海水抽水蓄能技术在海岛供电中的应用探讨

刘 哲

(国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437)

海水抽水蓄能技术在海岛供电中的应用探讨

刘 哲

(国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437)

电力供应的滞后制约了海岛及其周边海域的开发。海水抽水蓄能技术以海洋作为低位水库，降低工程建设成本，可解决传统抽水蓄能技术对淡水资源过度依赖和环境破坏等问题。研究表明，海水抽水蓄能与风能、太阳能、海洋能等可再生能源组成联合发电系统具有可行性，能够实现海岛可再生能源的大规模开发和利用。介绍了海岛供电系统的现状，阐述了海水抽水蓄能技术的工作原理和应用现状，分析了技术应用中存在的问题和挑战，并对海水抽水蓄能技术在海岛供电系统中的应用前景作了展望。

海岛；可再生能源；电力储能；海水抽水蓄能

我国海岸线绵长，海域广阔，在300多万平方公里的海疆上分布着数以万计的岛礁。第一次《全国海岛综合调查报告》[1]显示，除香港、澳门、台湾及海南岛外，我国面积在500 m2以上的海岛共有6 961个，有人居住的海岛有400多个。海岛及其周边海域，往往有着丰富的渔业、港湾、矿产等资源，同时海岛是划分海洋国土的重要依据，对海岛的有效开发及利用有助于发展国家经济、维护国家海洋权益和保障国家安全。

受地理环境影响，海岛开发往往受到多种因素制约，例如电力、淡水资源和交通等。对于近岸海岛的电力需求，可以通过架空线路或海底电缆输送电力。但这种供电方式存在输送距离远、用户分散、线路损耗大的特点，以及建设投资大、故障查修难、运维成本高等缺陷。而对于偏远位置的海岛，柴油发电机往往是岛内电力系统的主要电源[2]。但柴油发电机能源转换效率低、污染大，会对海岛的生态环境造成威胁，不利于海岛的开发和利用。另外柴油的供应也会带来额外的输送和储运压力，使发电成本上升。

由于特殊的地理位置，海岛地区的电力供应较为滞后，但往往具有丰富的太阳能、风能等可再生清洁能源，对清洁能源的有效开发及利用可以缓解、甚至满足海岛自身的电力需求，大大增强海岛的可持续发展能力。然而，尽管可再生能源发电优势明显，但其本身所具有的随机性和波动性等特点导致可再生能源大规模并网会给岛内电力系统的稳定运行带来巨大挑战，如线路阻塞、潮流改变、电压闪变、谐波污染等，因此电力储能技术成为实现可再生能源大规模开发利用的关键。目前，抽水蓄能是世界上普遍应用的电力储能方式，具有技术完善、启停迅速和运行灵活等优点。但传统抽水蓄能电站对淡水资源过度依赖，地理条件要求较高，而且还有初期投资大、建设周期长、破坏周边生态环境等问题。海水抽水蓄能不仅具备传统抽水蓄能启停迅速、运行灵活等优点，并且以海水驱动水轮机发电，有效利用了海水资源，解决了传统抽水蓄能电站对淡水资源过度依赖和环境破坏的问题；以海洋作为低位水库，大大降低了工程建设费用；充分利用海岛的地理位置，构建联合发电系统，有利于可再生能源的大规模开发及利用[3-4]。

1 我国海岛供电概况及分析

1.1 供电现状

目前我国海岛的电力供应系统并不完善，除少数近岸海岛能够通过架空线或海底电缆供电外，大部分海岛并无电能可用。对于位置偏远的海岛而言，柴油发电机就成为了供电电源的唯一选择，但这种供电方式存在着严重问题，具体如下。

(1) 供电可靠性低。海岛供电系统对柴油发电机依赖严重，无其它保障方式，系统的供电可靠性完全取决于柴油是否能及时供应。

(2) 能源利用率低。目前柴油发电机的能源转换效率较低，相当部分的能量以废气等形式排放到了环境中，不仅污染周边环境，而且浪费能源[5]。

(3) 发电成本过高。海岛的柴油消耗主要依靠陆地运输而来，大量的运输费用再加上燃油本就不菲的价格，使得供电成本更加高昂，不利于对海岛的有效开发。

事实上，考虑到海岛的实际生活环境和用电需求，供电系统应当具备以下特点。

(1) 孤岛运行，对负荷实时响应。大部分海岛距离陆地较远，与陆地供电系统联网的可能性不高，往往处于“单机”运行状态。海岛负荷具有阶段性特点，波动性较大，若系统对负荷无法实时响应，会使整个海岛的供电系统濒临崩溃。因此海岛的供电系统应当适宜于孤岛运行状态，并具备良好的负荷响应能力。

(2) 多种能源并供，提高供电可靠性。海岛供电系统往往处于孤岛运行状态，利用单一能源供电，不利于系统的供电安全。应当开发多种能源的使用，保障供电可靠性。

(3) 设备成熟，运维方便。多数海岛居民稀少，特别是前沿边防小岛，更加缺乏专业人员进行供电系统的日常维护。因此，海岛供电系统必须安全可靠、自动化程度高，甚至具备无人值守供能。

(4) 发电成本适宜，环境友好。过度依赖外来化石能源运输，不仅会对海岛脆弱的生态环境造成破坏，还会使发电成本高昂，不利于海岛的开发和利用。

综上可知，海岛供电系统建设应更多的从自身条件出发，就地开发绿色、清洁的可再生能源是一个更为合理的解决方法。

1.2 适宜海岛利用的可再生能源

从海岛的自然条件来看，目前适合在海岛开发利用的可再生能源主要有风能、太阳能、海洋能等。

(1) 风能。风力发电技术成熟、实现简单、建设周期短、装机规模灵活、后期运维成本低，开发风能可在一定程度上缓解海岛用电需求。风力发电技术根据装机规模，可分为大型风电技术和中小型风电技术。二者在技术原理上并无不同，但却具有不同的技术特点和适用领域。根据实际运行经验可知，中小型风电技术更适用于风、光联合发电系统，因此也更适用于海岛的能源开发。

(2) 太阳能。海岛由于所处地理位置，往往太阳能资源十分丰富。太阳能有光电转换和光热转换两种应用方式，光伏发电可以与风力发电形成互补，保障海岛能源供应，提高供电可靠性；而将太阳能转换为热能使用，可以降低岛上居民取暖、水加热等日常生活的电力需求，在一定程度上有助于减小装机规模，降低建设成本。

(3) 海洋能。海洋能是一种蕴藏在海洋中的可再生能源，包括潮汐能、波浪引起的机械能和热能等。海洋能来源于太阳辐射与天体间的万有引力，因此海洋能是一种几乎取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源。而由于海岛所处的地理环境，使海洋能的开发和利用也更为便利。海洋能有较稳定与不稳定能源之分，较稳定能源有温度差能、盐度差能和海流能；不稳定能源有潮汐能、潮流能和波浪能。其中潮汐能发电技术较为成熟，已应用于商业开发。

海岛周边有大量清洁的可再生能源以供开发利用，可以缓解甚至满足海岛自身的电力需求，有助于海岛的可持续发展。但可再生能源发电本身所具有的随机性和波动性等特点会导致可再生能源大规模并网将给岛内电力系统的稳定运行带来巨大挑战。电力储能系统可以实现对负荷的快速实时响应，弥补可再生能源发电的缺陷，提高供电可靠性。因此电力储能技术成为海岛供电系统建设、实现可再生能源大规模开发利用的关键。

1.3 储能技术

根据储能原理的不同，电力储能技术可以大致分为物理储能、化学储能和电磁储能[6-7]。其中物理储能包括压缩空气储能、抽水蓄能等；化学储能包括铅酸电池、磷酸铁锂电池和全钒液流电池等；电磁储能包括超级电容和超导储能[6]。

压缩空气储能技术往往应用于大功率储能系统，且受地理环境影响较大，难以适应中小型海岛供电系统的储能需求。铅酸电池技术成熟、储能稳定、价格合理，因此得到了广泛的应用。但铅酸电池的有效工作时间较短，且容易对环境造成严重的污染。磷酸铁锂电池特性优良，污染小，但成本较高，可达铅酸电池的数倍。全钒液流电池完全放电的特性，使其储能容量的操作更为灵活，但电池能量密度低，所占空间大，需要容器、管道和泵来容纳和传输电解液。超导磁储能功率大、体积小、损耗小、不受地理位置影响，但需要维持超导储能环境低温，使得成本较高。

抽水蓄能是世界上普遍应用的电力储能方式，具有技术完善、储能容量大等特点。传统抽水蓄能以淡水作为运行工质，对地理条件要求较高，具有初期投资大、建设周期长、破坏周边生态环境等缺陷，并不适用于海岛。海水抽水蓄能不仅具备传统抽水蓄能启停迅速、运行灵活等优点，并且以海水驱动水轮机发电，有效利用了海水资源，解决了传统抽水蓄能电站对淡水资源过度依赖和环境破坏的问题。考虑海岛的地理环境，海水抽水蓄能技术在海岛供电系统中具有广阔的应用前景。

2 海水抽水蓄能技术发展现状

2.1 技术原理

海水抽水蓄能与传统抽水蓄能在储能原理上并无本质区别，不同之处在于运行工质的选择。海水抽水蓄能系统以海洋作为低位水库，在海岸线附近的高地上建造水池作为系统的高位水库。在电力负荷低谷时期，使用电能驱动水泵将海水从海洋抽送到高位水库，将电能转化为势能储存起来；在电力负荷高峰时期，打开高位水库闸门，使海水驱动水轮机发电，将势能转化为电能。

2.2 技术应用现状

作为现有海水抽水蓄能技术的实际应用，日本冲绳海水抽水蓄能电站是世界上唯一一座正式运行的海水抽蓄电站。日本通商产业省1981年开始对海水抽水蓄能电站的初步研究和选址进行调查，1999年建成投产，随后并入冲绳本岛电网进行示范性实验和试运行，多年的实践为日本积累了丰富的海水抽水蓄能电站建设和运营经验。

蓄能电站位于冲绳本岛国头郡国头村，以海洋作为低位水库。高位水库建设在距离海岸600 m、高150 m的高地上，呈八角形形状，有效落差136 m。地下发电站建设在距离海岸300 m、海面下约30 m处，装机容量30 MVA，最大工作水头152 m，最大流量26 m3/s，排水口直通海洋，周围铺设透过型消波堤。蓄能电站水泵、水轮机和发电电动机参数如表1和表2所示[8]。

表1 日本海水抽水蓄能电站水泵、水轮机参数

表2 日本海水抽水蓄能电站发电电动机参数

日本海水抽水蓄能电站是一座真机试验性电站，主要研究目标是验证海水抽水蓄能系统是否与传统淡水抽水蓄能系统具有相同的可靠性、经济性，以及作为调峰电源的实用性。为证实其可靠性、经济性以及作为调峰调频的可能性，日本海水抽水蓄能电站进行了5年的试运行，并对系统在应用中出现的问题进行了深入的研究，为海水抽水蓄能技术的进一步发展奠定了实践基础。

2.3 技术应用中的挑战

国内外的研究结果表明，与传统抽水蓄能系统相比，海水抽水蓄能系统同样具有启停迅速、运行灵活等优点。另外，海水抽水蓄能系统以海洋作为低位水库，水量充沛、水位变幅小、有利于系统的稳定运行，可以大幅提高可再生能源的利用率。但由于海洋环境的特殊性，海水抽水蓄能系统也存在海水的腐蚀、浸袭、生物、环境等问题，系统的研究及应用仍需考虑诸多技术性问题[8-9]。

(1) 相比于淡水，海水更具腐蚀性，会减少系统设备的使用年限，增大运维成本。并且，水轮机所承受海水的流速高达10 m/s，这对设备材料的防蚀性也是一个巨大的挑战。

(2) 海水中生存着大量的有机物和海洋生物，它们在蓄能系统运行过程中容易附着在输水系统管道和水泵水轮机的机组叶片上，导致流道损失增大、抽水和发电效率的降低甚至管道堵塞。

(3) 在蓄能系统的储能模式下，海水有可能从高位水库中渗透到土壤中，污染地表和地下水源。另外，由于风力引起的海水飞溅，也会对周围的动物和其它生物系统造成污染。

(4) 在天气恶劣和海浪较大的情况下，大浪会影响进水口和出水口处海水的抽入和排出，从而降低蓄能系统运行的稳定性。

(5) 蓄能系统的进/出水口会对附近生珊瑚及其他海洋生物的生存环境产生影响。

现阶段，国内外学者对海水抽水蓄能系统应用中的选址、施工、运行以及运维等问题进行了大量的研究，并做出了有价值的分析和规划。但对于上述技术问题的解决，目前的研究成果还相对较少。

3 海水抽水蓄能技术在海岛供电系统中的应用前景

国内外学者对海水抽水蓄能与风能、太阳能、海洋能等可再生能源组成联合发电系统的可行性进行了分析，研究成果简要介绍如下：

文献[10]提出建立一个用于提高风能利用率、减少化石能源使用的海水抽水蓄能与风能联合发电的混合系统。文中评估了系统的建立和运维成本，并从经济性角度进行了理论分析。研究结果表明，在一定的电力销售价格下，系统具有可观的经济效益，投资回收期仅为5至6年，证明了海水抽水蓄能与风能联合发电具有经济可行性。

文献[11]提出建立一个海水抽水蓄能与太阳能联合发电的混合系统。文中首先对光伏场和水库进行初步筛选，并设置水泵处于不同的运行模式，然后对系统一年多的模拟运行作了评估。结果表明，联合发电系统能够有效降低输电网负荷，并在满足自身电力需求、实现系统孤岛运行方面具有乐观的发展前景。

文献[12]提出将海水抽水蓄能系统作为太阳能发电的有效补充，以提高可再生能源发电的可靠性。文中建立了联合发电系统主要组件的数学模型，并基于遗传算法，对系统的经济性和可靠性进行了优化分析。随后，研究人员将优化系统应用于一个没有电力供应的真实偏远岛屿，测试优化系统在供电损耗为0条件下的运行情况。结果表明，文中提出的系统模型和优化算法是有效的，系统运行具有可行性。

文献[13]提出一种海水抽水蓄能与风能、太阳能联合发电的混合系统。研究人员将混合系统应用于香港的一个偏远岛屿，并分析了其技术可行性。研究结果表明，混合系统可以有效弥补可再生能源发电间歇性的缺陷，提供清洁环保的可靠电源，实现岛屿完全自主的电力供应。文献[14]在文献[13]的基础上进一步研究了将混合系统优化设计为几百千瓦独立微电网的可行性。文中介绍了系统主要部件的初步设计流程，并深入分析了在供电损耗为0条件下的系统参数设置。

综上所述，海水抽水蓄能与风能、太阳能、海洋能等可再生能源组成联合发电系统具有可行性，有助于海岛可再生能源的大规模开发和利用，减轻供电系统对化石能源的依赖，提高供电可靠性，降低发电成本，增强海岛的可持续发展能力。因此，海水抽水蓄能技术在海岛供电系统中具有广阔的应用前景。

4 结语

(1)海岛及其周围海域往往蕴藏着丰富的渔业、石油、矿产等资源，对海岛的有效开发有助于发展国家经济、维护国家海洋权益和保障国家安全。但电力供应的滞后，导致海岛开发受到极大制约，有必要进一步加强海岛供电系统建设。

(2)海水抽水蓄能不仅具有传统抽水蓄能启停迅速、运行灵活的特点，还解决了传统抽水蓄能过度依赖淡水资源的问题，能够实现电能的大规模和长时间存储。日本海水抽水蓄能电站的成功运行，为海水抽水蓄能技术的进一步发展奠定了实践基础。

(3)国内外研究成果表明，海水抽水蓄能与风能、太阳能、海洋能等可再生能源组成联合发电系统具有可行性，可解决可再生能源发电的随机性和波动性等问题，实现可再生能源的大规模开发和利用，构建安全、清洁的能源供应体系，增强海岛的可持续发展能力。

[1] 《全国海岛资源综合调查报告》编写组. 全国海岛资源综合调查报告[M]. 北京：海洋出版社，1996.

[2]王坤林，游亚戈，张亚群．海岛可再生独立能源电站能量管理系统[J]．电力系统自动化，2010，34(14)：13-17．

WANG Kunlin, YOU Yage, ZHANG Yaqun. Energy management system of renewable stand-alone energy power generation system in an island[J]. Automation of Electric Power Systems，2010，34 (14)：13-17.

[3]刘布谷，刘东. 世界上首座海水抽蓄能电站上库的设计与施工[J]. 水利水电快报，2012，33(11)：15-17.

[4]张文泉，何永秀. 海水抽水蓄能发电技术[J]. 中国电力，1998，31(11)：16-17.

ZHANG Wenquan, HE Yongxiu. Sea water pumped storage station technology[J]．Electric Power，1998 .31(11)：16-17．

[5]马洪涛，丁小川，童航．分布式供能系统在海岛能源供应中的应用[J]． 分布式能源，2012，147 (33)：1-4．

MA Hongtao, DING Xiaochuan, TONG Hang. Application of distributed energy system in island energy supply[J]．Refrigeration Air Conditioning & Electric Power Machinery，2012，147( 33)：1-4．

[6]CHEN H，CONG T N，YANG W，et al. Progress in electrical energy storage system: A critical review[J]. Progress in Natural Science，2009，19(3)：291-312.

[7]张新敬. 压缩空气储能系统若干问题的研究[D]. 北京：中国科学院工程热物理研究所，2011.

[8]大岛胜宏，松浦润. 海水抽水蓄能技术及其展望[J]. 水利水电技术，2002， 33(1)：71-73.

DADAO Shenghong, SONG Porun. Seawater pumped storage technologies and its prospects[J]．Water Resources and Hydropower Engineering，2002，33(1)：71-73．

[9]王丽珠，张杰，孙宪华. 利用海水抽水蓄能发电新技术[J]. 水电站机电技术，1998(2)：69-71.

[10]KATSAPRAKAKIS D A，CHRISTAKIS D G，PAVLOPOYLOS K，et al. Introduction of a wind powered pumped storage system in the isolated insular power system of Karpathos-Kasos[J]. Applied Energy，2012，97(9)：38-48.

[11]MANFRIDA G，SECCHI R. Seawater pumping as an electricity storage solution for photovoltaic energy systems[J]. Energy，2014，69(5)：470-484.

[12]MA T，YANG H，LU L，et al. Pumped storage-based standalone photovoltaic power generation system: Modeling and techno-economic optimization[J]. Applied Energy，2015，137：649-659.

[13]MA T，YANG H，LU L，et al. Technical feasibility study on a standalone hybrid solar-wind system with pumped hydro storage for a remote island in Hong Kong[J]. Renewable Energy，2014，69(3)：7-15.

[14]MA T，YANG H，LU L，et al. Optimal design of an autonomous solar-wind-pumped storage power supply system[J]. Applied Energy，2015(160)：728-736.

ApplicationofSeawaterPumpedStorageTechnologyInIslandPowerSupply

LIU Zhe

(State Grid Electric Power Research Institute, SMEPC, Shanghai 200437, China)

The lag of power supply restricts the development of the island and its surrounding waters. The seawater pumped storage technology takes the ocean as the low-level reservoir and reduces the construction cost, which can solve the problems such as over-reliance on freshwater resources and environmental damage by traditional pump-storage technology. Research shows that it is feasible to combine the water pumped storage with the renewable energy resources, such as wind power, solar energy, and oceanic energy, into power generation system, achieving the large-scale development and utilization of renewable energy on the island. This paper introduces the present situation of the island power supply system, expounds the working principle and present application of water pumped storage technology, analyzes the problems and challenges existing in the technical application, and suggests the prospect of the water pumped storage technology application in the island power supply system.

island; renewable energy resources; power storage; seawater pumped storage

10.11973/dlyny201705023

刘 哲(1992—)，男，硕士，从事电力企业电能质量分析与控制研究。

TM614

A

2095-1256(2017)05-0593-05

2017-07-27

(本文编辑：杨林青)