海洋能源的利用与开发(1)

1、可再生能源利用上海电力2009 年第 1 期海洋能源的利用与开发Sonal Patel摘 要: 海洋蕴藏着巨大的能量, 海洋能源不仅清洁环保, 而且是一种取之不竭的可再生清洁能源。文章介绍了多种海洋再生能源的前沿技术及其应用情况, 并分析了海洋能发展的现状以及对环境影响的主要因素。关键词: 海洋再生能源; 波浪能; 潮汐能; 潮流能; 海水温差能; 海水盐差能中图分类号: P743文献标识码: B随着人们日益关注环境、经济以及依赖化石能源引发的成本问题, 开发利用可再生能源已逐渐成为当前行业的发展趋势。在取得推广应用风能发电和太阳能发电圆满成功后, 如何从覆盖地球面积 70% 以上的海洋中获取

2、再生能源, 成了能源行业关注的焦点。目前, 世界各大新能源开发商正在就此进行着积极的探索, 并已经取得了初步的成果。1 海洋再生能源发展概况海洋中的可再生自然能源主要包括波浪能、潮汐能、潮流能( 海流能) 、海水温差能和海水盐差能。据测算, 海洋能的蕴藏总量高达 4 000 TW, 开发潜力巨大。海洋能源不仅清洁环保、可再生, 更重要的是海洋能中的波浪能、潮汐能和潮流能还具有风能和太阳能无法比拟的优势, 即可预测性。由月球引力变化造成的潮汐可以提前好几年进行预报;而洋流图则可以通过卫星进行绘制。可预测性有助于防范大规模的停电事故的发生。此外, 无论是海上涡轮机或是浸没式零排放涡轮机, 因其处于

3、人们看不到的地方而不具有视觉污染。事实上, 试图利用海洋能发电的想法早在 100 年前便有之, 因当时技术和资金等问题, 其开发进程十分缓慢。例如: 在 1912 年 , 德国在北海海岸建造了世界上第一座潮汐电站 布苏姆潮汐电站。以加拿大的芬迪湾建造潮汐电站为例, 其建设规划可追溯到 1925 年。当时缅因州同意投资1 亿美元在该州帕萨马科迪湾( Passam aquo ddy Bay) 建立潮汐电站; 1935 年罗斯福总统也对该项目表示支持并拨款1 000万美元, 但是该项目最终未能实现。同时期的英国布里斯托尔海峡潮汐电32站计划, 因不具有经济、可行性而被否决。直到1984 年 4 月,

4、 总装机容量为 19. 9 MW, 采用新型全贯流式水轮发电机组的加拿大安纳波利斯潮汐电站正式投入运营, 才标志着芬迪湾潮汐电站项目的最终实现。加拿大安纳波利斯潮汐电站是目前北美唯一运营的商业用潮汐电站, 也是世界上著名的 3 座商业运营的潮汐电站之一。装有 1 台 20 MW 单向水轮机组, 转轮直径为 7. 6 m , 发电机转子设在水轮机叶片外缘, 采用新型密封技术, 冷却快, 效率高。1966 年 8 月投产的法国朗斯河口潮汐电站,采用 24 台可逆贯流灯泡式水轮发电机, 双向泄水和双向抽水 6 种工况运行。总装机容量为 240MW, 转轮直径为 5. 35 m, 单机容量为 10 M

5、 W, 年发电量为 5. 44 亿 kW h。而前苏联于 1968 年在基斯洛亚海湾建成总装机容量为 800 kW 的潮汐电站, 装有 2 台 400 kW 单向贯流式机组, 采用浮动沉箱施工法, 节省了大量工程费用。上述 3 座潮汐电站均采用拦河坝技术。进入 21 世纪, 世界各国对海洋能源的开发速度明显加快。2006 年, 美国电力研究院( EPRI) 在北美范围内开展了调查研究, 并为开发商业规模的海洋能电站提供了候选地点, 其中包括 Pas samaquoddy Bay 的鹿岛和加拿大诺瓦 斯科舍省的米纳斯湾( Minas Basin) 。该项研究成果直接推动了新不利瑞克省和诺瓦 斯科

6、舍省进行新电站的选址进程, 已有 3 家公司明确表示, 将在芬迪湾测试他们的技术成果。诺瓦 斯科舍省电力公司则宣布, 若 Open H y dro 公司在 Minas 海峡的潮汐能发电试验项目获得成功, 打算沿 M inas 海峡开发大规模的潮汐发电站。尽管目前海洋能的开发与利用还存在诸多技2009 年第 1 期上海电力可再生能源利用术难题且对环境的影响尚不确定, 但是研究和开发海洋能源已成为新能源发展的大趋势。各大新能源开发机构正在大力开发如何从广袤的海洋中获取电能为人类造福。2 海洋能前沿技术2. 1波浪能地球表面的热差异形成了风, 当风掠过海面便产生了波浪。波浪能具有能量密度高、分布面广

7、等特点, 是一种取之不竭的可再生清洁能源。其发电过程是通过波浪能装置, 将波浪能首先转换为液压能, 然后再转换成电能。这一技术兴起于 20 世纪 80 年代初。根据国际能源署的预测, 估计全世界可开发利用的波浪能达 2. 5 T W, 可以满足全球年用电量 15 000 T W h 中的 10% 50%, 潜力巨大。目前已开发的将波浪能转化为电能的技术,主要有以下几方面。( 1) Pelam is 装置漂浮在海上呈蛇形的 Pelam is 发电装置, 酷似一条海蛇, 参见图 1。图 1 漂浮在海面的 Pelamis 发电装置其工作原理是将金属海蛇的嘴垂直于海浪方向, 其关节依靠海浪推动相互铰接

8、的金属圆筒, 像海蛇一样随着海浪上下起伏; 铰接处的上下运动与侧向运动的势能将推动金属圆筒内的液压活塞作往复运动, 从而使高压油驱动发电机发电, 参见图 2。该技术已从最初的实验模型发展成商用产品。位于葡萄牙海岸 5 000 m 的海面上, 在世界首家 Aquacadora 波浪能电站里, Enersis 公司部署了 3 组Pelam is 装置。由长 109. 7 m , 直径超过 3. 01 m 的 Pelam is 波浪能发电机来产生 2. 5 M W电能, 满足 1 500 个家庭的用电需求。Ener sis 有意再部署一组装机容量为 20 M W 的 Pelam is 装图 2 Pe

9、lamis 发电装置的电力驱动部件置, 以扩大波浪发电项目, 还打算在苏格兰 Orca dian 波浪能电站推广使用该技术。( 2) 浮筒技术浮筒技术是指将由浮筒组件构成的浮筒长阵固定在离岸几英里的大海中, 那里波涛汹涌, 能量充沛。各家新能源公司在传统技术基础上设计、开发的浮筒技术各不相同。加拿大菲那维拉再生能源公司设计了水上浮筒 AquaBuOY, 其发电原理是通过二级软管泵加压海水、进而驱动涡轮发电机发电, 所发之电经水下电缆传输回陆地。目前, 菲那维拉再生能源公司正在葡萄牙菲盖拉达福什( Fiqueria de Fo z) ,对一台采用 AquaBuOY 技术的 2 M W 级商用发电

10、设备进行第一阶段的测试。如果该项试验能够获得成功, 则再建一座 100 M W 级的波浪能电站。苏格兰 AWS 海洋能源公司则开发出固定在水下的浮筒发电系统, 参见图 3。该发电系统利用阿基米德波动原理, 被称作阿基米德波动技术。当波浪涌动时, 浮筒内的加压汽缸会引起浮子震荡, 震幅的大小取决于汽缸在水体不同深度所承受的压力。阿基米德波动装置于 2004 年获得试验成功。苏格兰政府已经拨款 200 万英镑给 AWS 海洋能源公司, 以支持其对该技术的开发,并逐步将该技术推广到商业运营之中。Ocean Navitas 公司开发的 Aegir Dy namo 技术, 是直接将波浪能转化为电能。Oc

11、ean Navitas 公司已经在苏格兰奥克尼郡( Orkney s) , 对一台采用该技术的 1 M W h 浮筒发电项目进行了测试, 并打算在威尔士海岸部署一个由 5 个浮筒组成的浮筒阵。由美国研发的 Pow er T ake Off( PT O) 可以捕捉到波浪能, 并将其转化成电能后加以储存。33可再生能源利用上海电力2009 年第 1 期Iberdrola 再生能源公司正在对该项技术进行测试, 估计一个由 10 个 PT O 浮筒组成的浮筒阵, 可以发电 1. 24 M W。( 3) 防波堤及岸边技术作为 Voith 西门子水力公司旗下的 Wavegen 公司将波浪能发电技术融入到位

12、于防波堤和沿海防护设施上的电站建设中, 利用海浪的落差效应, 开发了基于振荡水柱原理 ( Oscillating WaterColumn, OWC) 的防波堤涡轮机。每台涡轮机的输出功率图 3 阿基米德在 20 100 kW 之间。其工波动装置作原理是: 当海水涌向岸边时, 由波浪引起固定在岸边的部分浸没、底部开口的中空舱室内的表面水体发生振荡, 这种振荡不断地对舱室上方的空气柱进行加压与减压, 由此造成的压力差去驱动涡轮发电机, 把动能转化成电能, 参见图4。图 4 防波堤涡轮发电原理目前, 西班牙大西洋沿岸的 Mutriku 正在建设世界首座防波堤电站。Wavegen 公司还开发出岸式海洋

13、能源转化设备( LIM PET ) , 其工作原理同样是基于振荡水柱原理。能源转化器将能量输送给一对对涡轮机, 每台涡轮机驱动一台 250 kW 发电机。LIMPET 原型 Lim per 500 安装在苏格兰艾莱岛的实验电厂, 正在进行完善化测试,目前运转良好。一旦试验获得成功, LIMPET 技术则将会被一系列的商业发电机应用。( 4) 漂浮平台技术Wav e Dragon 是一座装有动力涡轮机的大型漂浮平台, 其发电量与低水头水力发电站相当。漂浮平台将其收集能量的触手伸向迎面涌来的波34浪, 将波浪汇集到 Wave Drag on 前部的坡道上,由此增大波浪在坡道上的浪高, 有助于海水越

14、过坡道后进入其后的水库。水流驱动 Wave Drag on 底部的涡轮机, 以此来进行发电。2007 年一座 7 MW 级 Wave Dragon 在英国西南威尔士的 Pem brokeshire 投入试验, 并将在 2008 年正式投入使用。2. 2潮汐能潮汐能是以势能形态出现的海洋能, 是指海水潮涨和潮落形成的水的势能与动能。潮汐与波浪存在诸多差别。波浪运动只涉及表层海水, 而潮汐运动则是整个水体都参与其中; 波浪充当了能量的载体, 而潮汐只是单纯的水体运动。此外,潮汐能的利用开发对地理环境的要求比波浪能高得多。虽然世界上只有少数港口具备开发潮汐能的理想条件, 但对于潮汐能发电设备的研究已

15、经十分广泛。尤其是英国, 在潮汐能开发领域方面处于世界领先的水平。最近, 英国可持续发展委员会( SDE) 的报告指出, 综合英国的地理因素, 潮汐发电有望满足英国 10% 的能源需求。这一报告将进一步促进英国的潮汐能开发进程。目前将潮汐能转化为电能的技术主要有以下几方面:( 1) 拦河坝系统拦河坝系统是指在跨海大坝中安装门控水闸和低水头水轮发电机, 利用水坝两侧的水位差进行发电, 这是一种传统的潮汐能发电方式。该技术在芬迪湾的安纳波利斯电站和法国朗斯电站的应用取得了成功。荷兰乌德勒支大学的研究者认为, 除去成本问题和环境影响外, 拦河坝系统具有可行性, 并提出若在红海的 Bab al Man

16、ab 海峡建造 32. 18 km 长的拦河坝, 那么发电量可达 50 GW。英国政府正在考虑在英格兰和威尔士之间的Serevn 河口建造 16. 09 km 长的拦河坝。这项由SDE 提出的方案如果一旦被采纳, 建成后年发电量将达到 8. 6 GW, 可满足英国能源需求的 5% 。英国政府已拨款 1 400 万英镑( 约合 2 800 万美元) 进行了可行性研究, 预计该项目将于 2010 年初完成。加拿大 Blue 国际能源公司正在对芬迪湾的安纳波利斯电站进行技术改进, 以期获取更多的能量。为此, 他们提出了! 潮汐篱笆概念。所谓2009 年第 1 期上海电力可再生能源利用! 潮汐篱笆就是

17、指采用一些水平配置的独立竖轴涡轮机组在海上排列后, 使得潮汐两面的能量皆可获取。该公司生产的 6 组原型组件正在接受加拿大国家研究委员会的评估。( 2) 潮流涡轮机潮流涡轮机是大型的独立涡轮机, 其工作原理与风电涡轮机类似, 但由于海水密度是空气密度的 850 倍, 因此潮流涡轮机要承受的能量密度比风电涡轮机高得多。2008 年 4 月, 在北爱尔兰的 Str angford Laugh 安装了世界首台投入商业运营的潮流涡轮机。该涡轮机长约 37. 2 m, 装机容量高达 1. 2 MW, 外观上就像是倒立的风电机, 被称为Seagen。爱尔兰国家电力公司旗下的 ESB 独立能源公司将负责售电

18、, 它是第一批向公众提供潮汐发电的公用事业企业。( 3) 深海潮汐发电深海潮汐发电技术是指在深海部署涡轮机,以期从快速流动的深海潮流中获取能量。英国 Lunar 能源公司规划建造两座深海潮汐发电场。一座位于英国南威尔士 Pem brekeshir e 的海底,由 8 台水下涡轮机组成。另一座则将与韩国Midland 电力公司合作建造, 在韩国沿海 Wando H oeng gen 水域部署 Rotech 300 涡轮机。该项目规模巨大, 计划投资 10 亿美元。Lunar 能源公司使用的是 Ro tech 潮汐发电用涡轮机, 每台涡轮机高达 18. 29 m, 叶轮直径为11. 5 m; 管道

19、直径为 15 m, 长19. 2 m。整台涡轮机置于重达 2 500 t 的基座中, 该基座装有涡轮机、发电机、电动机和电力设备, 参见图 5。Lunar 能源公司的深海潮汐发电场项目中已经包含了资源研究和可行性研究。如果试验获得成功, 这座深海潮汐发电场将在 2015 年投入运营。2. 3潮流能潮流能是指海水流动的动能, 主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。在诸如风力、温差、盐差和地转自转偏向力等因素的影响下, 海洋水体处于日以继夜的运动中。在风能和太阳能的作用下,从海洋表面到其以下的 396. 24 m 区间, 会产生表面洋流, 约占海水总量的十分之一

20、。美国矿产管理协会研究表明, 某些海域的密图 5 Rotech 涡轮机度高达 1. 5 kW 每平方力, 那里蕴藏着大约 5 000 GW 的能量。其中, 湾流所携的能量十分惊人。据估计, 湾流能量的千分之一便是尼亚加拉瀑布总能量的 21 000 倍, 是世界淡水河总能量的 50 倍。只要获取这千分之一的能量, 就能满足佛罗里达州 35% 的用电需求。与其他海洋能发电技术相比, 利用潮流能发电的技术研究目前仍处于初级阶段, 包括 H am m er fest Stro m 公司的浸没式风型涡轮机在内的一些模型和示范装置还在开发中。潮流能发电技术的应用虽潜力巨大, 但也存在着不少问题, 既涉及复

21、杂、昂贵的维护工程, 也可能对脆弱的海洋生态系统会造成潜在破坏。独立的中心开放式涡轮机, 包含内外两个圆盘, 外盘固定, 内盘旋转。该涡轮机不仅适用于潮汐流发电, 也适用于潮流能发电。Gulfstream 能源公司开发的涡轮机设计安装在距佛罗里达州海岸大约 8 km 处、距海面 60. 96 m 的海底, 那里平均洋流速度保持在 5. 59 km/ h 左右, 所安装的涡轮机可发电 2. 5 M W。由 OpenH y dro 公司开发的中心开放式涡轮机, 在潮汐能发电的应用上取得了良好的效果, 因此公司将参与在芬迪湾进行的试验项目。Open H ydro 公司的中心开放式涡轮机含有一个自容式

22、轮转轴和一个固体的永磁发电机, 而涡轮机则被包裹在一个外轮框中, 参见图 6。2. 4海水盐差能盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能。盐差能发电是35可再生能源利用上海电力2009 年第 1 期图 6 中心开放式涡轮机利用两种含盐浓度不同的海水化学电位差能, 将其转换为有效电能。据估计, 全世界因海水和淡水的盐差( 或盐度区分) 形成的能量高达 35 亿 kW, 可利用的有 2. 6 TW。它利用压力延迟渗透( PRO) 发电, 压力延迟渗透是指用半透膜将海水与淡水隔开, 然后在半透膜一侧用水泵抽取海水, 使其渗透压达到 60% 85% 。淡水在渗透压的作用下扩散

23、到半透膜的另一边稀释海水, 在稀释海水的同时增大了海水量, 从而升高了盛有海水容器的内部压力, 进而驱动涡轮发电机发电。PRO 被认为是逆渗透过程, 其实质是从淡水的流动中获取能量, 该技术一般应用于海水淡化和水处理。通过与挪威科技大学近 10 年的合作研发, 挪威电力公司 Statkraft 取得了十分可观的成果, 他们已经开发出一种高效透膜。2007 年, Statkr aft 公司开始建设世界首座渗透型海水盐差能电站,位于奥斯陆陆菲尤尔的托夫特( To fte) , 预计于 2008 年底完工, 届时该电厂可发电 2 4 kW。2. 5海水温差能海水温差能也被称做海洋热能, 是因深部海水

24、与表面海水的温差而产生的能量。全世界海洋蕴藏的海水温差能量大约能够发电 600 亿 kW。海洋可以吸收并贮存大量的太阳能。美国国家可再生能源实验室的研究表明, 59. 57 # 106 km 2 的热带海洋, 可以吸收的太阳辐射相当于 2 500亿桶原油产生的热能, 其能量的十分之一便是全美一天用电需求的 20 倍。这种将太阳辐射热能转换成电能的技术, 可称之为海洋温差发电( Ocean Thermal Energ y Conversio n, OTEC ) 。 36它是利用表面海水与深海海水之间的温差来驱动发电设备发电, 这种温差在 20 左右或者更高些。除了产生清洁的可再生能源, 通过 OT EC 循环还能得到多种有用的副产品, 其中包括从深水中萃取出的锂、铀, 以及