海洋能開發的多能互補裝置及分布式發電系統

毛亞郎，陳國波，章怡

（浙江工業大學海洋研究院 杭州 310014）

海洋能開發的多能互補裝置及分布式發電系統

毛亞郎，陳國波，章怡

（浙江工業大學海洋研究院 杭州 310014）

海洋能種類多、儲量大、可再生、污染少，是可持續開發的重要清潔能源。針對海洋能具有波動性、能量密度低的特點，利用不同能源之間的互補性開展多能互補裝置及分布式發電系統研究的意義重大。文章根據各種海洋能的開發利用特點，闡述當前多能互補發電裝置的理論模型及其基本結構，為海洋能綜合發電裝置設計和降低海洋能開發成本提供參考；利用各種海洋能、風能和太陽能之間的互補性，優化多種能源的配置，構建分布式發電微網，使系統獲得穩定的電力輸出，可實現海洋能的有效利用；多能互補模式能提高海洋能開發的經濟性和能量利用率，具有較大的發展前景。

海洋能；新能源；電力產業；海洋工程；多能互補

海洋能具有無污染、可再生、儲量大等優勢，開發利用前景廣闊。海洋能種類豐富，主要包括潮汐能、潮流能、波浪能、溫差能和鹽差能，其中海水受太陽和月亮引潮力的作用會產生有規律的運動，豎直方向的漲落稱為潮汐勢能（潮汐能）、水平方向的流動稱為潮流能，能量強度主要受潮汐現象和海洋地勢地貌的影響；波浪能是指海洋表面的波浪所具有的動能和勢能，受海面風速的影響較大，隨季節變化明顯；溫差能由海洋表層和深層的水溫度差而形成；鹽差能是指海水與淡水或含鹽濃度不同的海水之間的化學電位差能［1］。

海洋能資源豐富、自然可再生、對環境影響小，是清潔能源開發利用的重要發展方向。但海洋能本身會隨著自然環境的變化而變化，存在較大的波動性，這對其開發利用帶來一定挑戰。采用多種能源共同開發、互補的方式，可以降低開發成本，提高能源利用率，獲得較為穩定的能源輸出，從而實現海洋能的有效利用。

1 海洋能開發利用特點

1.1 潮汐能

潮汐能利用潮起潮落的勢能發電，其原理與水力發電相似。和水電相比，潮汐發電的能量密度低、隨海水水位的變化而變化，即潮汐電站是在變工況下工作的。與其他海洋能相比，潮汐能呈周期變化、可預測、發電原理清晰，潮汐電站投入運行早、技術比較成熟、后期維護費用低。建設潮汐電站需要圍海造壩，前期投入較大，對海域的通航和生態環境影響也較大；為提高潮汐電站能量利用率和降低前期投入，通常選擇潮差大的海灣、河口、彎中灣建設電站。當前潮汐電站向大型化發展，已建成并運行的大型潮汐電站有法國的朗斯（1966年）、蘇聯的基斯洛（1968年）、中國的江廈（1980年）、加拿大的安那波利斯（1984年）等［2］。

1.2 潮流能

潮流能利用潮汐作用下海水流動的動能發電，發電裝置與風能發電相似。與潮汐發電相比，潮流能發電不需要攔海筑壩，對海洋航運和生態環境影響較小。目前潮流能發電裝置已基本成熟，但發電效率較低，且裝置的可靠性尤其是密封、抗腐蝕、防生物附著和機械結構剛度等方面有待提高；潮流發電裝置一般選擇流速較大的區域，以提高發電效率。潮流能發電起步較晚，還處于項目應用示范階段，如英國于2008年建成的SeaGen潮流能電站單機容量達1.2 M W［3-4］，我國初裝機容量達3.4 M W的大型海洋潮流能發電機組于2016年在舟山岱山縣下海安裝。

1.3 波浪能

波浪能儲量巨大、分布廣泛，但由于受自然條件影響大、波浪運動周期短，是海洋能中最不穩定的一種能源，開發利用難度較大。當前波浪能發電裝置在可靠性、成本控制和輸出穩定性等方面有待提高。英國Pela mis波浪能電力公司研制的筏式“海蛇”波浪能發電裝置于2004年8月成功實現并網發電，美國科學應用及研究聯合會開發磁流體波浪能裝置以解決深海區域波浪發電裝置生存能力差等問題［5-6］。

1.4 溫差能

溫差能發電是利用表層海水加熱某些低沸點工質并使之汽化以驅動汽輪機發電，同時利用深層冷海水將做功后的乏汽冷凝重新變成液體，形成系統循環；由于溫差小，能量轉化效率低，通常只有4%～5%。海洋溫差能發電裝置在制造淡水、制冷、制氫和海水養殖等方面有綜合利用前景，已從試驗示范項目逐漸向商業項目推廣。印度政府與日本佐賀大學海洋能源研究中心于2001年建造1 M W的漂浮閉式循環示范電站，美國洛克希德馬丁公司建造的夏威夷州柯納40 k W實驗電廠于2012年4月運營［7］，這些發電裝置都能向電網輸出凈功率。

1.5 鹽差能

鹽差能發電是利用淡水通過半透膜向海水滲透的滲透壓發電，發電裝置的核心是滲透膜，成本高、設備投資大、能量轉化效率低，且要求發電裝置設在河流的入海口，需要同時利用淡水和海水資源。目前鹽差能的利用還處于研究和試驗階段，Statkraft公司于2003年建成世界上第一個專門研究鹽差能的實驗室，挪威Buskerud公司于2008年建成世界上第一座鹽差能發電站［8］。

綜上所述，由于海洋能具有不穩定、能量密度

低的特點，單一能源很難得到持續的輸出，海洋能發電對電網和用電都有較大挑戰。與此同時，海洋能都有自身的規律和周期，同時開發和利用多種能源形成互補即可實現持續均衡供電。當前能量互補的形式主要有各種海洋能之間的互補，以及海洋能與風能、太陽能等其他能源之間的互補。多能互補的模式，一種是采用混合發電裝置實現裝置互補，通過共享基礎平臺、海底電纜等方式降低投資成本；另一種是根據多種海洋能的互補特性，構建分布式發電網絡，利用多能互補系統實現電力的穩定輸出，提高海洋能的穩定性和利用率。

2 海洋能多能互補裝置

2.1 波浪能與海上風能的互補裝置

Pérez-Collazo等［9］對波浪能和海上風能的不同組合方式開展研究，將組合方式分為同一位置協同發電、同一海域混合發電和孤島發電，并列舉適用于不同海水深度的混合發電的基礎裝置，包括單樁式、多樁式、框架式、半潛式（圖1）。

圖1 波浪能和海上風能互補裝置的基礎結構

M uliawan等［10］提出在半潛式平臺上通過花托式結構將H ywind風力發電裝置與W avebob波浪能發電裝置組合為風-浪混合發電裝置（S T C），在波浪能的作用下花托沿著桅桿上下運動實現發電（圖2）。同時，通過對該裝置進行空氣動力學和流體動力學分析并對其經濟性進行評估，認為相比單獨的風力或波浪能發電裝置，S T C在資金投入和總電能產出上更有優勢。

深海浮式風力發電裝置受波浪起伏的影響會增大裝置的負載并減弱風力發電效果，需要通過增加阻尼裝置以減弱波浪對裝置的影響，為此Borg等［11］提出將波浪能發電機作為阻尼裝置，將波浪能有效利用起來，提高浮式風力發電裝置的穩定性。該風力發電裝置的平臺采用3個浮子的半潛式裝置［12］（圖3），根據英國多格灘的風場和波譜特征對假定的波浪能發電機的參數進行設計，分別分析實現波浪能發電量最大的參數和阻尼最大的參數。Astariz等［13］對此開展進一步研究，為提高風-浪發電裝置的經濟性，對西班牙特納利夫島海域的風能和波浪能進行仿真分析，確定風-浪發電裝置的最佳配置區域。

圖2 ST C風-浪混合發電裝置示意

圖3 三浮子半潛式風-浪發電裝置

蘇格蘭綠色海洋能源公司在其研制的Ocean Treader振蕩浮子式波浪能發電技術的基礎上，結合風力發電技術研制W ave Treader波浪能風能綜合發電裝置［14］（圖4）。該裝置安裝在海上風力發電平臺上，提供風-浪混合電能并通過風力發電的海底電纜輸送到岸上電網。該技術更具商業可行性，有效降低技術風險［15］，節省單獨波浪能發電裝置固定平臺和電纜的鋪設成本；由于波浪能主要受海面風力的影響，風能豐富的海域波浪能密度也高，具有較高的可行性。2

圖4 W ave Treader風-浪發電裝置

.2 潮流能與海上風能的互補裝置

魏東澤［16］提出多樁式潮流能與海上風能互補裝置（圖5）。

圖5 潮流能與風能混合發電裝置

該裝置主要包括1個風機和1個豎軸潮流能水輪機，利用下部潮流能水輪機進行發電，以彌補風電的不穩定性，此外通過采用集成線路還可以節省輸電線等設備成本；適用于風能和潮流能都比較豐富的海域。

Rah man等［17-18］提出近海風能和潮流能的混合發電裝置（H O T T）（圖6）。該裝置頂部安裝1個風能渦輪發電機、底部安裝4個潮流能渦輪發電機，4個渦輪發電機組可實現轉向180°，用于潮流反向流動的情況；設置升降裝置，水下發電機可以提升到海面上以方便維護，并對風能和潮流能發電機的并流方法、輸出電流的穩定性和補償方法開展研究。

圖6 H O T T型潮流能與風能混合發電裝置

2.3 潮流能、波浪能與海上風能的互補裝置

秦川等［19］提出近海潮流能、波浪能和風能的混合發電裝置（圖7）。該裝置采用導管架式基礎平臺結構，將水平軸式風力發電裝置安裝于平臺頂部、直驅式波浪能發電裝置安裝于海面并固定于基礎平臺內部、水平軸式潮流能發電裝置安裝于基礎平臺下部，并對3種發電裝置的匯流和并網方式進行研究。

柳博瀚等［20］提出一種將海上潮流能、波浪能、風能轉化為液壓能，利用液壓系統實現穩定的功率輸出和發電的裝置（圖8）。該裝置每個模塊都采用驅動液壓，將分散的能量以液壓能的形式集聚推動發電機轉動，實現多種能量的耦合互補，從而提高

發電效率和穩定性。

圖7 近海潮流-波浪-風力混合發電裝置

圖8 基于液壓能的混合發電裝置

2.4 其他多能互補裝置

胡佳林［21］提出一種利用海洋溫差能和風能聯合發電的裝置。由于表層和深層海水的溫差較小、能量利用率低，結合風能發電驅動熱泵增大海水溫差可提高溫差能發電效率，實現海洋溫差能和風能的綜合利用。

楊先亮等［22］構建一套全天候工作的海洋溫差能-太陽能聯合熱發電系統，利用太陽能進一步加熱以提高汽輪機入口的溫度和壓力，從而提升系統熱效率。該系統由有光照工作子系統和無光照工作子系統組成，利用高、低壓泵的聯合使用實現高壓循環子系統和低壓循環子系統。通過系統熱力學的計算分析，聯合系統的效率大大提高。

Straatman等［23］提出利用浮動近海太陽能池（O SP）增加海洋溫差能發電裝置（O T E C）的海水溫差的理論裝置（O SP-O T E C），經理論計算該裝置可使O T E C的能量利用率提高到12%，遠大于普通O T E C僅3%的能量利用率。O SP由低成本的塑料薄膜制造，經濟性大大提高，適用于陽光充足的沿海區域。

日本的日立造船和里見產業在印度用發動機冷卻水和海水的溫差發電作為船用發電設備，該技術大型化后可達核電水平，是有發展前途的發電方式［24］。

3 分布式發電的多能互補系統

通過多能互補裝置可以共用部分設備和平臺并實現一定程度的能量互補，可提高海洋能發電的經濟性和電能輸出的穩定性。但很多海洋能受到自然條件的限制往往分布于不同區域，需要構建各個分布式發電裝置的多能互補系統，以實現發電系統的穩定輸出和并網，這對獨立海島的多能供電系統具有重要現實意義。

Lund［25］根據丹麥能源系統中風能、太陽能和波浪能的不同波動模式，利用EnergyP L A M系統能量仿真模型，對多能的最佳組合方式開展研究，發現當風電占比在50%時達到最優，而太陽能和波浪能發電量占比與總發電量的變化有關：當總發電量小于總需求電量的20%時，太陽能發電占40%、波浪能發電占10%；當總發電量大于總需求電量的80%時，太陽能發電占20%、波浪能發電占30%。同時認為多能互補是解決各種能源波動的較好方式。

H ala may等［26］分析靠近猶他州的邦納維爾的太平洋西南部海域的風能、太陽能和波浪能混合發

電對電能儲備裝置的影響，與單獨風力發電相比，采用多能互補的方式可以減少發電系統所需電力儲備裝置的容量，并且可以降低各種能量波動對系統的影響。Astariz等［27］對潮汐能、波浪能和海上風能的發電成本進行分析，結果表明每種海洋能源的發電成本均遠高于常規能源的發電成本，但利用多能互補的協同效應可降低單位資金投入和維護費用，提高系統電能輸出的穩定性，從而降低海洋能源的發電成本。

張熙霖等［28］對山東即墨大管島的風能、太陽能和波浪能的多能互補系統進行研究并構建相關發電系統（圖9），指出可再生能源的優化配置是解決海島用電問題的有效途徑。

圖9 大管島風力／光伏／波浪能發電系統

熊焰等［29］對大管島的多能互補系統開展進一步的研究，提出系統電能的輸出、并流、儲能和用戶負荷的設計思路，并針對電力需求與波浪能、太陽能、風能資源的季節性變化進行多能互補的供電效果分析，提出在用電較少的冬季關閉低效率的波浪能發電系統，而在夏季用電高峰時再開啟的策略。目前由國家海洋技術中心承擔的總裝機容量為205 k W（波浪能130 k W、風能60 k W、太陽能15 k W）的大管島多能互補示范電站已正式投入運行。

珠海市擔桿島可再生獨立能源電站采用海上風能、波浪能、太陽能多能互補的形式，并以柴油機發電作為備用、以海水淡化裝置作為可控負載，根據資源特征設計5 k W太陽能電池、10 k W波浪能發電和90 k W風電機組，以及100 k W備用柴油發電機、30 k W海水淡化裝置［30］。陳一誠等［31］對舟山嵊泗縣嵊山島的波浪能、太陽能和風能多能互補發電系統開展研究，分析系統在經濟性、環境效益和可靠性影響下的多能配置方案，通過對系統年發電曲線和海島年負荷曲線的比較分析，確定備用柴油發電系統的容量。中國海洋大學聯合多家單位對青島市齋堂島潮流能、風能和太陽能500 k W多能互補示范工程開展研究［32］。

由于海洋能、風能、太陽能的間歇性和波動性，多能互補系統的電力輸出仍然存在較大的波動，而用戶的電力需求是相對穩定的，因此在實際應用時往往需要配備儲能系統以調節發電和用電之間的平衡，從而提高可再生能源的利用率［33］。眾多學者對多能互補系統的儲能方法和技術開展研究［34-36］。

4 結語

海洋能是一種新型、清潔、可再生的能源，開發利用前景廣闊，但普遍存在波動大、密度低的特點，單一能源的開發成本高、利用難，而多能互補方式是海洋能開發利用的有效方式。本文從各種海洋能的開發利用特點出發，綜述各種共享發電平臺的多能互補裝置和分布式多能互補系統，發現：裝置共享能大大減少硬件投資、降低發電成本，同時提高電能輸出的穩定性；根據不同能源波動的差異性，構建分布式發電的多能互補系統并結合儲能裝置，可使電能穩定輸出、實現海洋能的有效利用和并網。

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Hybrid Power Equipment and Distributed Generation System of Ocean Energy

M A O Yalang，C H E N Guobo，Z H A N G Yi
（Institute of Ocean Research，Zhejiang U niversity of Technology，H angzhou 310014，China）

Ocean energy is an im portant clean energy for sustainable develop ment，w hich has the characteristics of various forms，large reserves，renewable and less pollution.According to the characteristics of the energy fluctuation and the low energy density of the ocean energy，it is significant to carry out the research of hybrid power equip ment and systems withm ulti-energy sources.In view of the develop ment and utilization characteristics of ocean energy，the theoretical m odels ofthe hybrid power equip ment and its basic structure were elaborated to reduce the cost of ocean energy develop ment and provide reference for the design of hybrid equip ment.In order to acquire the stable output of the power generation system and realize the effective utilization of ocean energy，the configuration optimization of m ulti-energy sources has been studied and the distributed generation systems has been established.It could be concluded that the pattern of hybrid power will be m ore econo mic and a better utilization ratio of ocean energy，w hich will also have great develop ment prospects.

Oceanenergy，Newenergy，Electricindustry，Oceanographicengineering，H ybrid power

P74

A

1005-9857（2016）11-0048-07

2016-07-01；

2016-10-08

浙江省教育廳科研項目（Y201328678）.

毛亞郎，講師，博士，研究方向為海洋機械裝備，電子信箱：m yl＠zjut.edu.cn