潮流发电_一种开发潮汐能的新方法
第30卷第4期2009年8月
能源技术
ENERGYTECHNOLOGY
Vol.30 No.4Aug. 2009
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)04-0223-05
TidalStreamPowerGeneration)))ANewApproachtoTidalEnergy
ZHANGYong,CUIBe-ibei,QIUYu-chen
(ShanghaiMunicipalElectricPowerCompanyShanghai200023,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240MW潮汐电站,还是近期即将建成韩国希洼湖254MW潮汐电站或者英国正在酝酿的塞文河8.6GW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0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10~30r/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(Horizontalaxisturbine) 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
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海流涡轮(MarineCurrentTurbinesLtd.(MCT))公司的SeaGen系列产品以及爱尔兰OpenHydro公司的OCT(OpenCentreTurbine)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1.2MW,
并已进入商业运行阶段。
图3 BlueEnergy公司的潮流能机组示
意图
图1 MCT公司的SeaGen
潮流发电机组
图4 PulseGeneration
公司的振荡水翼机组
图2 OpenHydro公司的OCT潮流发电机组
(2)横流叶轮技术(Verticalaxisturbine) 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250kW。(3)振荡水翼技术(OscillatingHydrofoil) 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(PulseGenera-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
。
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图5 BioPower公司的振荡水翼技术
(4)套管叶轮技术(VenturiEffect) 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(LunarEnergy)公司的RTT(theRotechTidalTurbine)技术,海王星可再生能源(NeptuneRe-newableEnergy)公司NP(TheNeptuneProteus)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、
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0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(MarineCurrentTurbines)公司在英格兰德文的Lynmouth外海安装了一台
图6 LunarEnergy公司RTT
潮流发电机组
300kW的Seaflow海流涡轮原型机
[3]
(SeaGen技
术的前身)。同年11月,HammerfestStrom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300kW的原型机。2008年4月,MarineCurrentTurbines(MCT)公司采用SeaGen技术在北爱尔兰斯特朗福德湖(StrangfordLough)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1.2MW,已经投入商业运行,是目前世界上唯一的商业运行机组。
图7 NeptuneRenewableEnergy公司NP潮流发电机组
[4]
2007年4月,VerdantPower公司在纽约城的东河(theEastRiver)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10MW[5]。
2007年11月,加拿大BCTidalEnergy公司宣布与MarineCurrentTurbines公司合作,规划在2009年在温哥华Campbell河建设至少3台1.2MWSeaGen潮流发电机组[6]。2007年10月,英国LunarEnergy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0,电站由8台25m长、15m高的机组组成,设计总容量为8MW,2008年夏进行基础建设,计划2011年投运
[7]
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
。
2008年2月,德国RWEAG公司宣布将与MarineCurrentTurbines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10.5MW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(OpenCentreTurbine)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4
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月底,加拿大新斯科舍省电力公司(NovaScotiaPower)与OpenHydro签订合同,将在芬迪湾(theBayofFundy)建设一个直径10m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6MW,年发电量超过10GWh
[11]
。2007年8月,国家发改委下发
了5可再生能源中长期发展规划6(发改能源[2007]
表1 世界主要潮流发电技术研究机构
序号
一123456二123三123四123五12345
横流叶轮技术
BlueEnergyGCKTechnologyNaturalCurrents
振荡水翼技术
PulseGenerationTheEngineeringBuisiness
UEKCorporation
套管叶轮技术
CleanCurrentPowerSystems
LunarEnergy
NeptuneRenewableEnergyLtd其他技术
AtlantisResourcesCorp
Hydro-GenNeptuneSystemsPontediArchimedeTidalElectric
Aquanator/轴流履带叶轮发电系统,有点像坦克履带Hydro-gen/一个浮在水面的波轮发电系统,需狭窄流道MagnetoHydroDynamics/无转动件的水-磁发电系统KoboldTurbine/漂浮平台的横流叶轮发电技术TidalLagoons/浅海围堰发电系统
VIVACE(VortexInducedVibrationsAquaticCleanEnergy)/涡流摆动发电系统,用于低速流环境
WWTurbine/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
澳大利亚法国荷兰意大利英国/美国
CleanCurrentTidalTurbineRotechTidalTurbineProteus
加拿大英国英国
PulseGeneratorsStingray
UnderwaterElectricKite
英国英国美国
BlueEnergyOceanTurbineGorlovTurbineRedHawk
加拿大美国美国
公司名称轴流叶轮技术AquamarinePowerHammerfestStromMarineCurrentTurbines
OpenHydroSMDHydrovisionVerdantPower
Neptune
TidalStreamTurbineSeagen,SeaflowOpenCentreTurbineTiDELVarious
英国挪威英国爱尔兰英国美国
技术名称
国家
6VortexHydroEnergy美国
7WaterWallTurbine美国/加拿大
注:表格按照公司名称的字母顺序进行排序。
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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100MW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[12][13]
港,以及长江口北支、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;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8kW及40kW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。
[14]
[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-scaletidalstreamenergy[EB/
OL].[2009-02-20]..
http://www.chubbybrain.
com/companies/lunarenergy/reviews/belindah.[8] Forbes.RWE计划在威尔士海岸安装10.5MW洋流
电站[EB/OL][2008-02-07].http://www.forbes.com/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-archive/34-tidal-projects/181-openhydro-wins-contract-for-tidal-project-in-puget-sound.
[10] 新斯科舍省电力公司.潮汐[EB/OL].http://www.
nspower.
ca/en/home/environment/greenhousegas-management/renewableenergy/tidal.aspx.
[11] 中国新能源网.我国海洋能总蕴藏量约8亿千瓦海洋
电力前景广阔[EB/OL].[2008-04-16].http://www.newenergy.org.cn/html/0084/4160816761.ht-ml.
[12] 世界能源金融网.海洋能源的资源储量与分布[EB/
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http://www.wefweb.com/
news/2009427/1003212764_0.shtml.
[13] 郭成涛.浅谈上海应用开发利用潮汐能源[J].华东
电力.2000,28(5):31-32.
[14] StephenHawboldt,缅因湾时报.GulfVoices:Tidal
power-Agreendream?[EB/OL].[2006-00-00].http://www.gulfofmaine.org/times/summer2006/gulfvoices.html.
[15] 中国环保网.中国的海洋能资源[EB/OL].[2005-06-11].http://61.129.67.23/nynx/nyjx/2005-06/11/450.html.
[16] 浙江网.亚洲第一座潮流能发电站在岱山发电[EB/
OL].[2005-12-22].http://gxxw.zjol.com.cn/zhoushan/2005/1222/10473.htm.
#227#
4 结论
潮流发电技术是一种/年青0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.