潮流发电_一种开发潮汐能的新方法

1、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 :T K 79文

2、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, C UI Be-i bei, QIU Yu -chen(Shanghai M unicipal Electric P ow er Company Shang ha i 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

3、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 240M W 潮汐电站 , 还是近期即将建成韩国希洼湖 254M W 潮 汐 电 站或 者 英 国 正 在酝 酿 的

4、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:/w w w. foe. co. uk/cymru/eng -lish/new s/severn_barrage_report. html 和 http:/ ww w. marinet. org. uk/r efts/sev er n. html 以及 ht -tps:/secure. w w f. 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

5、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 1030r/m in , 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

6、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 (H or izontal 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 TECH NOLOGYV ol. 30N o. 4 A ug. 2009 海流涡轮 (M arine Cur rent T urbines Ltd. (M CT 公司的 SeaGen 系 列产 品以 及爱 尔兰 OpenH

7、 ydro 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. 2M W,并已进入商业运行阶段。 图 1 M CT 公司的 SeaGen潮流发电机组 图 2 OpenH y dr o 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 (Blue Energy 公司 , 目前最大单机容量可达 250kW 。 (

8、3 振荡水翼技术 (Oscillating H ydr ofo il 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 (BioPo w er 公 司研制的产品 , 分别见图 4和图

9、5。图 3 Blue Energ y 公司的潮流能机组示意图图 4 Pulse G enerat ion公司的振荡水翼机组图 5 BioPo wer 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 Ener gy 公 司 的 RT T (the Rotech Tidal T urbine 技术 , 海 王星 可 再 生能 源 (Neptune Re -new able Ener gy

10、 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#图 6 L unar Energ y 公司 RT T 潮流发电机组图 7 N eptune Renewable Energ y 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

11、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 ,

12、 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 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 (M ar ine Current Turbines 公 司在 英 格 兰 德 文 的 Lynmouth 外 海 安 装 了 一 台300kW 的 Seaflo w 海流 涡轮原型 机3(SeaGen

13、技术的前身 。同年 11月 , H amm erfest Strom 公司在 挪威 哈 默菲 斯 特 (H am merfest 以南 的 克 瓦尔 松 (Kv alsund 外海安装了 一台 300kW 的原型 机 4。 2008年 4月 , M arine Current Turbines(MCT 公司 采用 SeaGen 技 术 在 北 爱 尔 兰 斯 特 朗 福 德 湖 (Strangford Loug h 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. 2M W, 已经投入商业运行 , 是目前世界上唯一的 商业运

14、行机组。2007年 4月 , Ver dant Pow er 公司在纽约城的 东河 (the East Riv er 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 BC T idal Energy 公司宣 布与 M arine Cur rent Turbines 公 司合 作 , 规划 在 2009年 在 温 哥 华 Campbell 河 建 设 至 少 3台 1. 2M W SeaGen 潮流发电机组 6。 2007年 10月 , 英国 Lunar Energ y 宣布他 们将在

15、威尔士 的 Pem -br okshire 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 8M W, 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 M ar ine 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. 5M W 的潮流电站场8。 2009年 4月 , 爱尔兰 OpenH ydro 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

16、项目受到美国能源部高级 水利电力项 目部资助 , 安装 3台 OpenH ydro 公司 OCT(Open Centr e 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 4#225#月底 , 加拿 大 新 斯科 舍 省 电 力 公司 (Nova Scotia Pow er 与 OpenH ydro 签订 合同 , 将在芬迪 湾 (the Bay of Fundy 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

17、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 公司名称 技术名称 国家 一 轴流叶轮技术1Aquamari

18、ne Pow er Neptun e 英国 2H amm erfes t Strom T idal Stream T urbine 挪威 3M arine Current Turbines Seagen, S eaflow 英国 4OpenH ydro Open Centre Tu rbine 爱尔兰 5SM D H ydrovision T iDEL 英国 6Verdant Pow er Various 美国 二 横流叶轮技术1Blu e Energy Blue En ergy Ocean Tu rbine 加拿大 2GCK T echnology Gorlov T urbin e 美国 3

19、Natural C urren ts Red Haw k 美国 三 振荡水翼技术1Pulse Gen eration Pulse Generators 英国 2Th e Engineering Buisin ess Stingray 英国 3U EK Corporation Underw ater E lectric Kite 美国 四 套管叶轮技术1Clean Current Pow er Sys tems Clean Curr ent Tidal Tu rbine 加拿大 2Lunar E nergy Rotech Tidal T urbine 英国 3Neptune Renewable

20、Energy Ltd Proteus 英国 五 其他技术1Atlantis Resources Corp Aquanator /轴流履带叶轮发电系统 , 有点像坦克履带 澳大利亚 2H ydro -Gen H ydro -gen/一个浮在水面的波轮发电系统 , 需狭窄流道 法国 3Neptu ne Systems M agneto Hydro Dynamics/无转动件的水 -磁发电系统 荷兰 4Ponte di Archimede Kobold Turb ine /漂浮平台的横流叶轮发电技术 意大利 5T idal E lectric T idal Lagoon s /浅海围堰发电系统 英国

21、 /美国6Vortex H ydro En ergy VIVACE (Vortex In duced Vibr ations Aquatic Clean Energy /涡流摆动发电系统 , 用于低速流环境美国7Water W all T urbin e WW Tu rbine /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 M W美国 /加拿大注 :表格按照公司名称的字母顺序进行排序。 #226#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 100M W 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

22、 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

23、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

24、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 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

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26、r dantPo wer 公司 . 美 国 能源 部 选 择 V erdantPow er 公司开发 高级潮流水电 项目 EB/OL .http:/w ww. v erdant pow er. 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:/w w w. alter native -energ y-new s. info/pr ess/tidal-pow er -west -co ast -canada/.7ChubbyBrain. Planet -scale tida l stream energ y

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