潮流发电前景初探

姚齐国,刘玉良,李 林,唐志波

(1.浙江海洋学院机电工程学院;2.科研处,舟山 316000)

0 引言

20世纪以来,我们对煤炭、石油、天然气等化石燃料的大规模开发和利用,一方面创造了人类历史上空前繁荣的物质文明,另一方面,也造成了大量的资源浪费和污染物、温室气体的排放。当前,作为常规能源的化石燃料其储量正在一天天减少,而空气污染、全球变暖、臭氧空洞等环境问题也在一天天加重。开发新能源、研究新的节能技术,走可持续发展道路己成为社会各界的共识。

海洋能源是地球上最大的储备能源,是不需要燃料的理想能源,是不污染环境的清洁能源,是可再生能源。利用海洋能发电既经济,又不占用土地,不受气候影响,也不污染环境,实为利用价值极高、潜力巨大的新能源。海洋能源主要包括波浪能、潮汐能、潮流能、温差能、盐差能等。据世界能源委员会统计,全世界仅沿海地带便于开发的波浪能有2.0×1010kW,沿岸和近海区的潮汐能1.7×1010kW。据计算:当潮流速度为2.0 m/s时,在1m2水流面上1 a可得到2.0×104kW·h左右的电力[1-4]。

因此,开发潮流能对于引导我国海洋可再生生产基地的培育、装备制造业和人才培养基地的建设,提升我国潮流能发电系统研发能力和技术水平并形成国际竞争优势,都具有重要的社会和经济意义。

1 潮流发电技术概述

潮流能源于太阳和月球的引力,与波浪、潮汐、太阳和风能一样,属于一种可开发利用的自然能源。潮流的能量储存形式是流体动能,将其转变为电能,就需要在海上建立潮流电站。潮流电站可建在海底,也可泊于水中或浮于海面,既不需像潮汐电站那样建坝,也不影响航运。运行稳定、可靠、高效的潮流电站,是集船舶与海洋、机械、自动控制与电力等工程领域的先进技术于一体的高新科技产品。因此,潮流能的开发利用属于海洋高技术领域。

水轮机是潮流能发电系统的核心组成部分之一,水轮机性能和水轮机布置方式一直是国内外研究的重点和热点。目前国外技术上相对比较成熟的潮流发电装置有轴流式、混流式、振荡水翼式和套管式[5-7]。

(1)轴流式

轴的安装方向与水流方向平行,水流方向与旋转轴平行,利用水流推动叶轮桨叶旋转发电。一般用于水深大于25 m的流层。如MCT(Marine Current Turbines)公司制造的水轮机SeaGen,如图1所示。图2是爱尔兰OpenH yd ro公司的OCT潮流发电装置。

图1 MCT公司的SeaGen潮流发电机组

图2 OpenHydro公司的OCT潮流发电机组

图3 Kobold水轮机

(3)振荡水翼式

通过震荡悬臂驱动高压液体流动而带动高压液流系统中的涡轮机发电。振荡水翼式可以在相对较浅的海域布置机组,因此预期的应用领域更广。这一技术的主要代表包括英国的脉动生能(Pulse Generation)公司以及澳大利亚的生物电力(BioPower)公司研制的产品,分别见图4和图5。

4 Pulse Generation公司的振荡水翼机组

图5 BioPower公司的振荡水翼机组

(2)混流式

轴的安装方向与水流方向垂直。如意大利Ponte di A rchimede公司设计的三叶片Kobold水轮机,水轮机转向与水流方向无关,如图3所示。

(4)套管式

这类装置相当于在横轴或纵轴叶轮的外部增加一个文丘里管,使通过涡轮的水流能量更加集中,驱动转换效率更高。这一技术的主要代表有英国月能(Lunar Energy)公司的 RTT(the Rotech Tidal Turbine)技术,海王星可再生能源(Neptune Renew ab le Energy)公司的 NP(The Nep tune Proteus)技术。如图6和图7。

图6 月能公司的RTT潮流发电机组

图7 海王星可再生能源公司的NP

另外,发电装置的安装固定也是潮流发电的关键技术之一,主要方式有重力基、海底打桩(包括单立柱和双立柱型)和锚泊式,其原理略。

2 潮流发电国内外发展现状

与其他海洋能相比,潮流能的研究起步较晚,美国科学家首先于1973年大规模利用佛罗里达潮流能的方案。

日本1975年开始利用黑潮动能发电的资源调查,但研究进展不快。英国IT动力公司1994年夏季在苏格兰近海对一种水下风车式、水平轴潮流发电装置进行了试验。意大利阿基米德桥公司1996年开始进行墨西拿海峡潮流发电研究,2003年挪威在其最北端的城镇哈默弗斯特建成300 kW潮流电站,采用座海底式结构方案。

2003年春,MCT公司在英格兰德文的Lynm outh外海安装了一台300 kW的Seaflow海流涡轮原型机。同年11月,Hammerfest Strom公司在挪威哈默菲斯特以南的克瓦尔松外海也安装了一台300 kW 的原型机。2007年4月,Verdant Power公司在纽约城的东河(the East River)建设并运行美国第一个重要的潮流发电示范项目。2008年4月,MCT公司采用SeaGen技术在北爱尔兰斯特朗福德湖(Strangford Lough)安装投运了一台全尺寸原型机,2008年12月该机组达满发电量,单机容量超过1.2×103kW,已经投入商业运行,它是目前世界上唯一的商业运行机组[8-9]。

2009年4月底,加拿大将在芬迪湾(the Bay of Fundy)建设一个1.0×103kW潮流能示范项目。

最近,美国试验在墨西哥湾流中安装直径大于91.44m的巨型螺旋浆式水轮机发电,目前正在进行水力模型和海上稳定性实验。

我国潮流发电研究始于20世纪70年代末,在省、地科委支持下,1978年3月浙江舟山的何世钧在舟山西侯门港进行第一次潮流发电试验,其目的是为了证明潮流能发电的可行性。该试验采用直径为2m的螺旋浆式水轮机,经液压传动装置驱动额定功率为8 kW的发电机,成功地发出了5.6 kW的电力,带动了小型电机,并点亮了数十只电灯。1979年10月机组经过改造,何世钧又进行了第二次潮流发电试验。这2次潮流发电的成功,说明了潮流发电具有可行性,潮流能可以取代一部分常规能源,达到节约常规能源的目的。通过试验积累了一定的经验并找出了存在的问题,为进一步研究潮流能发电提供了可靠的科学依据。

1982年初期,哈尔滨工程大学朱典明教授带领的研究生与科研组首先开展水轮机水动力性能理论和试验研究,在实验室进行了60W、100W直叶自调角和摆线水轮机模型试验,在叶片控制(如连杆、凸轮弹簧、双凸轮式)等方面作了大量的工作。1985年开始电站的设计研究,1989年1 kW直叶片河流发电装置在黑龙江省龙凤山水库进行了两个月发电试验。1997年摆线水轮机获国家专利。20世纪90年代末,开始研究潮流实验电站的相关技术,1995年完成10 kW潮流实验电站技术方案。1996年“70 kW潮流实验电站”列入国家“九五”重点科技攻关项目,由哈尔滨工程大学承担,岱山县科技局协作参加。70 kW潮流实验电站是一座海上潮流能转换装置,建于浙江省岱山县龟山水道,该项目得到浙江万向集团的支持,电站命名为“万向”号。继“万向”号之后,哈尔滨工程大学和意大利 Ponte di A rchim ede公司正在合作研制水面漂浮式垂直轴潮流发电装置。东北师范大学目前正在研制一种1 kW水下悬浮式水平轴潮流能发电机。

2005年12月21日,由哈尔滨工程大学研制、浙江省岱山县科技局协助建造的国家“863”计划的40 kW潮流发电实验电站实用化项目,在岱山县建成发电[10]。这是目前世界第二、亚洲第一座潮流能发电站,总投资180万元,它的建成标志着我国在潮流能发电方面的重大进展。

近几年来,哈尔滨工程大学、东北师范大学、中国海洋大学和浙江大学在潮流能发电领域做了大量的研究工作。中国海洋大学研制的10 kW级基于柔性叶片获能装置的海试样机,于2008年12月在青岛胶南市斋堂岛成功完成了海试。针对该样机,还设计了较完整的检测控制系统,实现了无人值守功能,能够自动存储大量的数据,用于研究基于柔性叶片获能装置的性能,满足了试验目的,并保证在当地的海流环境下,该潮流能发电系统能够可靠稳定的运行,提高了系统的发电效率。

综观上述,潮流能开发利用毫无疑问已经发展到了一个全新的阶段,取得了很多积极的成果。但是不可讳言,目前潮流能开发利用中仍存在一些瓶颈亟待解决:(1)潮流能转换装置的效能及稳定性有待进一步提高;(2)海洋环境复杂多变,为能量转换装置的安装和维护提出了更高的工程技术要求;(3)规模较大的潮流能能量转换装置可能对附近的海洋生态环境造成不利影响;(4)转换后的能源存储及运输成本较高;(5)并网运行时,对电网电压的扰动有一定影响[11-12],等等。

针对这些难题,目前世界上对潮流能研究开发的重点领域和关键技术主要有:适应于潮流双向运动特性的能量捕获与高效转换技术;恶劣海洋环境下潮流发电机组安全性与保护技术;潮流发电系统运行、检测与低成本维护技术;电能稳定变换与并网技术;潮流电站支撑结构、叶轮叶片材料及其关键部件的设计与制造技术;基于潮流发电站建设的海洋环境测量与分析、潮流电站系统安装、海上施工工艺与技术;齿轮箱传动技术;大扭矩大承载能力的轴承研究;抗腐蚀水密封;电站总体低成本设计;流体动力性能与载荷预报;叶轮载荷测试与监测以及防锈防腐防污、防台风、防泥沙磨损技术等等[13-14]。

3 我国潮流发电前景展望

我国濒临太平洋,海疆辽阔,拥有绵长的海岸线和广阔的海域面积,沿海潮流能资源较为丰富。据对130个航门水道统计,我国的潮流能理论平均发电功率为1.4×107kW。浙江、福建沿海是世界上潮流能最丰富的地区之一。著名的潮流高能密度区有渤海海峡铁山水道,杭州湾北侧,舟山群岛的金塘水道和西候门水道等。尤其是舟山群岛的1 339个大小岛屿星罗棋布,岛屿间水道众多,受地形影响,大部海域流速在2m/s,其能流密度相当于20～40 m/s(即9级～12级以上风能的能流密度),具备开发利用潮流能的优越条件。而且具有水道纵横交错,四通八达,开发利用站址选择余地大,与交通航运和其他海洋开发工程不会相互影响,各水道多受岛屿保护,海况较平稳,海岸多为基岩岸等得天独厚的开发环境条件。这一优越资源一直被国内海洋能专家所瞩目。根据调查资料统计,舟山的26条水道合计理论功率约3.826×109kW,占全省的53.6%,其中14处海湾狭窄处及岛屿之间的水道潮流流速,除长白水道2.1 m/s外,其中有4处达2.6 m/s以上,9处达3.1m/s以上,响礁门达 3.3 m/s,最大的一处西侯门流速为3.6 m/s,估计开发利用功率为7.7×105kW,平均每天可发电12～16 h。尤其是岱山附近的龟山水道潮流流速大,增长速度快,流速持续时间长,平潮期短(一般不到0.5 h),风浪小,专家们认为:龟山水道不仅是安装直叶摆线式水轮发电装置的理想地点,也是建造100 kW潮流发电机群的理想场地。这一优势引起了联合国工业发展组织的关注,2006年11月,由联合国工业发展组织牵头,中国与意大利在罗马签订了开发潮流能发电项目的合作协议,在岱山开发120 kW潮流能发电站,预算投资约400万元[15]。

科学开发与利用潮流能,不应只是岱山一个地区的呼唤与行动,而是当今能源短缺与环境危机并存时代,全人类的共同责任。能源是国民经济发展的命脉,而价值巨大的海洋潮流能量在潮涨潮落间无声地流逝,令人扼腕。岱山作为潮流能开发利用条件最为理想的地区,潜在用户与应用市场巨大。在岱山建成独立发电系统,不仅可以改变海岛缺电少电状况,解决海岛生活生产用电问题,与国家电网联接后,还可以促进浙江乃至华东地区的经济发展。同时,随着国家可持续发展战略的实施,潮流发电将对弥补能源短缺、调整能源结构、缓解环境污染起到重要作用。龟山水道120 kW潮流能发电站的建成为我国自行研制一些关键设备和产品,配套应用于潮流电站并逐渐形成生产能力,乃至商业化电站(群)的建造,对解决我国东南沿海地区电力缺口、优化能源结构和改善环境污染状况等都具有重要的实际意义和广阔的应用前景。再者,由于潮流能电站发电设施的特殊性和前沿性,在发电同时也可提供旅游观光的功能,可作为重要的旅游景点和科普基地,让人们更进一步了解潮流发电的重要性和必要性,为潮流能开发利用走向产业化和推广应用开辟途径。

4 结语

潮流发电是一种非常有发展潜力的可再生能源。中国潮流能开发经过30多年的研究,在潮流水轮机的水动力性能理论、模型试验、机构设计及电站总体设计等方面均取得了较大的进步,并积累了丰富的经验,水轮机性能的研究已达到国际先进水平。10 kW级潮流发电装置处于示范阶段,已进入世界先进行列,100 kW级潮流发电装置研制已经起步。虽然在潮流能开发过程中必然会碰到上述诸多困难和问题,但我们必须对潮流能的开发和利用保持乐观积极的态度,相信随着投入的加大和研究的持续,潮流能一定能够成为我国能源战略中的重要组成部分。

为促进海洋能的大规模开发,加速我国潮流能技术向商业化发展的步伐,建议再进一步宣传海洋能,让更多的人认识和了解海洋能的同时,紧紧围绕国际上潮流能开发的重点领域展开突破,并从技术层面上完善潮流发电的设计方法、提高水轮机性能、扩大单机容量、电力并网技术、多能互补联网运行、电站群体化技术及在急流和强风浪下,水轮机、载体、锚泊系统的运行可靠性、安全性等方面展开深入研究。

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