风能波浪能联合发电装置技术研究进展

海上风能波浪能联合发电装置技术研究进展摘要：开发和利用海洋能对缓解能源危机和环境污染问题具有重要的意义，海上风能和波浪能作为最具商业化前景的可再生能源，正得到大规模的开发和利用，海上风能和波浪能联合发电相关技术也取得了显著的进步，文章综述了目前海上风能波浪能联合发电及其技术的发展与应用情况，对联合发电装置的类型、性能与特点以及未来联合发电技术的发展趋势进行了较详细深入的介绍，为更好地了解国内外风能波浪能联合发电的现状与发展趋势提供参考。关键词：海洋能；风能；波浪能；联合发电；发展引言随着化石能源濒临枯竭、碳排放严重影响气候等问题日益突出，开发清洁的可再生能源已成为当今世界能源利用的发展趋势。众所周知，海洋能是清洁的可再生能源，海洋能是指依附在海水中的能源。海洋通过各种物理过程或化学过程接收、存储和散发能量，这些能量以波浪、海风、海流、潮汐、温差等形式存在于海洋之中。开发和利用海洋能对缓解能源危机和环境污染问题具有重要的意义[1]。许多国家特别是海洋能资源丰富的国家，大力鼓励海洋能发电技术的发展。海浪发电、海上风力发电是波浪能和风能资源开发利用的主要方式，日本、英国、美国、挪威、澳大利亚、爱尔兰和丹麦等国相继投入大量资金进行波浪能发电和风能发电装置的研究，使波浪能和海上风能发电及传输技术得到迅速发展，其中，海上风能和波浪能联合发电装置将两种海洋能有机的利用起来，它不仅克服了两者单一发电效率低的问题,还提高了发电机组的稳定可靠性，更是大大降低了单元发电成本,极大的提高了海洋可再生能源开发利用的竞争力，成为目前世界上各国积极研究的对象[2]。2国外发展现状英国的塞文河口有着丰富的潮汐能，曾经有人提出过利用方案，把河口的潮汐能视为主要捕能对象，而风能和波浪能则视为次要的捕能对象[3]。通过建立水坝来收集大量的潮汐能，在坝朝向海的那一侧安装合适的风能、波浪能收集装置，三种发电装置独立运行，综合发电，集中并网。但由于许多原因，该项工程并未完成。2002年，为了进一步保证国内的电力供应，日本海上保安厅开始了太阳能和波浪能综合利用的研究。其综合利用思想是：夏季以太阳能发电为主，因为期间阳光一般都比较强烈而海面比较平静；冬天以波浪发电为主，因为期间天气阴沉时间较长，而且波涛汹涌的日子较多[4]。上述的综合利用形式在空间上能起到很好地互补作用。此外，2012年，日本新能源产业技术综合开发机构确立了3项潮汐能发电工程，其中一项是由三井海洋开发公司承担的，它是采用浮体式技术，垂直轴风力机和潮汐能涡轮机分别安装在浮体的上下部，从而实现海上风能和潮汐能的综合利用[5]。2007年，美国发明家DominicMichaelis和他的儿子共同提出“能源岛”的概念[6]，其主体构思是建设一个巨型漂浮式平台，并在其上布置多套风力涡轮机、太阳能收集器、波浪能利用装置和其它能源利用装置，最大限度的利用能源岛内的可再生能源，形成小型岛屿般的能源生产基地。同年荷兰民用工程局Lievence和KEMA电力公司联合宣布，他们己经就在本国大规模推广能源岛的工程技术和经济可行性展开了大量研究。研究表明一个具有一般规模的能源岛造价高达几十亿美元，建设工期不短于五年，难以实施[7]。2008年，丹麦公司FloatingPowerPlant开启了“FloatingPowerPlant”计划并成功建造了海上风能波浪能综合发电站平台——Poseidon37，见图1，整个电站长23米，宽37米，顶部至甲板高度6米，重约350吨。它借用了使石油钻塔的漂浮技术，即便在汹涌的海浪中也能屹立不倒。Poseidon37设有风力和水力涡轮机组，即便在风和日丽的天气中也能通过洋流也能获取能源。目前该公司已在丹麦外海对Poseidon37进行测试，力争将发电成本拉低至0.1-0.15欧元[8]。图1Poseidon37海上风浪能发电系统2008年，英国可再生能源有限公司(ITPower)开发出了一种新的压气式波能转换器，它是通过捕获来波后面波谷中的空气，加以压缩并输送到一个容器中，然后再利用该压缩空气驱动涡轮机进行发电。基于此压气式波能转换器，有人提出将其与沿海风力发电机结合起来，构成联合发电系统[9]。这种联合发电系统实际上是分开独立运行的，本质上没有改善两种发电机组的性能和发电效率。2011年，苏格兰绿色海洋能源公司（GreenOceanEnergyLtd，GOE）在其研制的OceanTreader振荡浮子式波浪能发电技术基础上，结合风力发电技术研制了WaveTreader波浪能风能综合发电装置样机并完成相关测试。如图2，WaveTreader波浪能风能综合发电装置在海上风机平台基座上安装有一堆浮体，浮体随海浪运动驱动平台中心处的液压缸轴，经由蓄能器、旋转液压引擎和发电机进行发电，与风机发电经由同一海底电缆输至岸上电网。装置浮体可随波向及潮差动态调整，以保证实现最大的波浪能俘获能力。整个装置长50m、宽20m，浮体由玻璃钢制成，装机容量为500~700kW，设计寿命为25年，维修周期为5年。该公司预计2015至2023年将在英国布放7500~8300个WaveTreader波浪能风能综合发电装置[10]。图2WaveTreader波浪能风能综合发电装置2012年底，瑞典汽车制造商萨博公司(Sab)旗下的Minesto公司研制出一种被命名为“水下风筝”的涡轮发电机，用于潮汐发电，目前他们正在计划将这项技术与离岸风力发电系统结合起来，综合利用工作海域的潮汐能和风能[11]。另外，还有OWWE公司的2Wave1WindPlatform发电平台，PelagicPowerAS公司的W2PowerPlatform、SeaforLife的WEGA，OffshoreIslandsLtd的WaveCatcher等海上风浪能联合发电平台，均取得了不错的试验效果[12]。3国内发展现状2001年，中国空气动力研究与发展中心的王德茂研制出了一种摇摆式波浪能和风能联合发电系统，如图3所示。该系统由左右对称可转动的两个采能机构组成，每个采能机构又由水上风能采集板和水下波浪能采集板组成。在采能机构顺风向摆动时，风力做功，波浪能采集板处于放空状态，而采能机构逆风向摆动时，波浪力做功，风能采集板处于放空状态，两种采能板通过半圆形滑轨与水平转轴的配合，把风力和波浪力变成水平轴绕同一方向转动的动力，进而可带动发电机发电[13]。该系统首创性的同时将波浪能和风能机械动力结合利用起来，为我国的海洋能多能利用技术奠定了良好的基础。图3摇摆式波浪能和风能联合发电系统2003年，由中科院电工研究所设计研发的风力/光伏/波浪能多能互补混合发电系统在山东即墨大管岛建成，它在原有波浪能、风能发电系统的基础上，增加了5kW光伏发电系统，使之与原有的发电系统匹配运行，实现了三种能源的联合发电，通过多能源的互补特性，实现了电力的稳定输出，实现了多能利用，节约了经济成本，但在实质上讲，它仅仅是将三个独立发电模块的电能在后期经过统一调配实现的互补效果，系统结构如图4[14]。这种能源利用形式，可以保证在独立模块发生故障时，并不会影响到其他模块的运行，保证了系统的运行稳定性，但与此同时，使整个发电系统结构更加复杂，增大了维护难度[15]。图4大管岛风力/光伏/波浪能发电系统由中国科学院广州能源研究所承担研制建造的世界首座综合利用太阳能、风能、波浪能的海岛可再生独立能源电站，于2009年3月在广东珠江口的珠海担杆岛初步建成投产，其中风能装机90kW，波浪能10kW，太阳能5kW。岛上300常住居民由此实现了电力和淡水的24小时自行供应[16]。2009年，广东省海洋与渔业局提出了一种新型多种可再生能源综合开发的方案，并组织了专门的研讨会。该方案以潮汐发电站为基础，拟在浅海滩涂建设一海上水库蓄潮，依靠潮水涨落产生水流压力，纳潮蓄浪发电，同时在水库四周堤坝上布置风力发电机组。这种综合开发模式不仅可以提高发电能力，错峰调节，进行功率的互补输出，而且可以减少巨浪对坝体和发电设施的破坏。设想新颖独到，但耗资巨大，工程可行性还有待进一步研究[17]。2011年，集美大学和福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术研究中心成功合作开发出了海上风能和波浪能混合发电系统，如图5所示。整个系统由半潜式平台、波浪能收集装置、风能收集装置以及能量转换装置组成，振荡浮子和浮动摆组成的波浪能收集装置可以同时收集波浪水平方向的动能和垂直方向的势能，并将其转化为水平轴旋转的机械能，垂直轴风能收集装置将风能转化为垂直轴旋转的机械能，利用斜齿轮动力耦合机构以及变速齿轮箱，实现两种动力耦合，取得了良好的效果[18]。图5集美大学风能波浪能混合发电系统2012年，中汇明(厦门)海上发电研究院的巫明茂等人设计研发出了海风海浪同步耦合漂浮式海上发电平台，如图6所示。发电平台由2个风轮、8个水轮和24个集浪浮体构成，其中，风轮收集海风的能量，水轮收集海流的能量，这两种能量通过垂直能量收集装置收集起来，通过传动索设置的外延和内延的集浪浮体用框架结构连接成网状结构，可以大范围地收集海浪的能量，并通过超越离合器耦合于水平横轴上，通过垂直轴收集装置收集的海风和海流的能量，与水平横轴上的波浪能量进行机械耦合后驱动发电机发电。该发电平台突破了传统海洋能发电装置“单一模式”或“独立模式”的缺点，能够将海上风能、波浪能和海流能同步耦合并实现集中发电，大大提高了海洋能的收集效率，减少了经济成本[19]。2014年，该平台成功在厦金海域完成了下水实用性工程试验，如图7所示，并取得了良好的试验结果，将会给我国的海上新能源开发和海洋产业发展带来极大的推动力。图6海风海浪同步耦合漂浮式海上发电平台图7海上发电平台试验机型2013年，上海海洋大学的吴子岳等人设计出了机械耦合式的海上风能波浪能混合发电系统，系统由风能转换机构、波浪能转换机构、差动轮系机构、变速箱和发电机组成，水平轴风力机将风能转换为机械能并传递给差动轮系机构，波浪能收集叶轮将波浪能转换为机械能传递给差动轮系机构，差动轮系机构将两种机械能叠加，经过变速箱增速后驱动发电机发电[20,21]。差动轮系的使用，实现了两种机械能的机械耦合，也保证了风动力和浪动力在叠加过程中的高效性。华北电力大学在承担国家海洋局海上专项资金项目《海上波浪能与风能互补发电平台的研发》以来，开始进行海洋能发电技术研究，成功研制出了液压蓄能型风能、波浪能互补发电平台系统，并2014年7月成功成功进行了实际海况运行测试[22]，如图8所示，该系统利用风力发电机和振荡浮子式波浪能发电机分别采集风能和波浪能，分别带动液压泵和活塞式液压缸运动，将两种机械能转变为高压液压能在蓄能器中储存起来，利用蓄能器输出压力稳定的高压液压能，液压能驱动液压马达，将液压能转变为机械能，液压马达驱动直驱式发电机，带的发电机发电，实现了从风能、波浪能→机械能→液压能→机械能到电能的转化，该装置将风能和波浪能合成为稳定的液压能，实现了能量的稳定转化，保证了输出电力的稳定性[23]。图8华北电力大学风浪能发电平台2015年，浙江海洋学院和浙江欧华造船股份有限公司合作，设计出了能同时将海上风能、海面面波浪能以及水下潮流能综合利用的液压驱动式发电装置，如图9所示，整个装置由垂直轴风力机、振荡浮子式波浪能采集装置以及叶轮式潮流能采集装置组成，系统采用了模块化的设计方法，每个模块全采用驱动液压，将分散的能量以液压能的形式集聚推动发电机转动，实现多种能量耦合互补，提高了发电效率，保证装置发电稳定[24]。1风力转换模块；2集总液压驱动发电模块；3波浪转换模块；4海流能转换模块；5连接立柱；6支撑横梁；7固定桩座图9海洋综合发电系统总体设计结束语众多海洋能源中，海上风能和波浪能相比其它形式的海洋能源，它们的捕获和转换效相对高，此外，大量研究表明，风能和波浪能资源存在时间和空间上的互补性，两者的综合利用具有很大的潜力。海洋风能和波浪能资源丰富，能流密度较大，如何能够高效地收集两种能量，并集中转化为机械能，再将其转换成电能，是一个集合机械、物理、力