，通过液压传动技术驱动发电机发电，有望同时解决总体效率低、输出不稳定以及系统能耗大等问题。这些想法得到国家863计划以及中国科学院创新方向性项目的支持。项目研制从2002年开始，2006年结束。该系统由振荡浮子吸收波浪能；采用3台柱塞泵将吸收的波浪能转换成液压能；采用蓄能稳压系统将不稳定的液压能转换为稳定的液压能；采用液压马达驱动的发电机将稳定的液压能转换为稳定的电能。实海况试验表明，该系统的总转换效率达到50%以上；发电的稳定性达到柴油机发电水平，用户可以直接使用；系统的自身能耗仅0.4kW，在小浪况下可以正常工作。该系统是世界上首座不依赖电网或其他动力系统稳定发电的波浪能系统。在总转换效率、输出稳定性、自身能耗等方面均达到了世界先进水平。
系统存在的缺点是：沿岸建造，受建造环境约束较大，不同的建造环境需要不同的建造方法，不易于推广；对海岸有破坏；建造时受海况影响大，建造周期较长，建造成本高。
（4）具有抗台风能力的高效漂浮式波能装置。由广州能源研究所近期正在研制的波能装置，得到国家“十一五”863探索类项目支持，旨在有效降低波浪能发电的成本。与固定式装置比，漂浮式装置的建造成本较低，但效率较低，故障率较高，在大浪中易于破坏，故其发电成本并不低。要降低发电成本，发展具有抗台风能力的、高效的、漂浮式波能装置是关键。
新研制的装置将采用一种创新技术对鸭式技术进行改良，保持其高效率的优点，解决鸭式技术目前面临的抗浪能力弱的缺点；在施工方法上的创新，有望大幅度降低施工难度和建造成本。

2 潮流能
我国较为系统的潮流能研究开始于1982年。目前潮流能装置研发取得了如下进展。
（1）“万向I”70kW潮流实验电站。哈尔滨工程大学研制的水面漂浮式垂直轴潮流能装置。该装置的载体为双鸭首式船型，搭载水轮机、发电装置和控制系统；锚泊系统包括4只重力锚块、锚链和浮筒组成；水轮机采用立轴可调角直叶片摆线式双转子机型，水轮机主轴输出端安装液压及控制系统进行调速，将机械能转换为稳定的压力能和稳定的输出转动，带动发电机工作，具有蓄电池充电控制、并网控制和相关的保护功能。装置研制得到国家科技部“九五”科技攻关计划的支持，2002年1月完成。装置建造安装于浙江省岱山县龟山水道，水深40m～70m，离岸100m，进行了海上试验。“万向I”和意大利的Kobold电站于同一时期建成，是世界上第一个漂浮式潮流能试验电站。
（2）“万向II”40kW潮流实验电站。哈尔滨工程大学研制的海底固定式垂直轴潮流能装置。该装置建于岱山县高亭镇与对港山之间的潮流水道中，是一个独立供电系统，采用可变角直叶片立轴H型双转子水轮机。载体呈双导流箱形，由机舱、浮箱、导流罩、沉箱和支腿构成，机械增速系统与发电机组密封于机舱中。电站沉没于水下，坐在海底上运行发电，避免了潮流发动机组受强台风袭击的问题。电力通过海底电缆输送到岸上，经电能变换与控制等系统稳频稳压和储能供岸上灯塔照明。电站具有下潜和上浮功能便于安装维护。装置研制得到国家科技部“十五”863计划的支持，2005年12月完成。

（3）1kW水下漂浮式水平轴潮流能装置。是东北师范大学正在研制的装置。由水下锚泊系统、发电机、软轴、水平轴水轮机组成，采用了转换效率较高的水平轴水轮机，为避免现有水平轴水轮机需要调整浆距，且在反向水流时效率下降的缺点，该装置采用了软轴，将水平轴水轮机与垂直安放的发电机连接，使水轮机组正对水流方向，此为该装置的创新点之一。装置研制获得国家科技部“十一五”863探索类项目支持，项目开始于2006年11月，将于2008年12月结束。

（4）250kW水面漂浮式垂直轴潮流能装置。是由哈尔滨工程大学和意大利阿基米德桥公司正在联合研制的装置。该装置采用船形载体和意大利的Kobold垂直轴水轮机。项目得到国家科技部“十一五”863目标导向类项目和联合国工业发展组织的支持。项目开始于2007年8月，将于2009年12月结束。

（5）5kW固定式水平轴潮流能装置。是浙江大学正在研制的装置。该装置采用座底固定方式固定水轮机底座。项目得到国家科技部“十一五”863探索类项目的支持。项目开始于2007年8月，将于2009年12月结束。

3 发展建议
目前，海洋波浪能和潮流能受到世界上各海洋国家的重视。海洋波浪能利用的技术难度较大，技术较为发散，目前某些技术已成熟，但新技术仍在不断地出现。海洋潮流能利用的技术难度较低，目前有些技术已经成熟。
根据我国海洋能资源和技术发展现状，以及我国经济、社会发展的需求，提出以下建议。
（1）在波浪能或潮流能丰富的地方，可以采用成熟的波浪能、潮流能技术进行大规模并网发电，有利于改善我国能源结构，降低化石能源消耗带来的环境污染。
（2）远离陆地的海洋能独立能源系统。随着社会经济的发展，我国海疆辽阔，具有丰富的资源。加强海洋开发，是本世纪最大的经济增长点。
然而，开发海洋，首先需要提供能源、淡水等生活必需品。在远离陆地的大海中，一般没有电网，海洋能是最廉价的能源。因此，发展远离陆地的海洋能独立能源系统，有着巨大的需求。
海洋波浪能、潮流能具有较高的能流密度，故其装置尺寸较小，易于开发出各种规格的发电装置，适应不同用户的需要，容易实现独立发电，是海洋能独立能源系统的首选；海洋温差能比较稳定，但装置尺度较大，适合于能量需求较大的用户，也可以发展成独立能源系统。
（3）以军事和海上作业为目的的海洋能利用。由于国防和海洋开发的需要，海上（包括海面、水下及海岛）存在着许多设施，如各种监测仪器、水下采矿系统、水下机器人、海上军事设施、海上平台等。目前这些设施靠蓄电池或柴油发电供电。研制特殊的海洋能装置，利用海上设施周围的海洋能为海上设施供电，远比通过蓄电池供电廉价且具有更高的保障度，是解决这个问题的最好办法。
（4）利用海洋能制取淡水。海水淡化技术有着巨大的市场需求。目前海水淡化的技术已经成熟，但基本上是以常规能源提供的电力为动力。需要发展以新能源和可再生能源为动力的海水淡化技术。
适合海水淡化的海洋能有海洋波浪能、潮流能、潮汐能、温差能。其中，波浪能、潮流能、潮汐能适合于为反渗透海水淡化系统提供能量，温差能可以在提供电能的同时，提供淡水。
反渗透海水淡化的实质是用液压方式强迫海水通过渗透膜脱盐。海洋波浪能、潮流能和潮汐能均属机械能，容易通过简单的机械转换成液压能，从而实现由上述能源直接驱动的反渗透海水淡化装置。目前广州能源研究所已经研制了波浪能直接驱动的反渗透海水淡化装置，转换效率显著提高。波浪能、潮流能的能流密度高，设备小，可以成为偏远海岛上规模为日产百吨级海水淡化装置的最廉价能源；海洋潮汐能可以成为日产万吨级的海水淡化装置的廉价能源。

参考文献
[1]梁贤光等.广州能源研究所报告.2003年4月.
[2]游亚戈等.100kW波能装置系统研制报告.2001年4月.
[3]游亚戈等.振荡浮子式波力发电系统研建报告.广州能源研究所研究报告.2006年7月.

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