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第20章 海洋能源的利用(2)

日本巨鲸号波浪发电船是继“海明号”之后开发的一种漂浮体,发电原理与“海明号”相似。长50m,宽30m,型深12m,吃水8m,排水量4380t,空船排水量1290t,安装了一台50kW和两台30kW的空气透平发电机组,锚泊于Gokasho海湾之外1.5km处。1998年9月开始持续两年的实海况试验,从试验情况来看,装置的各部分工作正常,最大总发电效率为12%。估计造价在2000万元人民币以上。因日本是个岛国,缺乏能源、资源和土地。建造“巨鲸号”可以提供洁净的可再生能源,其背后可提供用于养殖的平静海面,并为进一步研究提供海上试验平台。

英国海蛇号(Pelamis)波力发电装置,由英国海洋动力传递公司(OceanPowerDeliveryLtd)研制。海蛇号是漂浮式的、由若干个圆柱形钢壳结构单元铰接而成、将波浪能转换成液压能进而转换成电能的波能装置。海蛇号具有蓄能环节,因而可以提供与火力发电相当稳定度的电力。

英国海洋动力传递公司现已赢得建造一个750kW海蛇号波力发电装置的项目。装置的投放地点为苏格兰的Islay岛附近海域。该公司还和加拿大的BCHydro公司签订了在加拿大Vancouver岛建2MW海蛇号波力发电装置的备忘录。

中国后弯管式波浪发电浮体和灯船,1990年在琼州海峡“中水道1号”灯船研制成功带后弯管的波浪发电装置,随后又在湛江水道、珠江口水道的两个灯船上安装了相同的波浪发电装置为航标灯(平均功率30W)和雷达应答器(平均功率20W提供电源,是世界上首次将波浪发电电源用于灯船。“中水道1号”灯船锚泊在琼州海峡,风大浪高,两年多发电效果很好,可是锚链两次被台风打断,第二次灯船也不知去向。安装在湛江和珠江口两个灯船上的波浪发电系统,由于锚泊处水流太急,波浪作用效果不很好,发电量小,两三年后被其他电源取代了。随后,又与日本合作研制后弯管的波浪发电浮体,安装了一台5kW空气透平发电机组,锚泊在珠江口,进行实海况发电实验。

2.固定式

世界各国建成的波浪发电装置以固定振荡水柱式为最多,其中日本4个,中国3个,挪威2个,英国3个,印度1个,葡萄牙1个,这些都是示范性的,有的完成在实海况下发电实验后成为遗址了,有的还在进行海上实验。此外,日本和中国各有一个摆板式的,挪威有一个收缩水道水库式的波浪发电站。

日本酒田港防波堤波浪发电站建成于1989年,由日本港湾技术研究所研建,在防波堤中间一段20m长的堤上做实验,一台功率为60kW的空气透平发电机组,1990年冬天,在有效波高为2.05m时输出18.5kW的电力。发出的电通过海底电缆输到岸上,供游客参观。

挪威500kW多振荡水柱波浪发电站和350kW收缩水道水库式波浪发电站由挪威波能公司在卑尔根市附近的岛上建造,分别于1985年和1986年建成并向当地电网送电,展示了波浪发电实用化和商业化的前景。前者的特点是在气室前面增加了一个前港,利用港口效应,使得入射波与前港和气室内水柱产生共振起到聚波作用,具有较高的波能转换效率,可是在连续工作一年多后被巨浪打坏了。后者的特点是类似水力发电(与海平面落差为3-8m),输出的电较稳定,连续运行数年后,据说因收缩水道被石块堵塞,也停止了发电。

英国75kW和500kW岸式波浪发电站得到欧共体波能发展计划的资助,在苏格兰西部的Islay岛上从1986年开始建75kW岸式波浪发电站,1991年完工。取得经验后于2000年11月又在该岛建成一座500kW与前者类似的岸式波浪发电站(振荡水柱空气透平发电机组)。后者已经发电上网,为当地400户居民供电,并与苏格兰公共电力供应商签订了15年的供电合同。该电站的特点是位于大西洋的东海岸,是世界上波浪能最丰富的地区之一,英国发展波浪能的地理条件十分优越。研建该电站的目的就是将岸发电站标准模式化,将一个个单元组合起来,以此使波浪能产业化。

中国的振荡水柱岸式波浪发电站,中国从1986年开始在珠江口大万山岛研建3kW波浪电站,随后几年又在该电站上改造成20kW的电站。出于抗台风方面的考虑,该电站设计了一个带有破浪锥的过渡气室及气道,将机组提高到海面上约16m高之处,大大减小了海浪对机组直接打击的可能性。发电装置采用变速恒频发电机与柴油发电机并联运行,发电比较平稳。1996年2月试发电,初步试验的结果表明,20kW波力发电机组在H1/10=1.2~1.5m,平均周期T=5~6s时的电力平均输出为3.5~5kW,峰值功率可达14.5kW,总能量平均俘获宽度比约在20%~40%的范围,优于日本、英国和挪威的同类电站。

100kW岸式波力电站是一座与当地电网并网运行的岸式波浪发电站,位于广东省汕尾市遮浪镇。2001年2月进入试发电,在入射波高H1/10=1~3m,平均周期T=5~7s时,平均发电功率N=5~40kW,最大发电功率Nmax=100kW。该电站设有过压自动卸载保护、过流自动调控、水位限制、断电保护、超速保护等功能。所有保护功能均在计算机控制下自动执行,大大地减小了人工干预,使波浪能发电技术接近实用化。

日本和中国的摆式波浪发电站,日本室兰工业大学在北海道研建的80kW摆式电站和中国国家海洋局海洋技术研究所在山东大管岛研建的30kW摆式电站,与振荡水柱不同的是,利用波浪推动一个摆板,通过油压传动系统带动发电机发电。后者还与5kW的风力发电机进行波风互补,为岛上渔民提供电力。

海洋热能转换技术(OTEC)

美国50KWMINI—OTEC号海水温差发电船,由驳船改装,锚泊在夏威夷附近海面,采用闭式循环,工质是氨,冷水管长663m,冷水管外径约60cm,利用深层海水与表面海水约21℃~23℃的温差发电。1979年8月开始连续3个500小时发电,发电机发出50kW的电力,大部分用于水泵抽水,净出力为12~15kW。从深海里抽出的水营养丰富,在实验船周围引来很多鱼类,这是海洋热能利用的历史性的发展。

随后,美国在夏威夷的大岛建了一个自然能源实验室,为在该岛建40MW大型海水温差发电站做准备,在热交换器、电力传输、抽取冷水(深水管道)、防腐和防污方面取得重大进展。计划采用开式循环发电系统,在发电过程副产淡水。夏威夷大学积极参与这项计划,做了多年实验但至今未建电站,可能是工程浩大,成本太高的缘故(每kW投资约1万美元)。

瑙鲁海水温差发电站是日本“阳光计划”,1973年选定在太平洋赤道附近的瑙鲁共和国建25MW温差电站,1981年10月完成100kW实验电站。该电站建在岸上,将内径70cm,长940m的冷水管沿海床铺设到550m深海中。最大发电量为120kW,获得31.5kW的净出力。

中国台湾红柴海水温差发电厂计划利用马鞍山核电站排出的36℃—38℃的废热水与300m深处的冷海水(约12℃)的温差发电。铺设的冷水管内径为3m,长约3200m,延伸到台湾海峡约300m深的海沟。预计电厂发电量为14.25MW,扣除泵水等动力消耗后可得净发电量约8.74MW。该海水温差发电系统由台湾电力公司委托设计,初步设计已在1982年完成。

潮流发电

中国舟山70kW潮流实验电站采用直叶片摆线式双转子潮流水轮机。研究工作从1982年开始,经过60W、100W、1kW三个样机研制以及10kW潮流能实验电站方案设计之后,终于在2000年建成70kW潮流实验电站,并在舟山群岛的岱山港水道进行海上发电试验。随后由于受台风袭击,锚泊系统及机械发生故障,试验一度被迫中断,直到2002年恢复发电试验。

加拿大在1980年就提出用垂直叶片的水轮机来获取潮流能,并在河流中进行过试验,随后英国IT公司和意大利那不勒斯大学及阿基米德公司设想的潮流发电机都采用类似的垂直叶片的水轮机,适应潮流正反向流的变化。

海洋能利用的探讨

综上回顾,开发海洋能源的意义已是众所周知的,特别是近20多年来各国政府的投入和科技工作者的努力,建成一个又一个的实海况下的装置。对于在技术上已经成熟的潮汐发电站,要考虑建潮汐大坝的环境问题和它的经济性,特别要考虑发电与围垦、养殖及交通的综合利用。对于技术上还不成熟的波浪电站、潮流电站和海水温差电站,还有些关键技术需要在实海况下的装置上摸索解决。对于在技术上还不能实现的海水盐差能电站,只能留在实验室里探索了。

我国的潮差偏小,平均潮差都在5m以下,而法国的朗斯电站平均潮差达到8m。由于潮差偏小,中国的潮汐电站发电所获得的经济效益不大,潮汐能电站的设计必须着眼于大坝建造所带来的交通、围垦、滩涂等资源的综合利用效益上。

对于波浪发电,首先要确保装置在海上的生存能力,包括正确的结构设计和良好的保护措施;其次,是选择最好的波能转换方式,使能量转换的各个环节都有较高的效率,避免出现某一环节的效率低下导致系统效率低下的现象;第三是发电质量有待提高。由波浪运动特性所决定,在不加任何控制条件下的波能装置发电的峰值功率可达到其平均功率的10倍左右。收缩水道水库式波浪电站由于其蓄能环节容量大而使输出得以稳定。中国科学院广州能源研究所提出一种全新的蓄能稳压方法,使所有液压传动的波能装置均可实现稳定的输出。而振荡水柱式波浪发电系统的输出稳定性最难以解决,由于缺乏大容量的蓄能环节,振荡水柱式波能装置不能做到稳定输出,只能采用增加惯性或设计特殊的发电装置使输出稳定性得到改善,例如英国500kW振荡水柱式波力电站通过对大滑差的电机控制,改善了输出的稳定性,在平均功率100kW时将峰值功率控制在150kW内。由于世界各国对波浪发电站研建工作的兴趣有增无减,随着一个个技术难关的突破,不久将像风力发电一样,成为新的能源产业。

对于海洋温差发电,日本已有小型实验电站,美国做了较全面的研究,现在建大型电站在技术上是可行的,关键是低温差20℃—27℃时系统的转换效率仅有6.8%—9%,加上发出电的大部分用于抽水,冷水管的直径又大又长,工程难度大,研究工作处于停顿状态。每kW投资成本约1万美元,近期不会有人投资建实用的电站。若能利用沿海电厂的高温废水,提高温差,或者将来与开发深海矿藏或天然气水合物结合,并在海上建化工厂等综合考虑还是可能的。

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