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发展现状:全球海洋能利用的现状

时间:2023-06-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:全球海洋能储量非常丰富,据估算,约有27亿kW潮汐能、25亿kW波浪能、20亿kW温差能、50亿kW海流能、26亿kW盐差能。我国的海洋能源十分丰富,其中,潮汐能约为1.9亿kW、波浪能约为1.3亿kW、海流能为0.5亿kW、海洋温差能和盐差能分别为1.5亿kW和1.1亿kW。目前,潮汐发电是海洋能中技术最成熟、利用规模最大的一种利用形式。日本的“海明号”船型波浪发电装置由日本、美国、英国、加拿大、爱尔兰5国合作,因成本过高,未能进入商业阶段。

发展现状:全球海洋能利用的现状

海洋覆盖了地球70%的面积,蕴含着无穷的能量。海洋能主要包括潮汐能、波浪能、温差能、海流能、盐差能等,具有能量密度低、蕴藏量大和可再生等特点。全球海洋能储量非常丰富,据估算,约有27亿kW潮汐能、25亿kW波浪能、20亿kW温差能、50亿kW海流能、26亿kW盐差能。我国的海洋能源十分丰富,其中,潮汐能约为1.9亿kW、波浪能约为1.3亿kW、海流能为0.5亿kW、海洋温差能和盐差能分别为1.5亿kW和1.1亿kW。

(1)潮汐能

潮汐能(Tide Energy)是海水周期性涨落所具有的能量,是人类最早认识和利用的海洋能。在月球太阳引力作用下,海水做周期性运动,这种运动包括海面周期性的垂直升降运动和海水周期性的水平流动。海水垂直升降运动所具有的能量是潮汐能中的位能,称为潮差能;海水水平流动所具有的能量是潮汐能中的动能,称为潮动能。在海水的各种运动中潮汐最具规律性,容易预测,又涨落于岸边,其最早为人们所认识和利用,在各种海洋能的利用中,潮汐能的利用也是最成熟的。

潮汐能能量密度较低,世界上仅少数国家具备理想的开发潮汐能的条件。英国的潮汐能开发技术在世界上处于领先水平。利用潮汐能的主要方式有两种:一种是利用潮汐能的水平运动所产生的前冲力来推动水车水泵水轮机发电;另一种是利用潮流所产生的水头和潮流量,利用电站上下游的落差引水发电。

潮汐发电源于欧洲。1912年德国建成最早的布苏姆潮汐电站,而法国1966年在希列塔尼米岛建成的朗斯河口潮汐电站是最具代表性的潮汐电站,这是第一个商业性电站,至今已运行50多年,充分证明了潮汐发电技术的可靠性和经济效益。朗斯河口电站成功运营后,潮汐发电技术逐步发展,开始寻求大规模商业开发的机会。然而,在二三十年的发展中,许多问题仍未解决,限制了潮汐能发电的快速发展。一方面,潮汐能发电的回报率不高。潮汐能电站的正常运行,需要足够的能量支撑,即用较大的流量来补偿潮汐能能量密度低的缺陷,这就要投入大量费用和大型设备来构建较大规模的海湾截流坝,使电站的造价远高于常规电站。而且,电站基建条件差、施工环境恶劣、施工周期长、初始投资量大、投资周期长等,严重降低了电站的投资回报率,这造成私营公司对潮汐能发电开发热情不高,政府投入的积极性也不高。另一方面,人们对潮汐发电引发的生态环境的负面影响争论较大,阻碍了潮汐能发展。其一是建立潮汐能发电站的大坝会影响生物作息,使生物的自由游动与繁衍受阻,造成某些生物的死亡、灭绝,破坏了生物多样性;其二是潮汐发电站会改变潮差和潮流,并引起水质的改变,恶化海洋生态环境。

目前,潮汐发电是海洋能中技术最成熟、利用规模最大的一种利用形式。从事潮汐发电研发和生产的国家主要有法国、加拿大、俄罗斯、中国和英国等。世界上有二十几处适合建设潮汐电站,主要有美国阿拉斯加州的库克湾、英国的塞文河口、加拿大的芬地湾、澳大利亚达尔文范迪门湾、阿根廷的圣约瑟湾、中国的乐清湾等。随着潮汐发电技术的进步,发电成本不断降低,会有更多大型现代潮汐电站建成并投入使用。

(2)波浪能

波浪能(Wave Energy)是海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪能的能量密度高,分布广泛,全球波浪能的潜力估值约在109kW量级。美国、英国、日本、德国等都在研究开发波浪能发电,其中,日本、英国等开发利用水平较高。目前,历经装置发明、实验室试验研究、实海况应用示范等阶段,波浪能发电技术已趋于成熟,并开始向商业化、规模化利用方向发展。但波浪能发电技术成本高,发电装置转换效率低,设备易因波浪冲击而引起故障,且发电不稳定。

世界上第一个成功的波浪能发电装置是1910年法国人布索·白拉塞克在其海滨住宅附近建的一座为其住宅供电的气动式波浪发电站,容量为1 kW。20世纪60年代以来,波浪能发电技术逐渐走向商业领域,具有代表性的是1964年日本开发的世界上第一台用于航标灯的小型气动式波浪能发电装置,随后该装置被投入商业化生产,产品除日本在其本国自用外还出口国外,标志着波浪能利用进入商业化阶段。

为实现波浪发电有效上网,早期设想是在海岸、近海放置众多转换装置列阵以将波浪能转化为电能,并把产生的电能供给电网。但是,波浪能很不规律,发电装置浮于水面,受波浪冲击发电,对设备质量和工作运行条件要求高,且大规模列阵投资大、风险高、收益低。20世纪80年代以后,波浪发电的应用方式发生了改变,以实用性、商业化为主的小中型装置,供应边远沿海和海岛的电力。典型的案例是日本的“海明号”发电船和挪威的两个波浪能电站。日本的“海明号”船型波浪发电装置由日本、美国、英国、加拿大、爱尔兰5国合作,因成本过高,未能进入商业阶段。1985年,挪威在卑根市附近的奥依加登岛上建成装机容量为250 kW和500 kW的波浪能发电站,标志着波浪能发电站实用化和商业化的开始。从未来发展来看,波浪能发电需要开发高效率、低成本和环保的发电技术,发展脱网独立供电技术和海上供电技术,提高偏远海岛地区和海洋油气开发等对波浪能的利用水平,以及提高发电设备对波浪冲击的抵抗能力,保证电力的有效转换。

(3)温差能

温差能(Thermal Energy)是指利用海洋中受太阳能加热的暖和的表层水与较冷的深层水之间的温差而获得的能量。一般通过海洋表面的温海水加热某些工质并使之汽化,驱动汽轮机而获得能量,同时,利用从海底取得的冷海水将做功后的废气冷凝,使之重新变成液体。温差能具有存储能量高、能量稳定等特点,全球的温差能的潜力估值约在109kW量级。虽然各国都十分重视开发温差能,研发经费投入较大,但直到20世纪70年代后温差能的利用才取得实质性进展。目前,美国和日本在温差能利用上取得较大进展,发电技术日趋成熟,但尚未达到商业化水平。海洋温差能转换(OTEC)不仅可以提供电力,还具有海水淡化、水产养殖、海洋化工、海洋采矿等综合利用效益。OTEC发电需要借助海水介质,即将大量深海海水在海面上释放,这一过程把维持深海浮游生物生长的物质带到海面,影响深海生物的繁衍。温差能发电的设想最早由法国物理学家阿松瓦尔于1881年提出,其后法国科学院建立了实验温差发电站,1930年,阿松瓦尔的学生克洛德在古巴附近的海域建造了世界上第一座温差能发电站,该电站的功率为10 kW。

从未来发展来看,OTEC技术必须解决以下问题:一是能量的高效转换问题,开发高效的热能转换器;二是提高发电装置防腐和抗台风等性能,保证运行稳定;三是创新海洋工程施工方法,克服恶劣施工环境。此外,还需注重综合利用,将发电与海水淡化、化工、采矿等相结合,提高规模收益。

最近,美国、日本和法国等对海水温差能的开发利用取得了丰硕成果,已实现了从小型试验研究转向大型商用化方向发展。目前,全球已建成了多座海水温差能发电站。但总体来说,对温差能发电的利用目前仍处于研究阶段。

(4)国际海洋能产业及技术

当前,全球已有30多个国家参与海洋能的开发。国外海洋能发电技术主要集中在欧洲,以英国为主,亚洲以日本为主,其关键技术领先,并掌握了大量专利知识产权

在潮汐能应用方面,在2015年之前有关潮汐能机组并网运行的信息很少,多数是有关英国EMEC、加拿大FORCE等海洋能试验场进行并网测试的信息。目前,人们已实现单机百千瓦级机组并网发电,并有单机兆瓦级机组也实现了并网发电,从技术的工程实现来看,小装机容量潮汐能技术在浅水海域安装,以降低开发成本和风险,促进累积技术和获取工程经验,并为大功率机组开发奠定基础。总体上,随着兆瓦级潮汐能技术商业化进程的加快,潮汐能将很快实现其发电成本降至有竞争力的水平。荷兰1.2 MW潮汐能发电阵列和英国MeyGen的6 MW潮汐能发电阵列成功实现并网发电,标志着潮汐能技术进入商业化应用阶段。2015年9月,荷兰在防风暴桥相邻两根桥桩上,布放了由5台T2涡轮机组集成在单一结构上的潮汐能发电阵列(见图3.18),该装置总装机1.25 MW,已为1 000户居民提供电力,成为世界首个并网运行的潮汐能发电阵列。2016年,美国GE公司收购Alstom公司的能源业务,并在Alstom原有技术基础上发展了1.4 MW的Oceade-18技术(见图3.19),输出电压高达33 kV。另外,2016年,加拿大Cape Sharp Tidal公司在FORCE布放了一台2 MW的Open-Centre机组,并实现并网发电(见图3.20)。

图3.18 T2涡轮机阵列布放到Eastern Scheldt防风暴桥

图3.19 Oceade-18机组及水下电力节点

图3.20 Open-Centre在FORCE布放及并网

波浪能技术近年发展迅速,但技术种类分散,尚未进入技术收敛期。虽然全球许多波浪能发电装置经历了长期海试,但波浪能发电装置在恶劣环境下的生存性、工作稳定性和可靠性、能量高效转换等关键技术问题仍未获得突破。例如,2004年在EMEC实现并网的英国Pelamis波浪能装置,以及2009年在EMEC实现并网的英国Oyster波浪能装置,由于技术迟迟无法商业化,分别于2014年和2015年年底破产。最近,许多国家的波浪能开发利用取得了较大进展。2011年,西班牙EVE能源公司的Mutriku振荡水柱式波浪能并网电站建成并成功运行(见图3.21)。2014年,在欧盟区域发展基金支持下,EVE公司与英属直布罗陀政府签署了5 MW波浪能发电电力购买协议,以满足直布罗陀15%的电力需求。2016年,该发电场一期100 kW工程建成并实现并网(见图3.22)。另外,澳大利亚成功研制“CETO”波浪能装置,该装置采用大型水下浮子驱动,除了发电,该装置还可利用波浪能实现海水淡化(见图3.23)。

图3.21 Mutriku电站及其WELLS透平机组

(www.xing528.com)

图3.22 直布罗陀100 kW波浪能电站

图3.23 CETO的外观及工作原理示意

在温差能开发应用方面,日本、美国、印度等近年来建造了百千瓦级温差能发电系统和综合利用示范电站,运行效果良好,为建造兆瓦级电站积累了宝贵经验。法国、美国、韩国随后启动了兆瓦级温差能电站建设。2015年,美国Makai海洋工程公司建造了100 kW闭式循环海洋温差能转换装置,该装置在夏威夷自然能源实验室投入使用(见图3.24),是美国第一个并网的温差能电站,除满足120户夏威夷家庭的年用电需求外,余下电量出售的收益可用于温差能技术的研发。2013年,日本在冲绳岛建成50 kW示范电站(见图3.25),为温差能技术商业化奠定了基础。

图3.24 Makai 100 kW温差能电站

图3.25 冲绳50 kW温差能电站

(5)我国海洋能产业概况

我国拥有漫长的海岸线和广阔的海域,蕴藏着丰富的海洋可再生能源,海洋潮汐能、波浪能、温差能、盐差能、海流能、化学能均占世界总储量的前列。我国自20世纪70年代就着手应用海洋能的探索工作,但进展缓慢。目前,我国海洋能产业总体上仍处于发展初期,除潮汐能开发利用相对成熟外,其他形式能源的开发利用尚处于技术研究和示范试验阶段。潮汐能发电在我国海洋能开发利用中基础最好,发电技术较成熟,其中具有代表性的是江厦电站,所用技术属世界领先水平,并已实现并网运行和商业化运作。

1955年,我国开始建设小型潮汐电站,先后建成白沙口、沙山、江厦等70多座潮汐电站,使我国成为建成现代潮汐电站最多的国家。其中,浙江省温岭市的江厦潮汐电站是我国最大的潮汐电站,仅次于韩国始华潮汐电站、法国朗斯潮汐电站和加拿大安纳波利斯潮汐电站。

20世纪80年代,国家电网尚未通到偏僻沿海和海岛,我国当时的8座潮汐电站长期(10~30年)运行发电,为当地居民的农、渔、副产品加工和灌溉,照明等供电,对当地社会经济的发展起到了重要作用。连通国家电网后,潮汐能的经济效益下降严重,再加上受到上网电价的限制,潮汐电站经营困难,并逐渐停止运行。此后,虽然我国对浙江和福建沿海地区进行了潮汐电站选址规划和可行性研究,但均未开工建设。

波浪能是海洋表面海水因风能作用后产生的波浪所储存的动能和势能的总称,具有能量密度高、分布面广等优点。充分利用波浪运动所产生的能量带动发电机,将波浪所含的动能和势能转变为电能,这就是波浪能发电的基本原理。目前,波浪能技术主要有振荡体技术、振荡水柱技术和越浪技术。振荡体技术在我国探索实践较多,并研制出了不同振荡体装置。如2013年研制成功的装机容量100 kW的“鸭式三号”(见图3.26)。该发电装置实际最大输出功率可达25 kW。2015年,中国船舶重工集团公司制造的“海龙Ⅰ号”波浪发电装置(见图3.27)通过测试并成功运行,该装置在波高接近4 m的海况下,可产生100 kW的电能。另外,经优化后设计的鹰式装置“万山号”(见图3.28)对称安装了4个鹰式吸波浮体,并共用半潜船体、液压发电系统和锚泊系统。在海上既可漂浮,也可下潜至设定深度。装置配备了大容量蓄电池逆变器、数据采集与监控设备、卫星传输设备,既可通过海底电缆向海岛供电,也可为搭载在其上的各种仪器、设备提供标准电力,同时,能通过卫星天线实现海上设备与陆上控制中心的双向数据传输。目前,“万山号”已满足在其顶部平台上安装仪器开展海洋环境测量工作,或搭载通信设备作为海上移动基站使用。

图3.26 鸭式波浪能发电装置

图3.27 “海龙Ⅰ号”筏式液压波浪能发电装置

图3.28 “万山号”鹰式波浪能发电装置

潮流能发电水轮机是将从潮流能中获得的水流动能转换为电能的转换装置,它是潮流能发电系统的核心组成部分之一。潮流能发电水轮机转换能力的强弱是评价整个发电系统性能优劣的重要指标。目前,潮流能水轮机开发的主流方式为水平轴和垂直轴形式,此外,还有振荡水翼式、涡激振动式等新型技术。近年来,我国在科技计划专项和多方资金的资助下,成功研发了10多种潮流能发电装置,部分潮流能发电技术已进入海试阶段,潮流发电的关键技术基本得到解决,关键零部件也基本实现了国产化。2016年,300 kW潮流能发电装置平台(海能Ⅲ潮流电站)投入使用,并成功发电。“海能Ⅲ”(见图3.29)采用哈尔滨工程大学研发的总容量为2×300 kW的双机组十字叉型水轮机专利技术和漂浮式双体船载体设计。潮流能装置能实现自启动运行,发出的电力通过500 m长的海底电缆送电上岸,可供官山岛上30余户人家日常用电。2016年8月,模块化大型海洋潮流能发电机组总成平台——岱山“海底风车”(见图3.30)在浙江舟山下海,装机容量为3.4 MW,是我国首台自主研发生产的装机功率最大的潮流能发电机组。另外,2015年6月,中国海洋大学研制的轴流式潮流能发电装置“海川号”(见图3.31),在青岛斋堂岛水道安装运行。该装置装机功率为20 kW,实现了跨年度正常运行。

图3.29 “海能Ⅲ”潮流电站装置

图3.30 “海底风车”发电机组运行

图3.31 “海川号”20 kW轴流式潮流能发电装置

我国对海洋能的利用在可再生能源领域中发展较晚,但其在深远海开发中最具竞争优势。潮汐能当前在我国尚不具备大规模开发的条件,温差能和盐差能基础较弱,也未达到实用化阶段。波浪能和潮流能成为我国当前海洋能开发的主流。虽然海洋能必将占据越来越重要的地位,但就其目前的发展状态来看,远未体现其先进性,如理论研究不足,能量摄取机理模糊;系统研究不完备,能量传递配合低下;风险估计不清,结构安全无法保障;开发模式单一,能量用途有欠灵活等。为满足海岛及深远海开发等用电需求,加快提升海洋能技术自主创新能力,2017年国家海洋局发布《海洋可再生能源发展“十三五”规划》,规划提出提高基础研究与公共服务能力,突破关键技术,提升技术成熟度,强化示范效果,推进海岛海洋能应用等,以促进我国海洋能及其应用的可持续发展

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