劉萬(wàn)久 張 皓 黎俞琳 韓有才

（四川大學(xué)水利水電學(xué)院， 四川 成都 610065）

十三五規(guī)劃提出“加快大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)應(yīng)用”表明國(guó)家已經(jīng)將新能源并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)提升到推進(jìn)智能電網(wǎng)全面實(shí)行的戰(zhàn)略性地位。海水抽水蓄能技術(shù)的迅速發(fā)展可以充分利用海島資源、海洋優(yōu)勢(shì)，以電力為發(fā)展動(dòng)力進(jìn)而帶動(dòng)其它產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，并促進(jìn)沿海地區(qū)以及海島的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、資源開(kāi)發(fā)。國(guó)家海洋事業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃[1]中提出：要推進(jìn)海水資源綜合利用和加快海洋可再生能源的利用。目前，我國(guó)已經(jīng)有不少科研技術(shù)人員對(duì)海洋和海島資源的開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行了研究[2-4]，但很少有科研技術(shù)人員研究以海水為工質(zhì)的物理儲(chǔ)能技術(shù)，因此，海水抽水蓄能技術(shù)的研究和發(fā)展前景廣闊。

1 海水抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

1.1 海水抽水蓄能技術(shù)原理

抽水蓄能是水力發(fā)電技術(shù)的一種，它不僅是發(fā)電站，還兼具著規(guī)模蓄能和調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功能。抽水蓄能電站以上、下兩個(gè)水庫(kù)為核心。當(dāng)上庫(kù)的水流向下庫(kù)時(shí)，就是常規(guī)的水電站，上庫(kù)儲(chǔ)存的勢(shì)能就轉(zhuǎn)換為電能；當(dāng)我們利用水泵把下庫(kù)的水輸送到上庫(kù)時(shí)就成了抽水蓄能，消耗的其他能源就轉(zhuǎn)換為了水的勢(shì)能。

海水抽水蓄能是將傳統(tǒng)抽水蓄能的淡水換成海水，同時(shí)，海水抽水蓄能將海洋作為傳統(tǒng)抽水蓄能中的下庫(kù)（池）。儲(chǔ)能時(shí)，水泵或者可逆式水泵水輪機(jī)工作，將海水從海洋抽送到上庫(kù)，儲(chǔ)存勢(shì)能；釋能時(shí)，海水從上庫(kù)流下，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。

1.2 海水抽水蓄能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

海水抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展能有效利用海洋資源，能為沿海地區(qū)和海島的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與資源開(kāi)發(fā)提供穩(wěn)定的能源，同時(shí)能夠有效地調(diào)節(jié)用電峰谷，促進(jìn)智能電網(wǎng)的快速發(fā)展。另一方面，海水抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展能夠加快對(duì)海水資源的利用，從而有效的保護(hù)和節(jié)約淡水資源，在一定程度上避免了對(duì)生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。

1.3 海水抽水蓄能技術(shù)應(yīng)用的實(shí)例

1991年，日本工程師KANEDA等[7]在專利中提出了海水抽水蓄能電站，1999年世界上第一座也是至今的唯一一座投入運(yùn)行的海水抽水蓄能電站——日本沖繩海水抽水蓄能電站[5-8]，該電站最大輸出功率為30MW，有效水頭為136 m，最大流量為26m3/s，其高位水庫(kù)建在距離海岸600m的高地上并且按照八角形挖掘而成，低位水庫(kù)直接利用大海。FUJIHARA等[8]對(duì)日本沖繩海水抽水蓄能系統(tǒng)中水泵水輪機(jī)的設(shè)計(jì)，材料的選取以及防腐蝕和防微生物附著等技術(shù)問(wèn)題的解決方法進(jìn)行了介紹和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。日本沖繩海水抽水蓄能電站通過(guò) 5年的試運(yùn)行證實(shí)了海水抽水蓄能系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和調(diào)峰調(diào)頻的可能性，同時(shí)也對(duì)海水抽水蓄能系統(tǒng)在建設(shè)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了研究并給出了解決方案[9]，為之后建設(shè)大容量、高水頭的海水抽水蓄能電站奠定了技術(shù)實(shí)踐基礎(chǔ)。

2 海水抽水蓄能技術(shù)在我國(guó)發(fā)展的潛力

2.1 我國(guó)的沿海地區(qū)和海島的資源優(yōu)勢(shì)

我國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，擁有長(zhǎng)達(dá)18000多km的海岸線，跨越了熱帶、亞熱帶和溫帶三個(gè)氣候帶，管轄海域多達(dá)300萬(wàn)km2，與我國(guó)陸地面積的1/3相近，海島數(shù)量極其豐富，其中面積大于500 m2以上的島嶼5000多個(gè)，蘊(yùn)藏著的可開(kāi)發(fā)利用的資源不可估量，、濱海砂礦資源海洋生物資源、深海礦產(chǎn)資源、海洋油氣資源……因此，正確的海洋發(fā)展戰(zhàn)略以及合理的開(kāi)發(fā)利用海洋資源，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

2.2 電力是發(fā)展沿海地區(qū)和海島第一推動(dòng)力

海洋資源的積極開(kāi)發(fā)和利用以及可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)的促進(jìn)離不開(kāi)電力能源供應(yīng)，電力是發(fā)展沿海地區(qū)和海島的第一推動(dòng)力。

例如，廣州、浙江等沿海城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，同時(shí)，電力負(fù)荷和谷峰差也是日益增大。我國(guó)大多數(shù)海島都遠(yuǎn)離大陸，制約其開(kāi)發(fā)的主要原因有電力、淡水和交通。目前，海底電纜或者架空高塔跨越輸電線路輸送是近海的海島電力供應(yīng)的主要方式，這種供電方式需要高額的初期投資，運(yùn)行維護(hù)的成本也相對(duì)較高，并且需要較長(zhǎng)的修復(fù)時(shí)間。燃油供電是偏遠(yuǎn)的海島電力供應(yīng)的選擇，這種供電方式要求有嚴(yán)格的方式進(jìn)行輸送和儲(chǔ)運(yùn)燃料，成本較高，利用率也極低，污染環(huán)境十分嚴(yán)重。

近年來(lái)可再生能源（風(fēng)電、太陽(yáng)能等）發(fā)電發(fā)展極其迅速，尤其在沿海地區(qū)更為突出，但是可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性供電問(wèn)題十分棘手。因此，將啟?？?、運(yùn)行靈活、可穩(wěn)定性供電的發(fā)電設(shè)施建立在靠近負(fù)荷中心的地方顯得尤為重要，海水抽水蓄能電站可以滿足需求。

2.3 海水抽水蓄能技術(shù)將是電力持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)的主要技術(shù)

中國(guó)電力報(bào)2017年4月5日?qǐng)?bào)道，國(guó)家能源局發(fā)布了關(guān)于海水抽水蓄能電站資源站點(diǎn)的普查成果，結(jié)果顯示我國(guó)有 238個(gè)可進(jìn)行研究的海水抽水蓄能資源站點(diǎn)，總裝機(jī)容量可高達(dá)4 208.3萬(wàn)千瓦。其中，廣東汕頭、、福建寧德浙江舟山等8個(gè)資源站點(diǎn)建設(shè)條件相對(duì)較好，將作為下一步研究重點(diǎn)。

海水抽水蓄能電站是一種新型式的抽水蓄能電站，進(jìn)行相關(guān)研究是具有前瞻性的。“研究試點(diǎn)海水抽水蓄能”是《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的重點(diǎn)任務(wù)之一，要求加快研究關(guān)鍵技術(shù)，努力推動(dòng)并建設(shè)海水抽水蓄能電站的典例工程，實(shí)現(xiàn)我國(guó)該項(xiàng)工程零的突破。

由此可以預(yù)見(jiàn)海水抽水蓄能技術(shù)在不久之后將是沿海地域和海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源開(kāi)發(fā)電力持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)的主要技術(shù)。

3 海水抽水蓄能技術(shù)發(fā)展的主要阻力

3.1 工程建設(shè)條件

就目前的工程技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，工程建設(shè)問(wèn)題已不再是十分艱難的問(wèn)題，基本上能夠解決工程上遇到的問(wèn)題，例如區(qū)域地質(zhì)和構(gòu)造穩(wěn)定性問(wèn)題、地形地貌條件問(wèn)題、極端天氣、工程地質(zhì)條件問(wèn)題[10]等。

我國(guó)沿海地區(qū)從北向南主要受朝鮮半島地震帶、郯廬地震帶、長(zhǎng)江下游—黃海地震帶、長(zhǎng)江中游地震帶和華南沿海地震帶影響，地震活動(dòng)復(fù)雜。在沿海地區(qū)選擇地形地貌條件相對(duì)合適，地殼穩(wěn)定性高的建站場(chǎng)址，在目前的技術(shù)看來(lái)是完全可行的。

我國(guó)海岸線長(zhǎng)約18000km，大陸海岸線長(zhǎng)約1.8萬(wàn) km，島嶼海岸線約1.4萬(wàn)km，合計(jì)約3.2萬(wàn) km，在地形變化復(fù)雜的海岸線上游更廣闊的選址范圍，可選站點(diǎn)多就是一定的先天優(yōu)勢(shì)，而且沿海多數(shù)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、交通條件便利，為后續(xù)工程建設(shè)的組織和實(shí)施提供了強(qiáng)有力的保障。

工程地質(zhì)條件問(wèn)題也是工程建設(shè)的一大阻力，但是海水抽蓄發(fā)電工程規(guī)模一般小于常規(guī)抽蓄電站，工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，建設(shè)期土建難度小，以目前國(guó)內(nèi)巖土/地質(zhì)技術(shù)解決以下工程地質(zhì)條件問(wèn)題完全沒(méi)有問(wèn)題：①上水庫(kù)—海水蓄水池、輸水發(fā)電系統(tǒng)的滲透漏水問(wèn)題 ；②海水滲透對(duì)地下水和土壤的污染 ；③地質(zhì)缺陷帶/體一般富水，對(duì)工程建設(shè)影響大，精細(xì)化探測(cè)和評(píng)價(jià)顯得尤為重要；④建筑材料勘察。

3.2 設(shè)備抗環(huán)境干擾能力[11]

海水抽水蓄能電站啟?？?、運(yùn)行靈活，可以在電網(wǎng)中調(diào)峰調(diào)頻，并利用海洋作為下庫(kù)，水量充沛、水位變幅小，利于水泵水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，建設(shè)費(fèi)用低，節(jié)約淡水資源，可再生能源的發(fā)電滲透率有所提高。然而，海水比淡水的腐蝕性更強(qiáng)，需要更為苛刻的運(yùn)行條件，諸多技術(shù)性難題在研究及應(yīng)用中涌現(xiàn)了出來(lái)，例如設(shè)備腐蝕、微生物附著、滲透和泄露、穩(wěn)定運(yùn)行等問(wèn)題。

3.3 初始能源問(wèn)題

電力是促進(jìn)海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源開(kāi)發(fā)的第一推動(dòng)力，同時(shí)，電力又需要其他能源作為原料。大多數(shù)海島都遠(yuǎn)離大陸，海底電纜或者架空高塔跨越輸電線路輸送電力初期投資高、修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行維護(hù)成本高；燃油供電需要十分苛刻的燃料的輸送和儲(chǔ)運(yùn)條件，成本高、利用率低，環(huán)境污染嚴(yán)重。

因此找到方便清潔可利用的清潔能源作為抽水蓄能的原料成為了海水抽水蓄能的關(guān)鍵技術(shù)。

風(fēng)能、潮汐能、太陽(yáng)能等都是海島上可以利用的經(jīng)濟(jì)且可再生的能源，但是這些產(chǎn)能方式都是不穩(wěn)定的，只有把他們存儲(chǔ)起來(lái)然后有規(guī)劃的釋放才能持續(xù)穩(wěn)定的提供電力。

4 人工智能在綜合性海水抽水蓄能電站應(yīng)用的新設(shè)想

綜合性海水抽水蓄能電站是智慧水利發(fā)展的一個(gè)新方向。風(fēng)能和太陽(yáng)能電站的建立可以產(chǎn)生不穩(wěn)定電能，將其產(chǎn)生的電能最為抽水蓄能的動(dòng)力是足夠的，有多大能抽多少水，當(dāng)水能積蓄到一定程度就可以有效利用了。當(dāng)風(fēng)能和太陽(yáng)能在一定標(biāo)準(zhǔn)下就能產(chǎn)生穩(wěn)定電能，這是便可以直接利用，多余的電能仍可以用作蓄水的動(dòng)力，大數(shù)據(jù)時(shí)代的快速發(fā)展使得人工智能系統(tǒng)可以自動(dòng)選擇和轉(zhuǎn)換該能源系統(tǒng)。

圖1 概念圖

風(fēng)力發(fā)電和光熱發(fā)電屬于間歇性和不穩(wěn)定性發(fā)電，在未達(dá)到或者超過(guò)額定功率的情況下不能直接供電給用戶使用，故可將該功率下的電能供予水泵機(jī)組 M1用以抽送海水至上蓄水庫(kù)蓄能，上蓄水庫(kù)可釋放水能沖擊渦輪機(jī)組M2的得到穩(wěn)定電能。智能選擇選擇模式大致分以下3種：

1）人工智能系統(tǒng)判斷出風(fēng)力發(fā)電和光熱發(fā)電中只有某一種發(fā)電方式的功率滿足用戶用電需求且功率在未來(lái)的一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出指令使?jié)M足要求的發(fā)電機(jī)組開(kāi)關(guān)接至2供用戶用電，另一發(fā)電機(jī)組開(kāi)關(guān)接至1供抽水蓄能，K3斷開(kāi)，抽水蓄能電站不供電。

2）人工智能系統(tǒng)判斷出風(fēng)力發(fā)電和光熱發(fā)電中兩種發(fā)電方式的功率均滿足用戶用電需求時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出指令使功率滿足要求且功率在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)比較穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)組開(kāi)關(guān)接至2供用戶用電，另一發(fā)電機(jī)組開(kāi)關(guān)接至1供抽水蓄能，K3斷開(kāi)，抽水蓄能電站不供電。

3）人工智能系統(tǒng)判斷出風(fēng)力發(fā)電和光熱發(fā)電中兩種發(fā)電方式的功率均不滿足用戶用電需求時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出指令使兩發(fā)電機(jī)組開(kāi)關(guān)均接至 2供用戶用電， K3閉合，抽水蓄能電站供電。

[1] 國(guó)家海洋局.國(guó)家海洋事業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃[EB/OL].

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