[德] J.魏萊普

主要由于石油和天然氣的漲價,導(dǎo)致對各種可再生能源的需求日益增加。即使海洋能源(波浪和潮汐能)的利用領(lǐng)域還處于萌芽狀態(tài),但人們對開發(fā)利用海洋波浪和潮汐能的興趣與日俱增,尤其是已經(jīng)引起歐美公用事業(yè)部門的注意。在他們看來,目前的可再生能源利用形式幾乎不能滿足其雄心勃勃的開發(fā)清潔能源的目標。20世紀 90年代以來,該行業(yè)主要由追求理想的發(fā)明家所推動,這種興趣的增長對促進海洋能源的開發(fā)利用領(lǐng)域具有積極意義。

至今,只有幾家公司擁有接近商業(yè)可行性的開發(fā)可再生能源的技術(shù),還有約 20～30家公司掌握著有前景的產(chǎn)品開發(fā)的基本原理,不過,都還處于早期試驗和原型機的階段。幾乎所有這些公司都是由政府、(法人的)風險資金、公用事業(yè)機構(gòu)提供資金或自籌資金。對于大多數(shù)處于起步階段的公司,卻難以獲得足夠的資金。參與該領(lǐng)域的大型工業(yè)公司仍然寥寥無幾。

預(yù)計海洋能源的生產(chǎn)成本高昂,尤其是對于規(guī)模比較小的公司,有時會感到力不從心。有幾家開發(fā)商已經(jīng)宣布了幾個數(shù)兆瓦級的工程,但是,全球?qū)嶋H連網(wǎng)的額定容量幾乎不超過 2～3MW。實際上,沒有一個工程宣布能準時發(fā)電。通常至少要拖延 1 a,原因很多,比如:缺少資金;為爭取租用海洋安裝船只,不得不與石油和天然氣部門進行日益激烈的價格競爭(以及即將與近海風電行業(yè)的競爭);最后是要應(yīng)付苛刻的海洋環(huán)境的技術(shù)挑戰(zhàn)。一般性問題還沒有得到解決,甚至連問題本身都還沒有弄清楚,大多數(shù)公司仍處在模索階段,采用的是檢誤方法,曾經(jīng)在試驗中導(dǎo)致幾個裝置葉片掉落,甚至連裝置本身也沉沒了。

因此,每個開發(fā)商首先必須證明其基本原理的可靠性。盡管能源的生產(chǎn)成本很重要,但也必須考慮產(chǎn)品整個使用周期中的成本。一臺便宜的海洋能源裝置,如果每年要停產(chǎn)幾次,并需要進行昂貴的海上維修工作,最終其成本要比基本上不需進行維護的堅固裝置貴得多。該技術(shù)必須保證發(fā)電裝置本身非常堅固與可靠。在運行期間,尚未實現(xiàn)的每項技術(shù)特性不能失效。

福伊特水電公司的子公司瓦弗根(Wa v e g e n)公司正在遵循該設(shè)計原則,利用固定槳距的韋爾斯(We ll s)水輪機功率輸出裝置開發(fā)出陸基振蕩水柱技術(shù)。瓦弗根公司已經(jīng)將該項技術(shù)移植到幾種水輪機上,共獲得超過 40000 h的連網(wǎng)發(fā)電時間。利用其最新的韋爾斯水輪機發(fā)電,其運行時間比已經(jīng)超過了 90%。

1 商業(yè)上可行的波浪發(fā)電概念

1.1 陸基振蕩水柱驅(qū)動韋爾斯渦輪機

將波力轉(zhuǎn)化為電力,有幾種基本原理。瓦弗根公司致力于振蕩水柱(O WC)技術(shù)的研發(fā)。

水面用一個人工頂覆蓋,在水線以下設(shè)有一些開口。通過這些開口,水可以進入空氣室,因此,波浪可以傳播進空氣室。波浪運動引起水面升降,周期性地給水面與人工頂之間圍成的空氣柱加壓與減壓。用空氣渦輪機將周期性壓力變化轉(zhuǎn)化為電能。因為空氣的密度和粘度低(與水相比),這些空氣渦輪機能以非常高的轉(zhuǎn)速運行(最高 4000 r/m in)。因此,O WC技術(shù)不需要齒輪箱,還可用于非常小的發(fā)電機。

2000年以來,瓦弗根公司一直在運行著位于蘇格蘭艾萊島上與電網(wǎng)連接的岸上利姆佩特波浪發(fā)電站(陸基海洋電力能源變換器)。O WC空氣室用鋼筋混凝土制造,傾斜角為 45°。水面上的空氣通過幾個圓形開口導(dǎo)向渦輪機。原先的利姆佩特電站配備有一臺 500kW的渦輪機,其能量后來降級到 250kW。收集器的第 2個開口,用于試驗較小的渦輪機(也與電網(wǎng)連接),以進一步優(yōu)化和積累不同尺寸渦輪機的運行經(jīng)驗。

瓦弗根公司采用韋爾斯渦輪機技術(shù),用空氣流的動力發(fā)電。該空氣渦輪機的主要難點是使之與周期性變化的氣流速度和方向保持協(xié)調(diào)一致。可采用各種方法達到此目的。在每個波浪周期中,韋爾斯渦輪機既不改變旋轉(zhuǎn)方向,也不改變?nèi)~片的漿距角(每年約有 300萬個波浪周期！),而是將渦輪機調(diào)整到與氣流的對稱位置。為此,相對于旋轉(zhuǎn)平面,轉(zhuǎn)子斷面必須對稱;葉片既不發(fā)生扭轉(zhuǎn),也不以某個角度定向。韋爾斯水輪機不能自起動,必須先要將它加速到最低轉(zhuǎn)速。正如圖 1所見,合成空氣流流速的速度三角形由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生,空氣室的疊加空氣流沿旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生一個升力分量。如果空氣流的方向改變,升力矢量在旋轉(zhuǎn)平面反射,同時保留向前驅(qū)動的升力分量。因此,不管空氣室是“吸入還是呼出”,均能使韋爾斯渦輪機加速。

圖 1 韋爾斯渦輪機在相同方向旋轉(zhuǎn)(a),與空氣流方向無關(guān)(b)

利用這一簡單的概念,可建造只有幾個主動部件的非常堅固的渦輪機,因此,可將在海洋環(huán)境中運行時可能出故障的部件數(shù)目減到最少。但是,發(fā)生故障的可能性依然存在,因為關(guān)于這門新技術(shù)仍有許多未知的東西需要研究。瓦弗根公司目前的重點是在岸上應(yīng)用該裝置,因為方便易行,不需要任何專門的船只或其他海洋設(shè)備就可以操作。即使將技術(shù)工作原理已經(jīng)研究得很透徹,但是如果馬上就把它安裝到海上運行,一個螺絲的松動或者一個熔斷器的熔斷,都可能造成長時間的停產(chǎn),維護費用將十分昂貴。因此,這項新技術(shù)并非只是岸基的,但只有在岸上把試驗研究做得徹底成熟,才能多快好省地在海上運用。

1.2 提高可靠性

在 1 a多的時間里,瓦弗根公司制造并成功地試驗了 10臺不同尺寸和額定功率的韋爾斯渦輪機。機組經(jīng)過了高度優(yōu)化和試驗,其直徑為 750mm,額定功率為18.5kW。在西班牙的穆特里庫港,對 16臺這種機組進行了試運行。在該港口將修建一條新的防浪堤,以保護港口。利用這條新建的防浪堤進行波浪發(fā)電項目試驗,可以起到一箭雙雕、互利雙贏的效果,而且通過分攤投資,節(jié)約了試驗成本。

顯然,僅僅針對節(jié)省能源的生產(chǎn)成本而言,這樣一個小項目(296kW)還不能在商業(yè)上推廣。在市場商業(yè)機制條件下,該電站的業(yè)主巴斯克電業(yè)局傾向于在一個有廠房遮蔽的環(huán)境中試驗該項技術(shù)。一旦技術(shù)成熟,大西洋沿岸(歐洲海浪資源最豐富的海域之一)的其他項目會接踵而來。

該工程本身得到了歐盟第 6框架(F P 6)研究計劃的部分資金支持。土建工程和機電設(shè)備制造均按時完成。在這里值得一提的是,穆特里庫工程是目前正在執(zhí)行的F P 6計劃中唯一的一項波浪發(fā)電項目。

這臺裝機容量為 18.5kW的機組在不同的發(fā)電條件下已成功并網(wǎng)運行了約 25000 h。而渦輪機的最新發(fā)電和生產(chǎn)型號,在 16000多個小時的時間段里,已達到 90%以上的不間斷運行時間比(不計研發(fā)或其他試驗活動所占的時間)。在業(yè)界內(nèi),其可靠性是最高的。但是,與其他開發(fā)商一樣,瓦弗根公司在研發(fā)的初期,這個數(shù)字要低得多。圖 2表示了多年來不間斷運行時間比的發(fā)展。

1.3 錫亞達波浪電站工程

2006年以來,瓦弗根公司和德國能源集團因諾吉有限公司的英國可再生能源子公司——能源集團恩波韋爾可再生能源公司合作,開發(fā)了另一處蘇格蘭電站場址——外赫布里底群島的劉易斯島。其未來的發(fā)電潛力可能是目前發(fā)電量的 4～5倍。打算在一個新建的近岸防浪堤型波浪能量收集器中安裝總額定功率為 4MW(40臺 100kW的渦輪機)的發(fā)電機組。規(guī)劃將該收集器布置在離海岸約 300 m的海中,寬約 210 m。其建筑物將由一條堤道連接到陸地,以保護電線。

圖 2 在利姆佩特試驗中不同型號的韋爾斯渦輪機發(fā)電的運行時間比

用于該波浪電站工程后期安裝的 100kW的渦輪機正在制造之中,其轉(zhuǎn)子直徑為 1250mm。2008年 7月,在利姆佩特電站廠房制造了該渦輪發(fā)電機的首臺原型機,并在現(xiàn)場完成了機組的安裝和調(diào)試工作,目的是為了進行長期試驗和優(yōu)化。該型機組是瓦弗根公司設(shè)計并投入制造的一系列標準化參考機組型號中的第 2種。選取該型渦輪機的原因是其尺寸可以完全滿足將來實際應(yīng)用環(huán)境中波力的大小范圍。如果說,穆特里庫工程是瓦弗根公司走向海洋能源商業(yè)化的(也是波力發(fā)電工業(yè)的)里程碑,那么波浪電站工程的意義就更大了:它立足于自籌資金,并向蘇格蘭電力系統(tǒng)輸電。另外,它還能在高能波浪的環(huán)境中運行,尤其是在風急浪高的情況下。

該技術(shù)所面臨的下一個挑戰(zhàn)是接受可靠性檢測。對于恩波韋爾可再生能源公司來說,選擇瓦弗根公司作為技術(shù)合伙人的主要原因,恰恰是經(jīng)過長期的跟蹤和實證,顯示了瓦弗根公司技術(shù)的可靠性。

2 潮汐能發(fā)電技術(shù)的設(shè)計原理

雖然瓦弗根公司在波浪發(fā)電業(yè)務(wù)方面所具有的豐富經(jīng)驗可資借鑒,但是它在研發(fā)潮汐發(fā)電技術(shù)方面卻歷經(jīng)了一波三折。開發(fā)潮汐能發(fā)電是福伊特水電公司擁有的第 2項海洋能源開發(fā)技術(shù),其研發(fā)策略必須是基于從瓦弗根公司的波浪發(fā)電技術(shù)中盡可能多地吸取經(jīng)驗。這就意味著,工作重點使結(jié)構(gòu)簡單,并充分設(shè)想到各種困難因素,以此為從發(fā)點,然后再努力突破一切可能突破的障礙。

2.1 潮汐能發(fā)電簡介

潮汐能的利用已經(jīng)有很長的歷史了,人們通過修筑大壩來鎖住河口,利用周期性進出的水流的水頭發(fā)電。最著名的例子是位于法國朗斯(R a n c e)河河口圣馬洛(S t.M a l o)的拉朗斯(L a R a n c e)工程。該工程于1966年投入試運行,原理是利用潮汐貯存的動能發(fā)電。但是,水也通過島嶼之間的海峽進行周期性流動,最終流速可達到 4 m/s以上。水的密度為 ρ,流速為 v,斷面積為 A,則功率為(與風電等同):

水流動能可用所謂的“自由流”渦輪機提取,它是一種可將水流的部分動能轉(zhuǎn)換為電能的渦輪機。一臺轉(zhuǎn)子功率系數(shù)為cp,效率為 η的渦輪機,其額定功率為:

因為水的流速不能降低到零,功率系數(shù) cp受到所謂貝茲極限(B e t s l i m i t)16/25=59%的限制。

僅此而言,用于潮汐能的水輪機與風輪機的物理學(xué)原理是相同的。但是,在量與方向上卻有很大的區(qū)別:雖然海水密度約比空氣密度大 840倍,然而潮汐流的流速要低得多。同時,對于風輪機來說,流動空氣的方向較為發(fā)散,而潮汐流的流動方向相對集中。

圖 3表示所謂的“潮汐橢圓”,顯示在幾個潮汐周期內(nèi)速度矢量末端的分布情況。

圖 3 在一個典型的潮汐流中速度矢量分布端點的潮汐橢圓

毫不奇怪,目前為利用潮汐能發(fā)電而開發(fā)渦輪機的技術(shù),基本上與 20世紀 80年代用于風電場的渦輪機的相似。帶有 2個、3個或多個轉(zhuǎn)動葉片的水平軸水輪機,或垂直軸水輪機(H轉(zhuǎn)子),主要是通過齒輪箱驅(qū)動發(fā)電機。某些機器被設(shè)計成完全浸沒式,固定在海床上構(gòu)筑的重力式基礎(chǔ)之上,或者是固定在鉆注樁或夯擴樁上。還有其他一些類型的機器則被設(shè)計為水面漂浮式。

利用潮汐能發(fā)電的技術(shù)已經(jīng)達到與波浪能發(fā)電業(yè)相同的成熟度。額定功率為 300kW及以下的一些原型機已經(jīng)在運行之中,部分已經(jīng)連網(wǎng)供電。至今,幾年中未見發(fā)表關(guān)于連續(xù)運行和連網(wǎng)供電方面的技術(shù)細節(jié)。2008年 4月以來,第 1個裝機容量為1.2MW的商用規(guī)模的錫根工程已在愛爾蘭安裝完成。

有些人對用于潮汐能發(fā)電的機組與“水上風車”做了比較,結(jié)果認為,只是尺寸不同而已。初看起來,這種比較似乎合理,但是前者在技術(shù)上所面臨的挑戰(zhàn)卻完全不同。例如,因為渦輪機是放置在潮汐流中,必須解決旋轉(zhuǎn)軸密封的難題。因此,潮汐流渦輪機更像是風輪機和潛艇技術(shù)的結(jié)合物。

在潮汐發(fā)電機必須面對的主要挑戰(zhàn)中,最重要的在于以下幾個方面:

(1)適應(yīng)于周期性變化的水流方向;

(2)腐蝕保護;

(3)水中旋轉(zhuǎn)軸的密封;

(4)環(huán)境友好的、理想的無潤滑油設(shè)計;

(5)電纜保護;

(6)最低的安裝成本和收回成本,對于完全浸沒式機組來說,要想修復(fù)它,必須能在水中再次找到它。

雖然潮汐能資源是高度可預(yù)測的,而且也能使潮汐能發(fā)電技術(shù)的原理更加簡單,但是其主要挑戰(zhàn)都是來自于發(fā)電機的運行環(huán)境。為了控制運行費用,對于在水中運行的發(fā)電機組來說,顯然,其可靠性和堅固性才是最重要的。

2.2 潮汐能開發(fā)技術(shù)

潮汐能發(fā)電站有 3個主要功能群:基座結(jié)構(gòu)、發(fā)電輸出設(shè)備和安裝維護設(shè)備?；Y(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)領(lǐng)域中,一些高度專業(yè)化的研發(fā)公司目前正在興起,以滿足離岸風電技術(shù)的需求?；A(chǔ)的形式取決于現(xiàn)場條件,主要受土壤條件和水深的影響。因此,潮汐能開發(fā)商最好指定渦輪機發(fā)電機艙和基礎(chǔ)之間的連接型式并使之標準化,而不要試圖自行開發(fā)專門的基礎(chǔ)。

因此,福伊特水電海洋流技術(shù)公司的基本思想是集中于渦輪機的開發(fā),以及為顧客提供發(fā)電機艙的安裝、收回和維護方面經(jīng)濟可行的解決方案,包括在基礎(chǔ)設(shè)施較差、遠離陸地的條件下。

用于潮汐電站的水輪機有完全浸沒式、樁柱式以及采用的漂浮式,其原理不同,各有優(yōu)缺點,還沒有一種型式能夠占據(jù)絕對優(yōu)勢。福伊特水電公司已決定選取完全浸沒式,其優(yōu)點是:從岸上看不見,標準化潛力很大,基座材料最省;最明顯的缺點則是在修理和維護時,必須從油水中找回渦輪機。關(guān)于這一點,將在下面進行詳細討論。

2.2.1 電力輸出

為了使可靠性和簡易性最大化,開發(fā)的渦輪機結(jié)構(gòu)的設(shè)計技術(shù)避免了任何復(fù)雜性。其基本特性如下:

(1)用轉(zhuǎn)矩控制(可變速)技術(shù)代替帶有水下電子器件的變節(jié)距裝置。

(2)采用高性能優(yōu)化的對稱斷面以及擴大的性能帶寬,實現(xiàn)了雙向水流都能發(fā)電。該渦輪機的斷面類似一臺水泵水輪機,它被優(yōu)化為兼有水泵和水輪機兩種模式、以相同的效率運行。該方法避免了采用偏航系統(tǒng)或(幾乎)180°可變漿距角葉片。

(3)直接驅(qū)動,以免除齒輪箱的故障,也不需加齒輪箱潤滑油。

(4)永久磁鐵勵磁,以避免靜態(tài)勵磁和集電環(huán)傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

(5)利用潮汐水流周圍的水,直接冷卻發(fā)電機定子。

(6)利用讓水以受控方式流過渦輪機,故免除了旋轉(zhuǎn)軸密封的問題。

(7)海水潤滑軸承,不需要加潤滑油脂。

(8)無油設(shè)計,實現(xiàn)了對環(huán)境造成的不利影響最小化。

所述系統(tǒng)只有 2個主動部件:渦輪機軸和安全用制動器(甚至有除去制動器的可能性,不但不危及安全,還可加強系統(tǒng)的堅固性)。圖 4表示該渦輪機結(jié)構(gòu)的橫斷面。其余部件均為靜態(tài)或被動部件。

圖 4 渦輪機原理剖面

2.2.2 安裝、收回和維護的概念設(shè)計

在設(shè)計安裝、修理和維護時,原則上是要求能使運行的成本低以及有專用船只可用。一般船只需作較小的改裝,電站或發(fā)電場的業(yè)主起碼應(yīng)擁有至少一個像駁船那樣的平臺,用于到海中收回機器。對于擁有數(shù)百臺機器的發(fā)電場,相對費用就很小。難點是,如何確定所需的海洋設(shè)備,使一個只有一臺或為數(shù)不多的幾臺發(fā)電機的海上電場也能運作起來。

按福伊特水電公司的原理設(shè)計,要求有一艘平頂駁船,在外側(cè)端部裝一個起重架,其上安一個儀器箱,即所謂的“發(fā)電機回收模塊”(N R M),它可用安裝在甲板上的絞盤起吊。在維護操作之前,先將 2個浮筒連接到發(fā)電機的海床基座上,再將浮筒沉到海底。然后通過聲學(xué)設(shè)備讓浮筒重新浮上水面,其上各有一個導(dǎo)鏈,導(dǎo)鏈上系著發(fā)電機回收模塊。由一個推進器為發(fā)電機回收模塊提供動力,在照相機的支持下,發(fā)電機回收模塊可沿導(dǎo)鏈找到渦輪機。一旦找到渦輪機,即將發(fā)電機回收模塊調(diào)整到對準發(fā)電機艙,用液壓卡鉗夾住機艙并將其固定。然后,用絞盤將發(fā)電機回收模塊從海床上安全地吊出來,同時通過解開一個濕式配對連接器將電纜斷開。

收回渦輪機后,就用拖船將駁船拖到港口。在基礎(chǔ)設(shè)施差的港口,碼頭邊上可能沒有足夠的起吊能力。在這種情況下,駁船上可裝備 A形構(gòu)架,使駁船僅依賴甲板上的軌道系統(tǒng)就可起吊發(fā)電機艙。利用這種系統(tǒng),可以容易地把發(fā)電機艙拆解成適當尺寸的部件,然后用簡單的移動吊車吊運。用這種方法,可進行完全基于駁船的定期維護,因此可完全不依賴任何車間或裝卸基礎(chǔ)設(shè)施。

2.2.3 前 景

福伊特水電海洋流技術(shù)公司目前正在制造一臺110kW的實驗機組,其轉(zhuǎn)子直徑為5.6 m。該實驗機組定于 2009年底到 2010年初在韓國安裝。該機組的設(shè)計,旨在在真實工況下測試所有的新技術(shù)解決方案(即以水隙代替氣隙,海水潤滑軸承和雙向葉片)。該試驗的結(jié)果將反饋到原型尺寸的 1MW發(fā)電站的設(shè)計上。

3 結(jié) 語

如果能夠得到支持,海洋能源的開發(fā)技術(shù)將得到更好的發(fā)展。海洋能源是最年輕的可再生能源,其開發(fā)利用水平已經(jīng)達到風能在 20世紀 80年代時的技術(shù)開發(fā)水平。第 1個原型機概念正在進行商用階段。企業(yè)正開始關(guān)注支持該行業(yè)的發(fā)展,可再生能源的需求正在刺激公用事業(yè)公司的興趣,它們愿意承擔很大部分的開發(fā)風險,以便取得第一手的經(jīng)驗,并確保它們在該行業(yè)中的份額?；仡?20 a前,當時風電行業(yè)以 50kW的風輪機起步,即可以預(yù)測未來幾年的海洋能源行業(yè)的情景。最初的能源生產(chǎn)成本會很高,故障率也會很高,但這都是為了快速學(xué)習所付出的必要學(xué)費,隨著經(jīng)驗的積累,技術(shù)會很快提高。所有這些努力將實現(xiàn)效率高、成本有競爭力的潮汐能電站的成功開發(fā),就象目前世界上已普及的 2MW以上的岸上風力發(fā)電機一樣。

但是,該過程對于海洋能源行業(yè)來說還是需要費些時日的。初期的成功對于發(fā)展速度很重要,因為成功的試驗將會增加人們對這個新生行業(yè)的信任。開發(fā)商應(yīng)致力于設(shè)備結(jié)構(gòu)堅固性和簡易性的設(shè)計,以贏得投資者或業(yè)主/運營者的信心。

最后,是富有吸引力的電網(wǎng)饋入系統(tǒng)。如在德國實施的風電和光伏系統(tǒng),其可靠性使投資者擁有一個具有可控的、平衡的風險 -回報結(jié)構(gòu)的經(jīng)營項目,有利于加快研發(fā)技術(shù)的發(fā)展。