工业化循环水养殖系统的新能源应用

赵仕琦 凌长明

摘 要：现有陆基工业化循环水养殖市场体量大、产量高，存在能耗高、污染环境等问题，以及新能源利用效率低，应用于循环水养殖范围少等问题，因此本项目提出应用新能源满足和匹配陆基养殖基地用能需求，建成具有地方海岸特色的新能源应用保障示范基地，研究方案拟设计太阳能热电系统集热及发电，利用潮汐能提供高压水头，又可直接发电及海水淡化，还可以做测试研究的示范平台。

关键词：潮汐能；海水淡化；太阳能；新能源；循环水养殖

中图分类号：X714 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）21-0169-02

Abstract： The existing land-based industrial circulating water culture market has the advantages of large volume， high output， high energy consumption， environmental pollution and so on. At the same time， the utilization efficiency of new energy is low and the scope of circulating water culture is less. Therefore， this project proposes to use new energy to meet and match the energy needs of land-based breeding bases， to build a demonstration base for new energy application and support with local coastal characteristics， and to design solar thermoelectric systems for heat collection and power generation. The use of tidal energy can provide high-pressure water head， can direct power generation and desalination， and can be used as a demonstration platform for testing and research.

Keywords： tidal energy； seawater desalination； solar energy； new energy； circulating water culture

引言

我國是全球最大的海水养殖国，2018年，全国水产养殖总产量超过5000万吨，我国成为世界上唯一养殖水产品总量超过捕捞总量的主要渔业国家。陆基工厂化循环水养殖具有资源节约、环境友好和产品安全等特点，是世界水产养殖业的重要发展方向之一，也是实现水产养殖与环境和谐发展的重要途径。现有文献研究表明工厂化循环水养殖，单产量24462225kg/hm2时，耗电量93913695kWh/hm2，单位产量电耗为5.07kWh/kg。研究表明，我国水产养殖业的能耗强度为0.24万吨标煤/万元产值，是农业平均值的1.26倍。我国水产养殖二氧化碳排放量高。

现有工业化循环水养殖市场体量大、产量高，存在能耗高、污染环境等问题，因此发展可再生能源解决其能耗是非常重要的，同时因为现有新能源利用效率低，应用于循环水养殖范围少等问题，因此开展本项目新能源系统应用研究与示范。

1 潮汐能与太阳能应用于循环水养殖的国内外发展现状

目前海洋能应用于循环水养殖研究较少，研究热点主要集中在潮汐能发电。国外关于潮汐能发电的研究持续时间长、涉及领域广泛，技术相对成熟，总体而言，英国和美国的潮汐能研究则更为成熟，相关文献数量庞大。我国关于潮汐能发电的研究主要集中在福建省、浙江省、江苏省、上海市、山东省一些东部沿海省份，基本上在对潮汐能的技术开发、发展前景、资源利用等方面，而对沿海地区应用于循环水养殖的潮汐能的研究较少，国内未见有应用型示范基地的报导。

直驱式潮汐能反渗透海水淡化技术是近年发展起来的一种海洋能海水淡化技术。相比于间驱式潮汐能反渗透海水淡化系统，直驱式潮汐能反渗透海水淡化系统可减少潮汐能先发电再用电能驱动反渗透海水淡化装置的两次能量转换损失，具有能效高和成本低等优势。目前，关于直驱式潮汐能反渗透海水淡化技术的研究主要来源于广东海洋大学凌长明教授课题组。课题组研究团队在海洋能海水淡化方面已经进行了近十年的研究，先后进行了潮汐能聚能增压方案的热力学性能分析、潮汐能直接驱动海水淡化方法的优势分析，以及直驱式潮汐能反渗透海水淡化系统性能计算模型及分析等研究。关于直驱式潮汐能反渗透海水淡化系统的性能研究有待进一步开展。

太阳能利用技术主要有太阳能热利用技术、太阳能发电和太阳能光化学转换等，太阳能热发电技术在美国、澳大利亚、德国等国家已经比较成熟，并得到了实际应用。国内相关研究起步较晚。对于太阳能光发电技术，目前的研究主要集中在太阳能电池板的材料方面。中科院电工所对太阳能发电整体系统进行了研究和设计，并建立了1MW的塔式太阳能发电项目。南开大学光电子薄膜与器件研究所在薄膜电池技术方面，四川大学在碲化镉电池方面已经取得了卓越的成果。

2 工业化循环水养殖系统的新能源应用方案

本文的方案旨在应用新能源（潮汐能和太阳能）满足和匹配陆基养殖基地用能需求，建成具有地方海岸特色的新能源应用保障示范基地，包括高、低位水池和延伸到海中间的引水管等基础设施，如图1。研究可以为陆基工业化循环水养殖基地提供能源动力支撑的新能源技术及其示范。

研究方案拟设计太阳能热电系统集热及发电，利用潮汐能提供高压水头，又可直接发电及海水淡化，还可以做测试研究的示范平台，如图2所示。

陆基工业化循环水养殖常需要水温调节，需要大量的热能，因此采用太阳能集热与供热技术。太阳能集热装置冬季收集热量加热池水，多余热量储在蓄热水箱（相变材料保温）。夏天采用太阳能光伏板发电（供循环水泵和增氧机等），多余电量储在蓄能系统。

潮汐能利用高低位水池，低位水池模拟海水，高位池模拟海湾潮汐能水坝。涨潮时水池蓄水，退潮时池水位有较高水头，利用池水位差发电。水轮机发电同时驱动增压器，产生高压水头海水，为养殖循环水提供循环动力，并利用高压水头进行海水淡化。同时优化和整合太阳能和潮汐能运行方案，实现新能源间互补运行，用富余电量，抽水至潮汐能高位蓄水池蓄能等技术，进行季节性产能调节和昼夜错峰负荷运行，实现新能源间互补运行。

工厂化循环水养殖采用传统能源系统存在很大的改进与提升空间。本文在研究了潮汐能与太阳能的国内外发展现状，提出了陆基工业化循环水养殖基地采用新能源技术的方案，减少能量转换过程，提高可再生能源的利用效率。

参考文献：

[1]農业部渔业渔政管理局.中国渔业统计年鉴[M].北京：农业部渔业渔政管理局，2018.

[2]车轩，刘晃，吴娟，等.我国主要水产养殖模式能耗调查研究[J].渔业现代化，2010，37（2）：9-13.

[3]赵鹏，李贤，周兴，等.海水工厂化养殖能耗及新能源应用调研分析[J].渔业现代化，2011，38（2）：21-26.

[4]凌长明，陈明丰，徐青，等.潮汐能聚能增压方案的热力学性能分析[J].中国电机工程学报，2015，35（4）：906-912.

[5]凌长明，娄晓博，王逸飞，等.潮汐能直接驱动海水淡化方法的优势分析[J].广州航海学院学报，2018，28（1）：37-42.

[6]郑章靖.利用潮汐能的新型反渗透海水淡化工艺及装置的研究[D].湛江：广东海洋大学，2011.

[7]雷顺安.潮汐能直接驱动海水淡化的装置系统及其试验研究[D].湛江：广东海洋大学，2015.

[8]王逸飞.潮汐能直接驱动的反渗透海水淡化系统性能研究[D].湛江：广东海洋大学，2013.