美国金科夫市近海海洋能资源评估

［美国］G.L.亨宁 R.C.托马斯 J.T.达雷尔 T.B.贝萨德 等

李红梅 摘译自美刊《水电评论》2009年第7期

美国近海地区对海洋能开发项目越来越感兴趣，阿拉斯加州的金科夫市最近展开了一项调查研究工作，旨在寻找开发海洋能的合适站点，调查过程使用了一种称为“桌面分析”的方法。该方法被证明是研究不同站点和技术的有效而经济的方法。

基于分析，研究人员提出潮汐能资源是有限的，然而，有两个站点被确定为适合安装波浪能发电装置，能够产出强大的电能。进一步分析这些站点，可以更精确地确定可获得的能源、环境效果，以及建设的可行性。

1 海洋能开发

美国的金科夫市人口只有800多人，位于东阿留申自治市镇(Aleutians East Borough)内，从阿拉斯加半岛的顶端延伸到阿留申群岛的最东边。该市一端接太平洋，另一端连接着白令海。

2007年7月，该市的新能源公司论证了在金科夫泻湖入湖口利用潮汐能技术的可行性。这是该市首次对可能的海洋能源站点进行考察，美国阿拉斯加HDR公司承诺为该市提供工程服务，并受委托就海洋能电站选址做一个初步评估，作为评估的一部分，该公司也决定对城市附近可能的波浪能站点进行评估。

由于地理位置比较偏远，金科夫市十分依赖昂贵的柴油发电。该市共有柴油发电厂4座，总装机容量接近2.5 MW，为了减少过度依赖于柴油发电的不利局面，已建设了800kW的三角洲河流电站，电站于1994年12月开始运行。该市也正在论证在瀑布溪附近建设300kW水电站的可行性。该市对寻找其他能源来增加发电量，以减少柴油发电非常感兴趣，因为这样做既省钱，又能减少温室气体的排放。

市政府对所建议的潮汐发电的可能性也产生了兴趣。2007年7月，HDR公司工程人员开始选择能够进行海洋能源开发的站点，并且提供目前可获得海洋能源的相关评估，该评估可以用来确定海洋能开发的可能性。城市的决策制定者们将会使用该评估信息来确定海洋能源是否能为该市提供额外的可再生电能。

2 评估步骤

HDR工程公司所使用的评估过程包括4个步骤。步骤一:确定项目目标;步骤二:对可获得海洋能源进行初步评估，以确定可获得较多电能的系统;步骤三:初步查看可能的环境效果;步骤四:仔细分析每一个被评估站点的可获得电能、环境限制和其他方面。而这些分析并不是为了系统地解决所有的问题，而是更加注重于理解关键性问题，以作为进一步研究的依据。以下详细介绍每一步的具体细节。

2.1 确定项目目标(步骤一)

任何工作的第1步都是确定目标。对于金科夫市来说，额外的装机容量可以减少该市对柴油的依赖，评估目标是选择蕴含有足够多海洋能量的站点，并且作为进行进一步调查和安装能量转换设备的依据。

2.2 分析可获得能源(步骤二)

该步骤包括评估站点可获得的海洋能源，通常所选择站点有着明显的可获得能源优势。就金科夫市而言，该市有两个条件优越的海洋能站点，即金科夫泻湖入口的潮汐能和靠太平洋沿岸的波浪能两个站点。

站点条件最终决定能源可获量。通常，直接预测某个站点潜在的海洋能数据是不太可能的。因此，有必要收集数据，并借助于数值模型和统计模型进行处理。通常是尽可能地使用实测数据进行统计分析来预测未来情况。

2.2.1 潮汐能评估及技术

就金科夫市而言，可获得的数据包括当地的水深、海岸位置和潮汐。这些有限的数据决定了只能进行最基本的初步评估。这种方式计算的可获得能量可为决策者进行进一步的分析提供基础数据。

泻湖与该市之间有一狭窄的海湾。需要该市附近全年的潮差分布观测资料才能确定每个潮汐周期的平均流速。因此，研究人员使用了2006年以后的所有数据，利用泻湖的面积与潮差近似地计算出了纳潮量(tidal prism)。纳潮量是指每次海潮进入泻湖的水体总量。纳潮量又被用于推求泻湖进口处的流速分布，流速分布又可以用来计算进口处的能量分布，能量分布又可以确定平均能量。

如果了解了流场的知识，就可以评估潮汐能开发系统。大多数的系统要求要有较高的最小流速(大于0.70m/s)来进行发电。首先要考虑的技术是潮汐能转换装置，其中部分装置只有在水面上才能工作，或者是装在水上的一个结构上，以确保发电机不会被水淹没。大多数系统的设计水深至少需要9 m以上，但是适合这种设计的发电机比较少。由新能源公司制造的发电机装置，直径大约为3 m，在15 m多宽的区域只能安装几台这样的发电机，其最大发电容量只有25 kW，系统的设计流速大约为2.7 m/s。制造商称该设备能够在1.5 m/s的水流流速中运行，但并非意味着在潮汐周期中的所有时间都能进行发电。假设用于发电的最小流量为0.9 m/s，则潮汐周期中大约有一半的时间不能进行发电。

因为流量大多集中在海湾内，实际流速比简化算法得出的流速大，但这并不等于潜在的能量可增大。由于安装潮汐转换系统的空间有限，因而可获得的能量也就有限，实际安装的发电机容量平均都低于20kW。

另一个值得考虑的技术就是拦潮坝，在潮水涨落时通过拦潮坝蓄水，当达到一定的水位差时，就可通过水轮发电机发电。从建设成本考虑，需要有较大的潮差发出足够的电力才算是合理的方案。在加拿大新斯科舍(Nova Scotia)省装机18 MW的安纳波利斯(Annapolis)项目就是一典型的例子，那里潮差超过9 m。

这种类型的发电站有着显著的环境效应，包括对潮汐特征和鱼道的影响。在上述地点建拦潮坝，会比直接利用潮汐发电装置发更多的电。然而，建拦潮坝在经济和环境方面是否可行，应由建坝成本、潮差和环境影响决定。

2.2.2 波浪能评估及技术

波浪能可转换为电能的比例取决于海浪波长、波浪持续时间和波浪能量转换系统的设计。目前，已有的波浪能发电装置容量从40kW到超过4 MW不等。沿海岸可以建多个系统，以获得所期望的装机容量。波浪能发电装置的最大缺点是目前该技术仍然处于早期阶段，只是在金科夫市作为一种先导工程。

波浪能技术主要有两类，一类是浮子式波浪能发电装置，另一类是坐底式波浪能发电装置。

另外，还有多浮子波浪能发电系统。这种系统的优点是能够根据城市用电的需要增加浮子数量，其所产生的费用明显低于初始安装的费用。如果其中的一个浮子不能正常工作，该系统仍能继续发电。系统能够保持在水中，或者被拖到港口。

固定于海洋底部的设计装置能够将波浪能转变为电能，主要是通过一个能随波浪运动的设备实现的。其优点在于在风暴潮中增强了稳定性，因为系统的受冲击负荷较小，并且对航运和景观的影响也小。缺点是需要增加额外的维护费用和早期技术的不成熟性。

因此可知，水下波浪能转换技术仍处于早期阶段，存在不可预见的失败的可能性，海下作业难度的加大可能会使金科夫市放弃使用该技术。

2.3 环境效应评估(步骤三)

因为项目潜在的环境效应深远而广泛，因此环境效应评估意义重大。初级调查旨在确认可能的情形，这些情形可能还需要进行进一步的调查。

初级评估的重点是确定影响波浪能转换的可能障碍，这些障碍将会作为项目是否被批准的参考，通常，该过程包括项目可能位置的生态评估，注重对受威胁和濒危物种的保护。这种粗略的环境评估能解决一些明显的问题，发现关键性的事项，并且为未来环保工作提供方向。最终，一个项目可能还需要联邦能源管理委员会(FERC)的许可，以及《国家环境政策法》第404条和第10条的许可，还要与《濒危物种保护法》相一致，同时要考虑必要的鱼类栖息地保护等。

在金科夫市，潮汐能发电系统主要的潜在影响是可能会造成河流上游流量特征的改变，以及对海洋生物的机械性损伤，或者与海洋流有关的伤害。受波浪能发电系统伤害的海洋生物主要是海洋哺乳动物。

2.4 站点的合适性评估(步骤四)

站点的合适性分析是确定技术的可能性和环境保护方面的可接受性，为未来阶段工作进行详细调查提供依据。主要考虑的因素有:

(1)波浪/潮汐和气候;

(2)环境限制;

(3)可获得电能;

(4)与海域其他用户的冲突;

(5)网络互连的可能性;

(6)输电距离;

(7)遭遇风浪、冰，或者其他危险因素的几率;

(8)建设和维护费用。

对站点的合适性评估是与可获得能源和可能潜在的环境影响评估同时进行的。综合考虑这些问题后，人们便可对适合开发海洋能的站点进行排序，择优选择。

具体站点的适应性条件取决于当地和社区的需要，在一些地方，不可能敷设新的输电线，而只能使用海底电缆，而在另一些地方，由于环境条件敏感只能选用浮子式波浪能发电设施。

基于以上分析，虽然在金科夫市泻湖入湖口的潮汐发电设施不能提供足够的电力，但其主要优势是距离该市较近，便于接入电网。