海洋能源獲取、傳輸與管理綜述

楊燦軍，陳燕虎

（浙江大學(xué) 流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

海洋能源獲取、傳輸與管理綜述

楊燦軍，陳燕虎

（浙江大學(xué) 流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

海洋能源獲取、傳輸與管理是實現(xiàn)海洋透明化的關(guān)鍵技術(shù)。以能源獲取的方式進(jìn)行分類調(diào)研，分析探討國內(nèi)外海洋能源的獲取、傳輸與能源管理方法，以及各個方式的優(yōu)缺點，并對能源獲取、傳輸與管理進(jìn)行核心技術(shù)分解，對比我國研究現(xiàn)狀得出各個技術(shù)與國外現(xiàn)有差距，預(yù)測我國在該技術(shù)領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢。

水下能源獲取；海底觀測網(wǎng)；可再生能源；技術(shù)預(yù)測

海洋占據(jù)了2/3的地球表面，在全球氣候變遷、生態(tài)循環(huán)、物種繁衍、人類進(jìn)化等各個方面均有舉足輕重的作用。然而，極端的環(huán)境使得人類難以深入了解海洋。時至科技迅速發(fā)展的今天，對于人類來說，大部分海洋仍然是漆黑一片、危險暗藏。為了深入了解海洋，探索生物起源，維持生態(tài)良性發(fā)展，預(yù)測自然災(zāi)害等對人類生存與發(fā)展具有重要意義的科學(xué)問題，“透明”海洋成為了近年來海洋研究的主題[1-3]。要實現(xiàn)“透明”海洋，必然要采用大量的水下用電傳感設(shè)備，水下電能持續(xù)供給成為關(guān)鍵因素，因此，水下能源獲取、傳輸與管理是實現(xiàn)海洋透明化的關(guān)鍵之一。隨著能源獲取、傳輸與管理這一水下通用技術(shù)的發(fā)展和完善，海洋技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒂瓉硪粋€空前發(fā)展和進(jìn)步的階段。

1 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，海洋科學(xué)技術(shù)得到大幅度發(fā)展，水下用電設(shè)備日益增多，對能源的需求益發(fā)強(qiáng)烈。水下能源的獲取、傳輸與管理技術(shù)成為海洋工程技術(shù)的研究熱點。當(dāng)前研究工作主要集中在能源獲取方式、電能的傳輸與變換控制、電能管理與控制等方面。世界發(fā)達(dá)國家投入巨資，迄今為止涌現(xiàn)了多種水下能源獲取、傳輸與管理技術(shù)。部分技術(shù)仍處于概念階段，部分技術(shù)則進(jìn)入了研發(fā)和試驗階段，而少量技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了成熟期并在海洋科學(xué)研究、海洋資源勘探、水下作業(yè)等領(lǐng)域獲得了一定程度的產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用。

水下能源獲取、傳輸與管理的應(yīng)用方式有多種，通常以能源的獲取途徑分類，主要分為纜系岸站供電式、有限燃料供電式、可再生能源供電式三大類。

1.1 纜系岸站供電式

利用海纜將電能傳輸?shù)胶５撞⒁詷錉睢h(huán)狀、放射狀、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)向水下大量設(shè)備提供連續(xù)電能的方式在美國、加拿大、日本等國已經(jīng)成功應(yīng)用，并在科學(xué)研究、減災(zāi)防災(zāi)、國防安全等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。根據(jù)采用的供電方式的不同可分為交流供電方式、恒流供電方式和直流恒壓供電方式。

首先，交流供電方式采用了與陸地常規(guī)電網(wǎng)類似的遠(yuǎn)距離電能傳輸技術(shù)，利用高壓交流供電技術(shù)將電能傳輸?shù)剿缕脚_，在水下平臺進(jìn)行交流-交流、交流-直流等系列的電壓變換和分配，并為各種水下接駁設(shè)備提供適合的電能。該技術(shù)出現(xiàn)在早期，如美國1996年建成的LEO-15[4]，2001年建立的MVCO[5]，2006年建成的巴拿馬西南海岸的Canales de Tierra海底熱帶觀測，意大利建設(shè)的NEMOⅠ期，以及歐美多家石油巨頭公司的水下石油平臺等。將交流供電組網(wǎng)的方式沿用于陸地電網(wǎng)技術(shù)，因交流輸電在陸地上獲得了大量的應(yīng)用，技術(shù)成熟，傳輸?shù)墓β室草^大，不同等級的電壓變換無需復(fù)雜的器件，同時高壓交流電的通斷控制容易實現(xiàn)，因此，交流供電組網(wǎng)在海底觀測網(wǎng)發(fā)展的初期獲得了較多應(yīng)用。然而，交流輸電方式具無功功率特性、變電設(shè)備體積龐大、輸電纜成本高等特點，往往只用于近岸工程，很難實現(xiàn)延伸到深海遠(yuǎn)海的大范圍組網(wǎng)。

其次，直流恒流方式采用了水下通信行業(yè)所采用的恒流技術(shù)，利用恒流方式將電能傳輸?shù)剿缕脚_，在水下平臺通過恒流-恒流、恒流-恒壓等系列的電能變換和分配，為各種水下接駁設(shè)備提供適合的電能。如美國1997年建立的Hawaii UnderseaGeo-Observatory (HUGO)[6]，1998年建立的 Hawaii-2 Observatory(H2O)[7]，2011年建立的 Aloha Cable Observatory(ACO)[8]。相比于美國，日本在該領(lǐng)域起步更早，早在1978年，日本第一套基于恒流供電的海底纜系觀測系統(tǒng)建成并用于地震監(jiān)測，此后，日本在本州島周圍尤其是其東面相繼建成了多個觀測系統(tǒng)，目前正在使用的就有約10個觀測系統(tǒng)，如1999年建立的Versatile Eco-monitoring Network by Undersea-Cable System(VENUS)、Geo-TOC、2011年建立的DONET觀測網(wǎng)等[9]。此外，我國臺灣于2012年建立了用于地震監(jiān)測的MACAO,也采用了恒流供電方式?；谥绷骱懔鬏旊娔Ｊ降暮５子^測系統(tǒng)因其恒流的特性，具有較高的魯棒性。當(dāng)然，該方式同樣具有較為明顯缺點，如輸電效率低下，輸電功率不高，擴(kuò)展困難等。因此，恒流模式的水下供電網(wǎng)主要應(yīng)用在海底地質(zhì)災(zāi)害頻繁的區(qū)域，而不適合用于面向常規(guī)科學(xué)觀測任務(wù)的綜合性海底觀測網(wǎng)。

相比之下，直流恒壓方式采用了直流供電的方式將電能傳輸?shù)剿?，并在水下平臺中進(jìn)行直流-直流的電能變換和分配，為各種水下接駁設(shè)備提供適合的電能。如2006年建成的Victoria Experimental Network Under the Sea(VENUS)[10]、2007年建立的 Kilo Nalu 觀測系統(tǒng)[11]、MARS[3]、2009年建成的NEPTUNE[12-13]、以及正在建立的RSN，歐洲多國聯(lián)合建立的ESONET，ESONIM，EMSO等系列工程[14-15]。直流恒壓輸電方式雖然具有短路故障的致命缺點，但相對于其他輸電方式，具有輸電功率大、效率高、擴(kuò)展性能強(qiáng)等優(yōu)點，是當(dāng)前比較主流的水下纜系電能傳輸方式[16]。

1.2 自容燃料式供電

除了采用海纜為水下設(shè)備進(jìn)行電能供給以外，在海洋科學(xué)研究上也出現(xiàn)了多種不使用海纜進(jìn)行電能傳輸，而是通過自容式攜帶能量的方式，如通過自帶存儲式電池進(jìn)行能量供給，或者通過攜帶燃料現(xiàn)場發(fā)電進(jìn)行能量供給等。存儲式電池的方式獲得了最廣泛的應(yīng)用，目前大部分水下尤其是深海用電設(shè)備均采用了電池供電的方式[17]。但對于大型的水下平臺，電能需求量往往較大，而電池容量有限，使用大大受到體積和重量限制。使用電池進(jìn)行供電的例子如在9°N東太平洋隆起地區(qū)（the East Pacific Rise，EPR）的熱液口觀測系統(tǒng)，意大利的GEOSTAR等。另外一種電池為燃料電池，主要通過氧或其他氧化劑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。最常見的燃料為氫，一些碳?xì)浠衔?，例如天然氣、醇和甲烷等有時亦會作燃料使用。燃料電池有別于原電池，因為需要穩(wěn)定的氧和燃料來源，以確保其運作供電。此種方式在陸地或者太空獲得應(yīng)用，但水下環(huán)境尚未多見。最近有通過攜帶燃料進(jìn)行現(xiàn)場發(fā)電供給的方式在某些近岸海域或者淺海海域獲得應(yīng)用，即在浮標(biāo)上安裝發(fā)電機(jī)，將電能輸送給水下的儀器設(shè)備，只需定期補(bǔ)充燃料即可維持較長時間的電能供給。但此種方法受限于水面環(huán)境，只能短期應(yīng)用。

1.3 可再生能源供電

大部分水下設(shè)備均采用電池供電的方式維持一定時間段的連續(xù)電能供給，但此類設(shè)備由于功率小，僅僅能夠維持單一功能的水下任務(wù)，尚未具備可提供持續(xù)的大功率供電能力的特征。隨著可再生能源技術(shù)的發(fā)展和完善，海上可再生能源在未來可作為水下平臺的電能供給來源。可再生能源式供電可以根據(jù)可再生能源的種類進(jìn)一步細(xì)化為潮（海）流能、波浪能、太陽能、溫差能等。

首先，潮（海）流發(fā)電具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的優(yōu)點，是潮汐能利用的一種新形式，也是近年來國際上可再生能源研究的熱點之一。國際上利用海流進(jìn)行發(fā)電的研究已有多年，從早期美國的潮（海）流發(fā)電裝置“Coriolis”系統(tǒng)（1976年）到如今多家企業(yè)量產(chǎn)兆瓦級別的海流能發(fā)電機(jī)組。海流能利用獲得了長足的發(fā)展。近年來，利用海流能建立水下平臺的方案獲得了青睞，通過搭建海流能發(fā)電機(jī)組，并直接為接駁的水下設(shè)備供電，可實現(xiàn)獨立的水下供電平臺，如加拿大的SEAformatics[18]，可提供數(shù)瓦至數(shù)十瓦的連續(xù)電能供給。

其次，波浪能以機(jī)械能形式出現(xiàn)，是品位最高的海洋能，其能流密度最大，分布最為廣泛。波浪能研究獲得了較為廣泛的研究和應(yīng)用，具有較強(qiáng)的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。而利用波浪能的水下平臺也獲得了初步的發(fā)展和應(yīng)用。通過在移動載體或者浮標(biāo)上裝載波浪能發(fā)電裝置，實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，并為接駁的設(shè)備供電[19]。如Waveglider，采用波浪能與太陽能混合驅(qū)動的方式，實現(xiàn)了對海洋的長期觀測[20]。美國海軍的水下觀測系統(tǒng)AN/SSQ-101計劃利用波浪能發(fā)電機(jī)來取代電池對它進(jìn)行持續(xù)供電，大大提高了監(jiān)測設(shè)備的使用時間。利用波浪能發(fā)電并應(yīng)用在水下平臺已經(jīng)成為水下可再生能源利用的研究熱點。

第三，太陽能是地球上最常見的可再生能源之一，是一種能量巨大、無污染、使用安全的能源，通過半導(dǎo)體物質(zhì)將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能，從而可為水下設(shè)備直接供電。在海洋環(huán)境，海面具有無遮擋、日照強(qiáng)烈的特點，太陽能儲量充足，是太陽能獲取較為理想的地帶。國際上已有多種海面太陽能利用的先例，同時，太陽能獲取技術(shù)在陸地系統(tǒng)獲得了大量的應(yīng)用，技術(shù)較為成熟，通過轉(zhuǎn)化可以應(yīng)用到海上。

第四，海洋不同深度具有較大的溫差，不同溫度層蘊(yùn)含著巨大的溫差能，通過提取該溫差能，可獲得極為可觀的電能[21-22]。早在19世紀(jì)就已經(jīng)有人考慮利用海水的溫差發(fā)電，目前，美國、印度、日本等國都建有海洋溫差發(fā)電站。然而，溫差能利用困難，工程龐大，海洋溫差發(fā)電站容易被臺風(fēng)和暴雨摧毀。此外，在水下熱液口附近，同樣具有溫差，較大的溫度梯度為溫差能利用提供了較好的條件，可通過溫差發(fā)電的方式在深海環(huán)境獲取電能。目前美國海軍正在資助兩家公司進(jìn)行深海熱液發(fā)電的研究，美國海洋應(yīng)用物理公司MAPC計劃采用熱電發(fā)電技術(shù)從熱液口獲取幾百瓦至幾千瓦的電能，可直接為水下傳感器、無人潛器和其他水下自治設(shè)備供電。美國另一家公司Creare則采用基于朗肯循環(huán)的渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，目前兩種深海熱液發(fā)電方案都還處于實驗室研發(fā)階段。

我國海洋技術(shù)起步較晚，作為最通用技術(shù)之一的海洋能源獲取傳輸與管理技術(shù)基礎(chǔ)較為薄弱，尚未形成完善的產(chǎn)學(xué)研模式。目前為止，在能源獲取上，通過海纜為水下設(shè)備提供電能的方式剛剛通過了初步檢驗，開始進(jìn)入長期試驗階段，仍需可靠性等方面的驗證和研究[23-27]；在可再生能源利用上，海流能、波浪能、溫差能等各種形式的海洋能源利用技術(shù)得到了空前的發(fā)展，部分技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化和通用化階段，并在國內(nèi)外市場具有一定的競爭優(yōu)勢[28-33]。在能源傳輸與轉(zhuǎn)換上，直流恒壓的10 kV/10 kW等級的電能傳輸變換技術(shù)通過了淺海驗證，取得了技術(shù)上的突破[34-35]，但技術(shù)應(yīng)用尚未成熟，而在恒流和交流恒壓的電能傳輸與變換技術(shù)上，國內(nèi)基本上還是空白狀態(tài)。在能源管理與控制上，小功率等級的技術(shù)在海洋監(jiān)測上獲得了大量的應(yīng)用，但大功率等級的相應(yīng)技術(shù)仍然處于研發(fā)階段，水下能源的故障診斷與隔離技術(shù)取得了一定程度上的突破。上述工作為我國海洋監(jiān)測事業(yè)的快速發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)，但仍需努力實現(xiàn)全面進(jìn)步。

2 技術(shù)類別與差距分析

水下能源獲取、傳輸與管理涉及多項技術(shù)內(nèi)容，可細(xì)分為17項核心技術(shù)，如表1所示。

表1 “能源獲取傳輸與管理開發(fā)技術(shù)”方向核心關(guān)鍵技術(shù)

能源獲取、傳輸與管理研究開發(fā)技術(shù)方向圍繞海洋能源獲取技術(shù)、水下電能傳輸技術(shù)和水下電能管理技術(shù)遴選了17項核心關(guān)鍵技術(shù)。由于我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，技術(shù)上總體落后于領(lǐng)先國家10～15 a，僅有部分技術(shù)經(jīng)過最近的“五年計劃”的努力才得以縮小差距。比如，在水下潮流能研究與應(yīng)用方面，美國在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開展了大規(guī)模的研究并取得了顯著的成果，目前領(lǐng)先國家已有多種產(chǎn)業(yè)化成果，而我國仍然處于研發(fā)階段，距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍然有距離，總體落后十?dāng)?shù)年；在水下高壓直流電能變換控制及應(yīng)用技術(shù)方面，領(lǐng)先國家在21世紀(jì)初就已經(jīng)開展了研究應(yīng)用，并在2007年開始在海底觀測網(wǎng)上應(yīng)用，而我國在2006年開始相關(guān)研究，目前相應(yīng)成果剛剛?cè)〉昧嗽囼炐猿晒A(yù)計2015年獲得海上應(yīng)用，總體落后不到10 a時間。

3 我國未來發(fā)展趨勢

能源獲取、傳輸與管理技術(shù)在未來海洋技術(shù)中將占據(jù)重要地位。在國際上，纜系結(jié)構(gòu)的能源獲取方式及相應(yīng)的傳輸和管理技術(shù)將成為近海海域能源供給的常規(guī)技術(shù)，新能源及可再生能源將占據(jù)較大的比重，并成為深遠(yuǎn)海海域的主要能源供給方式。各種能源獲取、傳輸、管理技術(shù)將廣泛應(yīng)用在水下定點平臺、水下移動平臺等水下裝備上。在國內(nèi)，預(yù)計在未來5～10 a，能源獲取技術(shù)得到進(jìn)一步完善并形成產(chǎn)業(yè)，能源傳輸與變換將通過實驗驗證并走向產(chǎn)業(yè)化，電能管理技術(shù)逐步完善，形成標(biāo)準(zhǔn)體系，縮小與領(lǐng)先國家間的差距；預(yù)計在未來10～20 a，能源獲取、傳輸與管理技術(shù)全面趨于完善，基本實現(xiàn)通用化和產(chǎn)業(yè)化，總體水平與領(lǐng)先國家基本一致。

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Review on the Power Acquisition,Transmission and Management of Marine Energies

YANG Can-jun,CHEN Yan-hu
State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control,Zhejiang University,Hangzhou 310027,Zhejiang Province,China

Power acquisition,transmission and management of marine energies are the key techniques for transparentizing the ocean.In this paper,the techniques of power acquisition,transmission and management around the world are analyzed and discussed through sorting the methods of power acquisition,with the pros and cons of each method studied.The core technology of each link is identified and resolved,and the gaps between domestic and oversea technologies are analyzed based on China's research status.Finally,this paper predicts the development trend in the sector of power acquisition,transmission and management in China.

underwater power acquisition;seafloor observation network;renewable energy;technological prediction

P743

A

1003-2029（2015）03-0111-05

2015-03-10

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2012AA09A402）

楊燦軍（1969-），工學(xué)博士，教授，主要研究方向為海洋機(jī)電裝備技術(shù)、智能穿戴式機(jī)器人技術(shù)。E-mail：ycj@zju.edu.cn