頡未鳳

(甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 嘉峪關(guān)735100)

1 波浪能使用現(xiàn)狀

1.1 背景及意義

隨著全球能源消耗量的增大,新興能源越來越受到重視,開地?zé)崮?、海洋能等新能源的研究也越來越多。其?海洋中波浪能的密度最大,也最具開發(fā)潛力,波浪能因此被認(rèn)為是一種高質(zhì)量的海洋資源,其能量轉(zhuǎn)化效率也較高[1]。我國(guó)的海岸線長(zhǎng)達(dá)上萬海里,波浪能密度平均可達(dá)3～7 kW/m,某些地方更高達(dá)20 kW/m,可開發(fā)的波浪能儲(chǔ)量非常豐富。全球很多機(jī)構(gòu)都在研究波浪能利用或發(fā)電甚至推進(jìn)船舶的技術(shù),并取得了一定進(jìn)展。最先利用波浪能的裝置是1799 年發(fā)明的。近年來,美歐日等地的波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速,而我國(guó)從20 世紀(jì)70 年代開始起步,并形成了一些科研成果,航標(biāo)燈就是其中的研發(fā)成果[2],我國(guó)近期在浙江舟山研發(fā)建設(shè)的波浪能發(fā)電單機(jī)平臺(tái),其功率達(dá)到了500kW。

圖1 國(guó)外波浪能發(fā)電裝置

1.2 波浪能發(fā)電的裝置及其原理

現(xiàn)代波浪能發(fā)電的裝置主要有振蕩式、海蛇式、搖擺式、鷹式等多種樣式[3],見圖1、圖2、圖3,主要通過波浪帶動(dòng)漂浮裝置上下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械能,再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。有一些將波浪能轉(zhuǎn)化為高壓空氣壓力,再噴射出來形成高速氣流,進(jìn)行推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。目前國(guó)內(nèi)外還設(shè)計(jì)出了波浪能發(fā)電船,將發(fā)電平臺(tái)與船體相結(jié)合,或直接給船提供前進(jìn)動(dòng)力。

2 目前波浪能發(fā)電面臨的技術(shù)問題

2.1 材料問題

海洋的鹽度非常高,且海水及鹽霧具有腐蝕性,裝置長(zhǎng)時(shí)間在海水中工作會(huì)面臨生銹、老化等問題。影響材料強(qiáng)度和裝置壽命。因此波浪能發(fā)電裝置需要耐腐蝕材料制成,且要經(jīng)過長(zhǎng)期鹽霧試驗(yàn)的考驗(yàn),才能投入成熟化商業(yè)應(yīng)用[4]。

圖2 我國(guó)波浪能發(fā)電平臺(tái)

圖3 歐盟波浪能發(fā)電平臺(tái)

2.2 抗風(fēng)浪問題

海洋環(huán)境經(jīng)常面臨臺(tái)風(fēng)巨浪等惡劣環(huán)境,在這種環(huán)境下任何漂浮的平臺(tái)都難以幸存,同時(shí)也存在破損件污染海洋環(huán)境的可能,甚至對(duì)船舶的螺旋槳產(chǎn)生破壞,對(duì)航行安全構(gòu)成威脅。

2.3 成本問題

造價(jià)與發(fā)電量之比過高,且波浪能發(fā)電品質(zhì)不穩(wěn)定,難以儲(chǔ)存等問題直接影響了波浪能的現(xiàn)實(shí)化商業(yè)應(yīng)用。有關(guān)研究表面,波浪能發(fā)電成本是火電成本的10 倍左右,而且下海維護(hù)非常困難。

3 波浪能發(fā)電海堤技術(shù)方案

為解決波浪能發(fā)電存在的技術(shù)、成本、安全問題,本文設(shè)計(jì)了一種匯聚波浪能進(jìn)行發(fā)電的海堤,該裝置與防波提共同組合工作,既起到加固海堤的作用,也能長(zhǎng)期進(jìn)行發(fā)電,綜合效益顯著。

3.1 波浪能發(fā)電海堤結(jié)構(gòu)

圖4 震蕩水柱式發(fā)電裝置

圖4 為震蕩水柱式海浪發(fā)電裝置,可以將波浪運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為氣室高壓空氣的壓力,再集中釋放形成高速氣流,從而帶動(dòng)氣體渦輪發(fā)電。由于渦輪發(fā)電機(jī)價(jià)格昂貴,提高了該形式的發(fā)電技術(shù)的建造成本。

圖5 波浪能海堤發(fā)電裝置

本文吸收了震蕩式水柱發(fā)電裝置的技術(shù)原理,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)了一種波浪能發(fā)電海堤,結(jié)合氣體管道,可以匯聚波浪能成為壓縮氣體能,集中釋放,以達(dá)到發(fā)電集約化效果,降低其成本。如圖5,建設(shè)帶有氣體收集腔的海堤,海堤面臨海水一側(cè)的弧形坡度將水平方向的波浪能轉(zhuǎn)化為垂直方向上下起伏的水柱,水柱在接近垂直的氣腔中壓縮空氣,并通過單向閥門進(jìn)入管狀氣體收集器,從而產(chǎn)生高壓空氣。許多獨(dú)立且并聯(lián)的收集腔內(nèi)產(chǎn)生的高壓空氣通過高壓空管道聯(lián)通,最終通過渦輪氣體發(fā)電機(jī)排向外界大氣,從而帶動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電,流程見圖6。高壓空氣管道的直徑視發(fā)電功率的規(guī)?？梢栽O(shè)置φ為0.2m-2m 不等,管道材料以耐鹽霧腐蝕的不銹鋼管或耐腐蝕材料管道為宜。

圖6 波浪能海堤發(fā)電流程

3.2 對(duì)波浪能發(fā)電海堤電能產(chǎn)出的估計(jì)

波浪在深海區(qū)是上下起伏的橢圓運(yùn)動(dòng),但由于近海海水深度的遞減,波浪會(huì)轉(zhuǎn)化為垂直于海岸線的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng),普通海浪在岸邊的水平運(yùn)動(dòng)可以達(dá)到5m/s,其動(dòng)壓完全轉(zhuǎn)化為空氣壓力可產(chǎn)生1.1 大氣壓的壓縮空氣,高壓空氣經(jīng)高壓氣體收集通道再向外界大氣排出,可產(chǎn)生100m/s 的高速氣流,高速氣流帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng),可產(chǎn)生大功率的電能。按波浪能平均密度3kW-10kW/m,整個(gè)系統(tǒng)綜合發(fā)電效率50%計(jì)算,1km 的海堤可以匯聚產(chǎn)生1.5MW-5MW 的發(fā)電功率。在北歐等波浪能資源豐富的國(guó)家,最高可以輸出50MW/km 的功率密度,接近于一個(gè)小型的火電廠的發(fā)電量。

3.3 波浪能發(fā)電海堤的使用維護(hù)

高壓空氣的收集有海堤自動(dòng)完成,只有渦輪發(fā)電機(jī)與電器控制室需要人員集中維護(hù)。波浪能發(fā)電海堤還應(yīng)設(shè)置自動(dòng)排水裝置,防止海水進(jìn)入高壓空管道進(jìn)而侵蝕渦輪發(fā)電機(jī)葉片。也應(yīng)設(shè)置過濾裝置,防止海藻或魚類沖入氣室。由于高壓空氣管道傳輸空氣的同時(shí)也起到了高壓容器的作用,即使自然界波浪強(qiáng)度存在短期波動(dòng),管道存儲(chǔ)的高壓空氣也能維持發(fā)電裝置一段時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行,從而提高電能輸出的品質(zhì)。如果利用波浪的往復(fù)運(yùn)動(dòng)增加低壓空氣管道,將渦輪發(fā)電機(jī)連接在高壓管道和低壓管道之間,可以增大發(fā)電功率,同時(shí)也會(huì)增加建設(shè)成本,是否增設(shè)低壓管道,仍需要權(quán)衡利弊。

3.4 波浪能發(fā)電海堤的經(jīng)濟(jì)效益

建成以后波浪能海堤非常穩(wěn)定,只有氣體單向閥和渦輪機(jī)是活動(dòng)部件,其它設(shè)施可以長(zhǎng)期應(yīng)用而免于維護(hù),維護(hù)成本非常低,最昂貴的渦輪發(fā)電機(jī)可以減量集中安裝,僅需1-2 臺(tái)渦輪機(jī)就足夠了,由于發(fā)電機(jī)的集中化,維護(hù)相對(duì)變得簡(jiǎn)單多了。按其發(fā)電能力,1km 波浪能發(fā)電海堤每年可產(chǎn)生約2000 萬度電能,還能起到防波作用,其建設(shè)成本需1000 萬左右,僅需1 年就能收回建設(shè)成本,綜合效益非常顯著。

4 結(jié)論

波浪能發(fā)電海堤是一種新的思路,相比其它發(fā)電裝置,免遭受波浪直接沖擊,從而增加了發(fā)電輸出的穩(wěn)定性,延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命,它在波浪能豐富區(qū)域尤其適用,經(jīng)濟(jì)效益更高,具有大范圍推廣價(jià)值?？梢詾檠睾＜昂u能源緊缺地區(qū)提供可觀的能源輸入,尤其是邊遠(yuǎn)海島如西沙群島、南沙群島等[5],同時(shí)可以采用風(fēng)、光、浪互補(bǔ)形式向大自然提取清潔能源。目前國(guó)內(nèi)外未見類似形式的研究報(bào)告,因此在我國(guó)具有一定起步優(yōu)勢(shì)。建議海洋能源研究機(jī)構(gòu)會(huì)同建設(shè)部門,開展實(shí)踐應(yīng)用研究,進(jìn)一步成熟推廣。