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潮汐能 发电 控制系统

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潮汐能发电控制系统,潮汐能,发电,控制系统

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清洁能源与新能源潮流发电 一种开发潮汐能的新方法张 勇 , 崔蓓蓓 , 邱宇晨( 上海市电力公司 ,上海 200023)摘 要 : 介绍了潮流发电技术的基本知识和世界潮流发电的发展情况 ,指出潮流发电是一种非常有发展前景的潮汐能利用技术。由于经济性、 环境保护等因素影响 ,传统潮汐电站的建设受到很大制约。潮流发电技术可以克服水库式潮汐能发电拦海筑坝带来的缺点, 近年来技术发展迅速; 而我国的潮流发电技术研究尽管起步较早但发展不快; 为了充分利用我国丰富的潮汐能,建议政府大力支持和扶植潮流发电技术的发展 。关键词 : 潮汐; 潮流 ; 发电中图分类号: TK79文献标志码: B文章编号: 1005-7439( 2009) 04 -0223 -05Tidal Stream Power Generation A New Approach to Tidal EnergyZHANG Yong, CUI Bei -bei, QIU Yu -chen( Shanghai M unicipal Electric Power Company Shanghai 200023, China)潮汐能是一种清洁的可再生能源, 与风能和太阳能相比 ,潮汐能的能量密度大且易预测,因此更便于利用。全球的潮汐能发电的资源量在 10 亿 kW以上 ,潮汐能的开发利用早就受到关注 ,在各类当代的可再生能源开发中, 潮汐能发电也是最早应用的技术之一 。我国潮汐能资源非常丰富, 开发利用潮汐能对于我国能源结构的改善和能源可持续发展具有重要意义, 并早就受到关注, 1958 年前后广东省顺德县已经开始兴建小型潮汐电站 。然而传统的水库式潮汐电站一般建在河口, 必须拦海筑坝, 建设成本巨大 1而且对水文和生态环境带来不利影响 , 因此它的发展受到制约 。事实上不管是 20 世纪 70 年代投运的标志着潮汐电站进入实用阶段的法国朗斯240 MW 潮汐电站, 还是近期即将建成韩国希洼湖254 MW 潮汐电站或者英国正在酝酿的塞文河8. 6 GW潮汐发电项目 2,在经济和环保方面一直都有争论, 例如 http: /www . foe . co . uk/cymru/eng-lish/news/severn barrage report . html 和 http: /www . marinet . org . uk/ refts/ severn. html 以及 ht-tps: /secure . wwf .org . uk/core/about/cymru 0000002513. asp 等网站就有许多对英国塞文河潮汐发电项目争论的文献。潮流发电是一种新型的潮汐能利用技术, 这种技术直接利用涨落潮水的水流冲击叶轮等机械装置进行发电 ,大部分设备“浸没”在海底, 由于潮流发电机组的叶轮转速较低( 根据水流速度的不同潮流发电水轮转速约为 10 30 r/min) , 因此对水文环境以及海洋水生物特别是鱼类的影响轻微 , 具有良好的生态友好特性 。此外, 潮流发电无需建设拦海堤坝,大大缩短了建设周期, 降低了建设投资 ,经济性也更好。因此 ,这一技术在 21 世纪初受到了关注并取得了长足的发展 。本文将介绍潮流发电技术的基本知识和世界潮流发电的发展情况。1潮流发电技术1. 1 潮流发电的基本形式潮流发电是一种新技术, 与水库式潮汐发电相比更灵活更有创新空间 。目前国外技术上相对比较成熟的潮流发电装置有轴流式、 横流式 、 振荡水翼式和套管式 。( 1)轴流叶轮技术( Horizontal axis turbine) 这类装置以类似于常规大型风力发电设备那样的运作方式, 水流方向与旋转轴平行, 利用水流推动叶轮桨叶旋转发电 。这一技术路线的主要代表是英国的223第 30卷第 4 期2009 年 8 月能源技术ENERGY TECHNOLOGYVol. 30No. 4Aug. 2009海流涡轮( Marine Current Turbines Ltd . ( MCT) )公司的 SeaGen 系列产品以及爱尔兰 OpenHydro公司的OCT( Open Centre Turbine) 装置 ,分别见图1和图 2; 特别是前者, 产品的最大单元装机容量已达 1. 2 MW ,并已进入商业运行阶段 。图 1MCT 公司的 SeaGen 潮流发电机组图 2OpenHydro 公司的 OCT 潮流发电机组 ( 2)横流叶轮技术( Vertical axis turbine)横流叶轮装置的运行原理和轴流叶轮相似, 不过叶轮桨叶与旋转轴平行, 水流方向与叶轮旋转轴垂直, 见图 3。这一技术的主要代表是加拿大的蓝能( BlueEnergy) 公司 ,目前最大单机容量可达 250 kW 。( 3)振荡水翼技术( Oscillating Hydrofoil) 这类装置由水翼、振荡悬臂和液压发电装置组成 ,水翼受其两侧的潮汐流推动带动振荡悬臂摆动做功 , 通过震荡悬臂驱动高压液体流动带动高压液流系统中的涡轮机发电( 其实质是两级机械能转换,部分轴流叶轮装置也采用这一技术) 。相对于轴流式或者横流式叶轮技术, 振荡水翼技术可以在相对较浅的海域布置机组,因此预期的应用领域更广。这一技术的主要代表包括英国的脉动生能( Pulse Genera-tion) 公司以及澳大利亚的生物电力( BioPower) 公司研制的产品, 分别见图 4 和图 5。图 3Blue Energy 公司的潮流能机组示意图图 4Pulse Generation 公司的振荡水翼机组图 5BioPower 公司的振荡水翼技术 ( 4)套管叶轮技术( Venturi Effect) 这类装置相当于在横轴或纵轴叶轮的外部增加一个文丘里管, 这可使通过涡轮的水流能量更加集中, 驱动转换效率更高 。这一技术的主要代表为英国的月能( Lunar Energy) 公司的 RTT ( the Rotech TidalTurbine) 技术 , 海王星可再生能源( Neptune Re-newable Energy) 公司 NP( The Neptune Proteus)技术 。1. 2 潮流发电机组的固定方式潮流发电机组的固定方式也是潮流发电的关键技术之一 ,目前国外主要采用重力固定 、 桩基固定、224张 勇等: 潮流发电 一种开发潮汐能的新方法图 6Lunar Energy 公司 RTT 潮流发电机组图 7Neptune Renewable Energy 公司 NP 潮流发电机组浮动安装和舵板动力固定等几种方式。( 1)重力固定 即利用装置本身的重力 , 直接将发电机组固定在海床上的安装方式。( 2)桩基固定 即采用类似于风电机组的安装方式 ,在海床上打桩 ,将潮流发电装置与桩基相连的安装方式 。这种方式常用于轴流叶轮机组的安装 ,更易于机组就地检修 。( 3)浮动安装 这种安装方式有 3 种方案 。第一种柔性系泊, 即通过一根缆绳( 链条或硬杆) ,将漂浮的设备系泊在海床上, 这种固定方式使设备可以在一定范围内随着潮流流向的变化漂动, 从而使设备在涨潮和落潮时均可以最佳工况投入运行 。第二种刚性系泊。通过一组缆绳( 链条或硬杆) , 将漂浮的设备系泊在海床上, 仅允许设备在固定点附近轻微移动。第三种浮动框架 。将多个涡轮设备集中安装在一个漂浮的框架平台上 , 整个框架可随水位的变化而浮动。( 4)舵板动力固定 这一装置的原理类似于F1 赛车翼板的作用,它通过在设备框架上安装多个舵板 ,使潮流对舵板产生向下的压力,抵消装置受潮流的倾覆力矩 ,从而固定装置。2世界潮流发电技术的应用进展相对于水库式潮汐电站技术, 潮流发电技术要“年青”很多。世界潮流发电技术的应用主要起步于21 世纪初 , 并在近几年逐步趋于成熟, 前景诱人。目前 ,一些发达国家纷纷组建潮流发电技术研究机构, 规划建设潮流发电示范项目。2. 1 典型项目2003 年春 ,MCT( Marine Current Turbines) 公司在英格兰德文的 Lynmouth 外海安装了一台300 kW的 Seaflow 海流涡轮原型机 3( SeaGen 技术的前身) 。同年 11 月 ,Hammerfest Strom 公司在挪威哈默菲斯特( Hammerfest) 以南的克瓦尔松( Kvalsund) 外海安装了一台 300 kW 的原型机 4。2008 年 4 月,Marine Current Turbines( MCT) 公司采用 SeaGen 技 术 在 北 爱 尔 兰斯 特 朗 福 德 湖( Strangford Lough) 安装投运了一台全尺寸原型机, 2008 年 12 月该机组达满发 , 单机容量超过1. 2 MW ,已经投入商业运行, 是目前世界上唯一的商业运行机组 。2007 年 4 月 , Verdant Power 公司在纽约城的东河( the East River) 建设并运行美国第一个重要的潮流发电示范项目, 预计 2009-2012 年投入商业运行 ,总装机容量达 10 MW 5。2007 年 11 月,加拿大 BC Tidal Energy 公司宣布与 Marine Current Turbines 公司合作, 规划在2009 年 在 温 哥 华 Campbell 河 建 设 至 少 3 台1. 2 MW SeaGen 潮流发电机组 6。2007 年 10 月,英国 Lunar Energy 宣布他们将在威尔士的 Pem-brokshire 海岸建造世界第一个潮流能电站场 被称为“海底风电场” , 电站由 8台 25 m 长、 15 m 高的机组组成 ,设计总容量为 8 MW , 2008 年夏进行基础建设 ,计划 2011 年投运 7。2008 年 2 月 , 德国 RWE AG 公司宣布将与Marine Current Turbines 公司合作 ,在 2011 -2012年前在北威尔士采用 SeaGen 技术建设一座总容量达 10 . 5 MW 的潮流电站场 8。2009 年 4 月, 爱尔兰 OpenHydro 公司与美国华盛顿州的签署了一个潮汐能试点项目合同 ,该项目受到美国能源部高级水利电力项目部资助 , 安装 3 台 OpenHydro 公司OCT( Open Centre Turbine) 机组 ,并通过海底电缆连接电网, 项目预计 2011 年前建成 9。2009 年 4225张 勇等: 潮流发电 一种开发潮汐能的新方法月底 , 加拿大新斯科舍省电力公司( Nova ScotiaPower) 与 OpenHydro 签订合同, 将在芬迪湾( theBay of Fundy) 建设一个直径 10 m 的 1MW 潮流能示范项目 10。2. 2各国潮流发电技术的研究机构表 1 是目前世界上主要的潮流发电技术研究企业及机构, 表中列出了轴流式、横流式、振荡水翼式和套管式潮流发电技术的主要或者代表性机构 , 同时也列出了一些采用其他潮流发电技术的研究机构 。3我国潮汐能利用的发展展望我国是潮汐能开发利用较早的国家,自 20 世纪50- 60 年代开始,我国就开始采用拦海筑坝技术建造潮汐电站。到目前为止,我国还在运行发电的潮汐电站共有8 座,电站总装机容量约为 6 MW, 年发电量超过 10 GWh 11。2007 年 8 月,国家发改委下发了可再生能源中长期发展规划( 发改能源 2007表 1世界主要潮流发电技术研究机构序号公司名称技术名称国家一轴流叶轮技术1Aquamarine PowerNeptune英国2Hammerfest StromTidal Stream T urbine挪威3Marine Current TurbinesSeagen, Seaflow英国4OpenHydroOpen Centre Turbine爱尔兰5SMD HydrovisionTiDEL英国6Verdant PowerVarious美国二横流叶轮技术1Blue EnergyBlue Energy Ocean Turbine加拿大2GCK TechnologyGorlov Turbine美国3Natural CurrentsRed Hawk美国三振荡水翼技术1Pulse GenerationPulse Generators英国2The Engineering BuisinessStingray英国3UEK Corpo rationUnderwater Electric Kite美国四套管叶轮技术1Clean Current Power Sy stemsClean Current Tidal Turbine加拿大2Lunar EnergyRotech Tidal T urbine英国3Neptune Renewable Energy LtdProteus英国五其他技术1Atlantis Resources CorpAquanator /轴流履带叶轮发电系统, 有点像坦克履带澳大利亚2Hydro-GenHy dro-gen/一个浮在水面的波轮发电系统, 需狭窄流道法国3Neptune SystemsMagneto Hydro Dynamics/无转动件的水-磁发电系统荷兰4Ponte di A rchimedeKobold Turbine /漂浮平台的横流叶轮发电技术意大利5Tidal ElectricTidal Lagoons /浅海围堰发电系统英国/美国6Vortex Hydro EnergyVIVACE ( Vortex Induced Vibrations Aquatic Clean Energy)/涡流摆动发电系统, 用于低速流环境美国7Water Wall TurbineWWTurbine /一种同时利用水流动能和势能的技术, 宣称单机容量可达数十 MW美国/加拿大注: 表格按照公司名称的字母顺序进行排序。226张 勇等: 潮流发电 一种开发潮汐能的新方法2174 号) 提出了积极推进海洋能的开发利用 , 到2020 年建成潮汐电站 100 MW 的目标,但是没有提到具体方案 。联系到我国目前多个大型潮汐电站( 福建的大官坂、八 尺门和浙江的健跳港、黄墩港 12, 以及长江口北支 13、 杭州湾和乐清湾等) 项目长期处于规划设计或讨论阶段 ,可以看出,国家希望发展对潮汐能的利用, 但对水库式潮汐电站的经济性问题以及可能带来的环境影响问题也很慎重。近期世界潮汐能利用项目为我国提供了相关参考: 英国的塞文河潮汐发电项目建设论证引用了法国朗斯电站的成功; 而加拿大芬迪湾的潮汐发电项目的缓慢推进, 乃至转向潮流发电技术方向, 原因也是基于对安纳波利斯电站长期的环境影响分析 14;在威尔士 、 温哥华和纽约城等地区的各种潮流发电项目则展示了潮流发电技术的勃勃生机 。这些项目的建设及其所引发的争论, 为我国的潮汐利用发展方向提供了很好的参考例证。在目前看来, 已经投运的大型的潮汐能发电项目大多采用的是拦海筑坝型的水库式潮汐发电技术, 由于其在经济性和环保上的缺陷 ,这一技术的推广应用将受到制约, 而新兴的潮流发电技术将随着技术成熟度的不断提高以及设备成本的降低逐步得到的推广和应用 。我国潮流发电技术研究始于 20 世纪 70 年代末,在舟山和岱山海域先后进行了 8 kW 及 40 kW潮流能发电实验项目 15-16。尽管我国的潮流发电技术研究起步较早, 但目前技术发展已经落后于发达国家。世界潮流发电技术的飞速发展为我国潮汐能的利用提供了一个全新的发展方向和研究思路 。为充分利用我国丰富的潮汐能资源 ,建议政府大力支持潮流发电技术的研究和应用。4结论潮流发电技术是一种“年青”的潮汐能利用技术,这一技术较好地平衡了能源的经济性以及环境保护之间的关系 ,在不到十年的时间里就从试验阶段迅速进入商业运行阶段 ,充分证明了其生命力, 是一种非常有发展潜力的可再生能源利用形式 。我们应充分关注这一技术的发展状况 ,为我国的潮汐能利用提供更多的解决方案, 从而为我国的能源事业发展和现代化建设提供更多助力。参考文献 : 1 王长贵. 中国新能源的开发和利用 M .北京: 能源出版社, 1986. 8. 2 英国能源和气候变化部. 塞文河潮汐电站项目咨询 EB/ OL . 2009-01-26 日. http: / severntidalpower -consultation. decc. gov . uk/ . 3 海流涡轮公司( MCT) . 海流涡轮技术 EB/ OL .ht-tp: /www . marineturbines. com/ . 4 哈默菲斯特( Hammerfest) 公司.哈默菲斯特开发并建成交付的潮流电站 EB/ OL .http: / www . hammer -feststrom. com/ . 5 VerdantPower 公司.美国能源部选择 VerdantPower公司开发高级潮流水电项目 EB/OL .http: /www .verdantpower. com/ . 6 可替换能源新闻网. 加拿大西 海岸即将开发潮汐能 EB/ OL . 2007-11-08 .http: /www. alternative -energy-news. info/ press/ tidal-power -west -coast-canada/ . 7 ChubbyBrain.Planet -scale tidal stream energy EB/OL . 2009-02 -20 . .http: / www ./ companies/ lunarenergy/ reviews/belindah. 8 Forbes.RWE 计划在威尔士海岸安装 10. 5 MW 洋流电 站 EB/OL 2008 -02 -07 .http: /www. / feeds/ afx/ 2008/ 02/07/ afx4626015. html. 9 波浪与潮汐能网. OpenHydro 赢得普吉特海湾的潮汐项目 合 同 EB/ OL . 2009-04-16 .http: /www .wave-tidal-energy. com/ home/ news