波浪和潮汐能開發技術的研發進展

[德] J.魏萊普

主要由于石油和天然氣的漲價,導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)的利用領域還處于萌芽狀態,但人們對開發利用海洋波浪和潮汐能的興趣與日俱增,尤其是已經引起歐美公用事業部門的注意。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清潔能源的目標。20世紀 90年代以來,該行業主要由追求理想的發明家所推動,這種興趣的增長對促進海洋能源的開發利用領域具有積極意義。

至今,只有幾家公司擁有接近商業可行性的開發可再生能源的技術,還有約 20～30家公司掌握著有前景的產品開發的基本原理,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、公用事業機構提供資金或自籌資金。對于大多數處于起步階段的公司,卻難以獲得足夠的資金。參與該領域的大型工業公司仍然寥寥無幾。

預計海洋能源的生產成本高昂,尤其是對于規模比較小的公司,有時會感到力不從心。有幾家開發商已經宣布了幾個數兆瓦級的工程,但是,全球實際連網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的競爭);最后是要應付苛刻的海洋環境的技術挑戰。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,大多數公司仍處在模索階段,采用的是檢誤方法,曾經在試驗中導致幾個裝置葉片掉落,甚至連裝置本身也沉沒了。

因此,每個開發商首先必須證明其基本原理的可靠性。盡管能源的生產成本很重要,但也必須考慮產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。該技術必須保證發電裝置本身非常堅固與可靠。在運行期間,尚未實現的每項技術特性不能失效。

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出陸基振蕩水柱技術。瓦弗根公司已經將該項技術移植到幾種水輪機上,共獲得超過 40000 h的連網發電時間。利用其最新的韋爾斯水輪機發電,其運行時間比已經超過了 90%。

1 商業上可行的波浪發電概念

1.1 陸基振蕩水柱驅動韋爾斯渦輪機

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

水面用一個人工頂覆蓋,在水線以下設有一些開口。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速運行(最高 4000 r/m in)。因此,O WC技術不需要齒輪箱,還可用于非常小的發電機。

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連接的岸上利姆佩特波浪發電站(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(也與電網連接),以進一步優化和積累不同尺寸渦輪機的運行經驗。

瓦弗根公司采用韋爾斯渦輪機技術,用空氣流的動力發電。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調一致。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方向,也不改變葉片的漿距角(每年約有 300萬個波浪周期！),而是將渦輪機調整到與氣流的對稱位置。為此,相對于旋轉平面,轉子斷面必須對稱;葉片既不發生扭轉,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速。正如圖 1所見,合成空氣流流速的速度三角形由旋轉產生,空氣室的疊加空氣流沿旋轉方向產生一個升力分量。如果空氣流的方向改變,升力矢量在旋轉平面反射,同時保留向前驅動的升力分量。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(a),與空氣流方向無關(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,可將在海洋環境中運行時可能出故障的部件數目減到最少。但是,發生故障的可能性依然存在,因為關于這門新技術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備就可以操作。即使將技術工作原理已經研究得很透徹,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,維護費用將十分昂貴。因此,這項新技術并非只是岸基的,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。機組經過了高度優化和試驗,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,節約了試驗成本。

顯然,僅僅針對節省能源的生產成本而言,這樣一個小項目(296kW)還不能在商業上推廣。在市場商業機制條件下,該電站的業主巴斯克電業局傾向于在一個有廠房遮蔽的環境中試驗該項技術。一旦技術成熟,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行的F P 6計劃中唯一的一項波浪發電項目。

這臺裝機容量為 18.5kW的機組在不同的發電條件下已成功并網運行了約 25000 h。而渦輪機的最新發電和生產型號,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(不計研發或其他試驗活動所占的時間)。在業界內,其可靠性是最高的。但是,與其他開發商一樣,瓦弗根公司在研發的初期,這個數字要低得多。圖 2表示了多年來不間斷運行時間比的發展。

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。其未來的發電潛力可能是目前發電量的 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)的發電機組。規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電機的首臺原型機,并在現場完成了機組的安裝和調試工作,目的是為了進行長期試驗和優化。該型機組是瓦弗根公司設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用環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化的(也是波力發電工業的)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輸電。另外,它還能在高能波浪的環境中運行,尤其是在風急浪高的情況下。

該技術所面臨的下一個挑戰是接受可靠性檢測。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合伙人的主要原因,恰恰是經過長期的跟蹤和實證,顯示了瓦弗根公司技術的可靠性。

2 潮汐能發電技術的設計原理

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

2.1 潮汐能發電簡介

潮汐能的利用已經有很長的歷史了,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換為電能的渦輪機。一臺轉子功率系數為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 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原理是相同的。但是,在量與方向上卻有很大的區別: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電而開發渦輪機的技術,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個或多個轉動葉片的水平軸水輪機,或垂直軸水輪機(H轉子),主要是通過齒輪箱驅動發電機。某些機器被設計成完全浸沒式,固定在海床上構筑的重力式基礎之上,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計為水面漂浮式。

利用潮汐能發電的技術已經達到與波浪能發電業相同的成熟度。額定功率為 300kW及以下的一些原型機已經在運行之中,部分已經連網供電。至今,幾年中未見發表關于連續運行和連網供電方面的技術細節。2008年 4月以來,第 1個裝機容量為1.2MW的商用規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電的機組與“水上風車”做了比較,結果認為,只是尺寸不同而已。初看起來,這種比較似乎合理,但是前者在技術上所面臨的挑戰卻完全不同。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的結合物。

在潮汐發電機必須面對的主要挑戰中,最重要的在于以下幾個方面:

(1)適應于周期性變化的水流方向;

(2)腐蝕保護;

(3)水中旋轉軸的密封;

(4)環境友好的、理想的無潤滑油設計;

(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,要想修復它,必須能在水中再次找到它。

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

2.2 潮汐能開發技術

潮汐能發電站有 3個主要功能群:基座結構、發電輸出設備和安裝維護設備。基座結構或基礎領域中,一些高度專業化的研發公司目前正在興起,以滿足離岸風電技術的需求。基礎的形式取決于現場條件,主要受土壤條件和水深的影響。因此,潮汐能開發商最好指定渦輪機發電機艙和基礎之間的連接型式并使之標準化,而不要試圖自行開發專門的基礎。

因此,福伊特水電海洋流技術公司的基本思想是集中于渦輪機的開發,以及為顧客提供發電機艙的安裝、收回和維護方面經濟可行的解決方案,包括在基礎設施較差、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,各有優缺點,還沒有一種型式能夠占據絕對優勢。福伊特水電公司已決定選取完全浸沒式,其優點是: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,開發的渦輪機結構的設計技術避免了任何復雜性。其基本特性如下:

(1)用轉矩控制(可變速)技術代替帶有水下電子器件的變節距裝置。

(2)采用高性能優化的對稱斷面以及擴大的性能帶寬,實現了雙向水流都能發電。該渦輪機的斷面類似一臺水泵水輪機,它被優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或(幾乎)180°可變漿距角葉片。

(3)直接驅動,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,以避免靜態勵磁和集電環傳送系統結構的復雜性。

(5)利用潮汐水流周圍的水,直接冷卻發電機定子。

(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)無油設計,實現了對環境造成的不利影響最小化。

所述系統只有 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,還可加強系統的堅固性)。圖 4表示該渦輪機結構的橫斷面。其余部件均為靜態或被動部件。

圖 4 渦輪機原理剖面

2.2.2 安裝、收回和維護的概念設計

在設計安裝、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,電站或發電場的業主起碼應擁有至少一個像駁船那樣的平臺,用于到海中收回機器。對于擁有數百臺機器的發電場,相對費用就很小。難點是,如何確定所需的海洋設備,使一個只有一臺或為數不多的幾臺發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計,要求有一艘平頂駁船,在外側端部裝一個起重架,其上安一個儀器箱,即所謂的“發電機回收模塊”(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個浮筒連接到發電機的海床基座上,再將浮筒沉到海底。然后通過聲學設備讓浮筒重新浮上水面,其上各有一個導鏈,導鏈上系著發電機回收模塊。由一個推進器為發電機回收模塊提供動力,在照相機的支持下,發電機回收模塊可沿導鏈找到渦輪機。一旦找到渦輪機,即將發電機回收模塊調整到對準發電機艙,用液壓卡鉗夾住機艙并將其固定。然后,用絞盤將發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。在基礎設施差的港口,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形構架,使駁船僅依賴甲板上的軌道系統就可起吊發電機艙。利用這種系統,可以容易地把發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設施。

2.2.3 前 景

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

3 結 語

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

但是,該過程對于海洋能源行業來說還是需要費些時日的。初期的成功對于發展速度很重要,因為成功的試驗將會增加人們對這個新生行業的信任。開發商應致力于設備結構堅固性和簡易性的設計,以贏得投資者或業主/運營者的信心。

最后,是富有吸引力的電網饋入系統。如在德國實施的風電和光伏系統,其可靠性使投資者擁有一個具有可控的、平衡的風險 -回報結構的經營項目,有利于加快研發技術的發展。