開發(fā)海洋水電能源

1 潮汐能開發(fā)

隨著人們對過度依賴化石能源的日益擔(dān)憂，尋找新的可再生和可持續(xù)能源已成為人們的重點關(guān)注目標(biāo)。尋找可行的替代能源也成為能源領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

地球表面的3/4都覆蓋著水，因而水順理成章地成為尋求替代能源進(jìn)而補充未來能源結(jié)構(gòu)的合理目標(biāo)。地球、月球與太陽之間引力的相互作用產(chǎn)生的動態(tài)潮汐能，成為一種可行的替代能源，這也是安德里茨水電公司(Andritz Hydro)子公司安德里茨水電哈默菲斯特(Hammerfest)公司的重點創(chuàng)新領(lǐng)域。該公司致力于設(shè)備制造，旨在開發(fā)清潔、可再生和可預(yù)測的潮汐能。

安德里茨水電哈默菲斯特公司所開發(fā)的第一款預(yù)先商用潮汐能發(fā)電機(jī)，于2011年底在歐洲海洋能源中心(EMEC)的一家潮汐能試驗場正式安裝。這是一套轉(zhuǎn)子直徑為21 m的海底座架設(shè)備，它利用漲潮和退潮雙向發(fā)電，平均每日發(fā)電時間可達(dá)17 h。

在歐洲海洋能源中心的現(xiàn)場試驗只是整個開發(fā)項目的最后一步。項目始于20世紀(jì)90年代中期，由挪威一家技術(shù)啟動公司——哈默菲斯特斯特羅姆(Hammerfest Strom)公司承擔(dān)，該公司曾于2003年在克瓦爾松(Kvalsundet)峽灣安裝了1臺300kW的潮汐發(fā)電水輪機(jī)。

這臺原型設(shè)備已在挪威運行數(shù)年，是第一臺永久并入公共電網(wǎng)的潮汐發(fā)電水輪機(jī)，已運轉(zhuǎn)17000多小時，發(fā)電量的98%被輸入公共電網(wǎng)。

當(dāng)前的這臺HS1000設(shè)備是一個水平軸單轉(zhuǎn)子固定連接艙雙向發(fā)電水輪機(jī)，葉片長度為9.5 m，最大節(jié)距角為280°。轉(zhuǎn)子節(jié)距角和發(fā)電機(jī)扭矩由軟件控制可達(dá)到最佳運行效率，發(fā)電潮汐流速為1～4 m/s。

HS1000水輪機(jī)適用于水深為30～100 m、浪高為10 m的水域，它可以在最極端的海洋環(huán)境下安全運行。

HS1000水輪機(jī)由一個重為150 t、高為22 m的地下工程固定，地下工程上又壓蓋了800 t的壓重，以防止地質(zhì)斷層或其他極端環(huán)境條件下出現(xiàn)滑坡或傾覆。水輪機(jī)由一個長為 3.5km的海下電纜與海岸相連，電纜配備高壓輸電芯和光纖通信網(wǎng)絡(luò)。

2 設(shè)備安裝

HS1000水輪機(jī)于2011年12月在歐洲海洋能源中心利用近海工程船進(jìn)行安裝，分為3個階段:

(1)將地下工程放置到海底;

(2)進(jìn)行壓載;

(3)須將連接艙與地下工程相銜接。

在蘇格蘭的嚴(yán)冬條件下，全過程完成只用了32 h。當(dāng)時監(jiān)測到的最大風(fēng)速達(dá)100海浬/h，因此為充分利用每一個出現(xiàn)的天氣狀況，必須進(jìn)行周密計劃。

迄今為止，設(shè)備的良好運行狀態(tài)已超過預(yù)期，HS1000水輪機(jī)不僅遵循了預(yù)計的發(fā)電曲線，而且絲毫沒有超出設(shè)計的荷載包絡(luò)線。在充分運行狀態(tài)下，每年發(fā)電量可達(dá)400多億kW·h。

下一階段的測試工作將持續(xù)大約半年時間，將重點圍繞水輪機(jī)的可利用率與可靠性展開評估。設(shè)備每月的能源產(chǎn)出及同期的水輪機(jī)效率將由一個獨立的第三方來計算，并由此證明HS1000水輪機(jī)已達(dá)到并超出其設(shè)計性能目標(biāo)。

3 商業(yè)化之路

對300kW的哈默菲斯特斯特羅姆原型及HS1000水輪機(jī)開展的廣泛性能測試，已經(jīng)為該技術(shù)的商業(yè)化做好了充分準(zhǔn)備。目前正在對設(shè)計做進(jìn)一步的改進(jìn)，以提升全球各潮汐能發(fā)電地點的能源捕獲潛力。這些改進(jìn)包括為每個潛在潮汐發(fā)電場址的轉(zhuǎn)子葉片幾何進(jìn)行詳細(xì)的水動力學(xué)優(yōu)化，并針對漲潮與退潮方向并不完全吻合的地點引入偏航機(jī)制。

挪威第一臺潮汐發(fā)電機(jī)安裝至今已10a有余，安德里茨水電哈默菲斯特公司正努力在全球?qū)崿F(xiàn)該技術(shù)商業(yè)化的可行性應(yīng)用。

首批將為蘇格蘭可再生能源公司在艾拉海峽(Sound of Islay)規(guī)劃建設(shè)的10MW潮汐發(fā)電站，以及梅簡(Mey Gen)公司在彭特蘭(Pentland)海峽內(nèi)灣(Inner Sound)規(guī)劃建設(shè)的86MW潮汐發(fā)電站提供水輪機(jī)設(shè)備。

艾拉海峽工程位于艾拉島到內(nèi)赫布里底(Inner Hebrides)群島之間的潮流上。這項大型開發(fā)工程最初由蘇格蘭政府批準(zhǔn)建設(shè)，其工程選址有以下3個方面的原因:

(1)潮流迅速但不湍急(最高3.4 m/s);

(2)地點有遮蔽，易于設(shè)備安裝，可便于全年進(jìn)行維護(hù)和監(jiān)測;

(3)4km之外即可在艾拉接入國家電網(wǎng)。

每臺機(jī)組生產(chǎn)的電流將通過 6.6 kV的電纜輸送到一座近海變電站，在此調(diào)壓至33 kV，然后輸入艾拉的國家電網(wǎng)。產(chǎn)出電量預(yù)計可滿足島上3000居民的用電需求，同時也可為當(dāng)?shù)貛准彝考删茝S提供電力。

除此之外，蘇格蘭可再生能源公司還計劃將這一水輪機(jī)用于彭特蘭海峽正在考察規(guī)劃的一座更大型的潮汐能發(fā)電站。該電站計劃裝機(jī)容量為95MW，目前正在進(jìn)行選址評估考察，期待可以在該電站中使用更大裝機(jī)容量的HS1000水輪機(jī)。預(yù)計在未來的2～3 a之內(nèi)可獲得批準(zhǔn)進(jìn)行項目建設(shè)。

4 MeyGen項目

MeyGen潮汐能項目是世界領(lǐng)先的海洋能源開發(fā)項目，將在歐洲潮汐能最豐富的地點開發(fā)潮汐資源。MeyGen公司獲得了英國皇家財產(chǎn)局對該地區(qū)的租賃協(xié)議，項目所在區(qū)域位于斯特洛馬(Stroma)島與蘇格蘭大陸東北角之間的海峽(內(nèi)灣)。該海域潮流迅速(可達(dá)5 m/s)，預(yù)計到2020年，發(fā)電量可供 40000戶蘇格蘭家庭使用。

項目將分期建設(shè)，采取“邊開發(fā)邊觀察”的策略，一期工程最多安裝86臺水輪機(jī)(86MW)?？紤]到該項目首先需要證明這種能源開發(fā)理念的可行性，MeyGen公司計劃先在內(nèi)灣安裝最多6臺機(jī)組作為示范工程，隨后再陸續(xù)開發(fā)其余的租賃區(qū)域。

示范工程將提供水輪機(jī)組與外圍環(huán)境之間互動情況的重要信息，從而為后續(xù)階段的詳細(xì)設(shè)計與水輪機(jī)安裝奠定基礎(chǔ)。

項目一期工程期間，每臺水輪機(jī)都會有其專門的輸出電纜，通過基巖中的水平鉆孔將其與海岸相連。在岸上會將電纜匯聚，并將輸出電流變?yōu)楦邏弘娏?，再輸入國家電網(wǎng)。

MeyGen公司須與安德里茨水電哈默菲斯特公司密切合作，以確保工程的相關(guān)技術(shù)能夠應(yīng)對該地區(qū)可能出現(xiàn)的極端環(huán)境狀況。

5 未來安裝

示范工程的成功是全面開發(fā)該地區(qū)潮汐能資源的關(guān)鍵步驟。作為示范工程，艾拉工程與MeyGen工程都將提供重要的項目信息與經(jīng)驗，為未來這項新技術(shù)的大規(guī)模開發(fā)與商業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

英國大部分最適合開發(fā)潮汐能的沿海水域都?xì)w屬英國皇家財產(chǎn)局管轄，該局已頒發(fā)了1000MW裝機(jī)的潮汐能開發(fā)許可。除了英國之外，全世界其他適合開發(fā)潮汐能的地點包括加拿大、美國、挪威、法國、智利、印度、東南亞以及澳大利亞的很多地區(qū)。對這些地區(qū)潮汐能的商業(yè)開發(fā)也正在研究當(dāng)中。全球潮汐能開發(fā)的總裝機(jī)容量為10～100 GW。